河北省邢台县西部山区降水输沙分析

【摘 要】本文分析了邢台县西部山区代表站坡底水文站的降水特性及产沙特性，探讨了降水强度和降水的时空分布对地面径流及输沙影响，揭示不同尺度下侵蚀产沙过程的变化规律和普遍规律。

【关键词】降水特性；水沙关系；时空变化；坡底小流域

【Abstract】This paper analyzes the characteristics of Xingtai County precipitation western mountain hydrological stations on behalf of its base station and the production of Saudi Arabia， explores the spatial and temporal distribution of rainfall intensity and rainfall effects on surface runoff and sediment reveals variation at different scales and sediment yield process universal law.

【Key words】Precipitation characteristics；Water and sediment relations；Temporal and spatial variation；Its base of small watershed

1. 研究区基本概况

1.1 研究区地理位置与基本概况。

邢台县位于河北省南部，东经113°45′～114°38′，北纬36°58′～37°22′，地处太行山东麓，地形起伏，形态复杂。自西向东依次呈现中低山、低丘垄岗和山前倾斜平原的地貌。中低山区：位于白岸、杨庄、浆水、冀家村、崇水峪、路罗、城计头、西枣圆、将军墓、宋家庄、西上庄、龙泉寺、北小庄、西黄村等乡镇，面积1290 Km2，占全县总面积的65%。由变质岩、石英砂岩及灰岩构成，地形起伏较大，海拔500～1800m，重峦叠嶂，山坡陡峭，沟壑纵横，切割强烈。低山垄岗：位于邢台县中部，在龙华、大贾乡、谈话、张安北、羊范、南石门、皇寺、会宁等乡镇，面积515Km2，占全县总面积的26%，海拔高程100～300m。变质岩分布区有明显的立状夷平面。石英砂岩、灰岩构成低缓的低山。山前平原：位于京广铁路东部，面积为175Km2，约占全县总面积的9%，包括东汪、祝村、晏家屯、于办等乡镇。海拔高程45～80m。

1.2 流域降水特性分析。

（1）利用1973～2007年坡底小流域降雨量资料系列分析计算，该区多年平均降水量605.0mm。对年降雨量系列进行频率计算，频率曲线采用皮尔逊Ⅲ型曲线，频率计算采用适线法。对于变差系数Cv值的确定，在适线中，对系列中出现的特大特小值，一般不做处理。偏差系数Cs的取值一般用Cv/Cs值来反映。坡底小流域不同频率年降水量计算成果如表1所示。

（2）该区降水量年际变化很大，且常有连续几年降水量偏多或连续几年降水量偏少的现象。以历年年降水量最大值与最小值之间的比值K来表示年际变化，该区各雨量站监测的年降雨量资料分析，各站极值比大都在4.0～6.5之间。如路罗雨量站1963年年降水量为1753.1mm，1986年年降水量为281.8mm，相差6.22倍。

（3）该区降水量具有年内非常集中的特点，全年降水量的80%左右集中在汛期（6～9月），而汛期降水又集中在7、8月份，按多年平均计算，7、8月份降水量占全年降水量的59.6%，6～9月份降水量占全年降水量的78.3%。特别是一些大水年份，降雨更加集中。非汛期8个月期间的降水量仅占全年降水量的21.7%。

1.3 泥沙监测情况。

坡底水文站1973年设立，1982年开展监测单样含沙量和悬移质输沙率项目。单沙测次的年内分布及要求，应能控制沙量变化的过程。洪水期，每次较大洪水，取样不得少于3次，洪峰重迭，水沙峰不一致或含沙量变化剧烈时，应增加测次。汛期的平水期，在水位定时观测时取样一次，非汛期含沙量变化平缓时，每5～10日取样一次。年内悬移质输沙率的测次及要求，因土壤侵蚀主要在洪水期，每次较大洪水不得少于3次，平水期每月测3～5次，以控制年内含沙量的变化过程。本次输沙量分析计算采用1982～2007年泥沙监测资料。

2. 流域产沙量时空分布特征分析

对于一个特定的流域来讲，气候是输沙量变化的主要因素。在不同的丰枯年份，年输沙量显著不同。由于季节的变化，在一年之内输沙量的分配也极不均匀。在北方地区，受降水影响，有时一次暴雨的输沙量即为全年的输沙量。

2.1 输沙量年际变化特征。

（1）悬移质输沙量的年际变化表现在各年输沙总量的差异，一般采用频率计算方法来确定其年际变化特征值。受气象因素、地形因素和地貌因素的综合影响，输沙量年际变化比较大。年际变化大小可以用变差系数或极值比（最大值与最小值之比）加以衡量。年输沙量系列的Cv值越大，极值比越大，年输沙量变化越不均匀。

（2）该研究区土壤侵蚀量，主要受降水量及降水强度的影响。遇到特大暴雨，流域内一年的土壤侵蚀量比多年平均侵蚀量高出数倍。利用1973～2007年坡底小流域径流量资料系列分析计算，多年平均径流量4 979万m3。由1982～2007年沙量资料系列计算，多年平均输沙量8.899万t。对年输沙量系列和水量进行频率计算，频率曲线采用皮尔逊Ⅲ型曲线，频率计算采用适线法。在实际水文统计应用中，常用相对量即变差系数Cv，以便于综合、比较。对于变差系数Cv值的确定，在适线中，对系列中出现的特大特小值，一般不做处理。偏差系数Cs的取值一般用Cv/Cs值来反映。坡底小流域不同频率年输沙量和年径流量计算成果见表2。

（3）通过对坡底小流域河流径流量与输沙量年际变化分析，变差系数CV相差2.6倍，值越大，说明随机变量相对于均值越离散，频率曲线的偏离程度也随之增大。根据输沙量系列资料统计，年土壤侵蚀量最小值与最大值的比为1：11 875；径流量最小值与最大值比值为1：462。河流输沙量的年际变化远大于径流量的年际变化。

2.2 输沙量年内变化特征分析。

（1）水力侵蚀的强度，决定于土壤或土体的特性、地面坡度、植被状况、降水特征及水流冲刷力的大小等。少数几次大暴雨引起的侵蚀量，往往占年总量的主要部分。河北省暴雨多发生在7月中下旬和8月上中旬。一般每年二至四次暴雨，暴雨量占全年雨量的一半左右。由于暴雨的作用，引起水土大量流失。根据该小流域1991～2007年试验站监测资料分析[1]，土壤侵蚀主要是暴雨引起的，年内几次较大的降水过程产生的输沙量，决定全年的输沙量。个别年份，一次降水过程产生的沙量即为全年的土壤侵蚀量。表3为河北省坡底小流域试验站年内一次最大暴雨的土壤侵蚀量占全年土壤侵蚀量的计算成果。

（2）通过1991～2007年资料分析可以看出，该流域土壤侵蚀量年内分配比较集中。一次暴雨侵蚀量占全年土壤侵蚀量低于50%的有2年次，占全年侵蚀量50%～80%的有8年次，大于90%的有5年次，有2年的一次暴雨侵蚀量即为全年侵蚀量。根据1991～2007年计算成果分析，该区一次暴雨的平均土壤侵蚀量占全年土壤侵蚀量的77.7%。

3. 降水时空分布对水沙关系影响分析

3.1 降水强度对流域水沙关系影响分析。

（1）2002年7月13日的一次降水过程，该次降水过程在流域上分布均匀，降水历时短，降水强度较大，流域平均降水量26.4mm，平均降水强度为8.8mm/h，最大1小时降水量23.6mm。通过对该流域27场降水过程分析，该次降水过程是降水强度最大的一次。由于该次降水强度大，对土壤侵蚀作用较强，导致输沙率偏大。降水强度大小，是影响输沙量的主要因素。表4为坡底小流域2002年7月13日各雨量站时段降水量摘录表。

（2）通过该次流量、输沙量过程线可看出，降水强度大是土壤侵蚀的主要因子。该次在整个流域上分布较均匀，最大流量和最大含沙量出现时间比较接近。最大流量3.70 m3/s，最大含沙量9.28 kg/m3，是历年相同级流量下含沙量最大的一次输沙过程。

3.2 降水量时空变化对产沙过程影响。

（1）1997年7月29日一场降水过程，降水强度在1个小时以后最大，以后逐渐减小。而降水分布是下游大于上游，29日18～19时流域降水强度为5.0mm/h，而流域最下游的坡底雨量站降水强度达32.1mm/h。坡底小流域1997年7月29日各雨量站时段降水量见表5。

（2）由降水量过程分析，降水量过程第一时段，流域最下游的坡底雨量站降水强度为32.1mm/h，如此大的降水强度产生大量的泥沙率先到达监测断面，使流量过程线涨水段，出现了沙量最大值，该次最大沙量是下游局部产沙造成的。降水量的时空分布不均，导致含沙量过程线比流量过程线时间提前，最大含沙量比最大流量时间提前2个小时。由于降水过程中强度的变化，使水沙过程线关系也发生相应的变化。

3.3 降水量流域分布不均对水沙关系影响分析。

（1）1997年6月25日一次降水过程，本次流域面降水量为31.8mm，该次降水过程6小时，流域平均降水强度5.3mm/h。由雨量站统计资料结果可以看出，降水过程前期的降水强度较大。通过对流域内11个雨量站降水量分布情况分析，降水量最大的站出现在流域下游的坡底雨量站，降水量为82.9mm，而最大1小时降水量为81.4mm。流域平均最大1小时降水量15.0mm。该次降水过程分布是流域中下游明显大于流域上游，降水量在流域上的分析见表6。

（2）从降水的流域分布分析，暴雨中心由中游向下游移动，流域下游降水量的强度和降水量均大于流域上游，含沙量最大值比流量最大值提前2个小时。说明降水过程在流域上的分布和强度，对输沙率的影响明显。降水强度在流域上的分布不均，使不同区间水沙变化特征存在很大的差异。

4. 结论

通过对太行山区典型小流域水沙关系分析，流域产沙量与降水量之间存在较大的不确定性，在相同降水量和降水强度的情况下，产沙量最大相差10倍；最大流量和最大含沙量之间也存在较大的不确定性，最大相差20多倍。通过对该小流域多次降水量、流量、含沙量过程线分析，水沙关系的这种不确定性，主要是降水量在流域上分布不均，降水在时间和空间上的变化引起的。降水强度是造成土壤侵蚀的原动力，由于降水强度在流域上分布变化，致使监测断面水沙关系产生较大的不确定性。侵蚀产沙系统是一个极其复杂的非线性系统，要揭示不同尺度下侵蚀产沙过程的变化规律和普遍规律，还需要在理论上的进一步完善和观测手段的提高。

参考文献

[1] 张广军，赵晓光.水土流失及荒漠化监测与评价[M].北京：中国水利水电出版社，2005年.

[2] 陈松生，张欧阳，陈泽方，等.金沙江流域不同区域水沙变化特征及原因分析[J].水科学进展，2008，19（4）：457～482.

[文章编号]1619-2737（2014）08-05-455

[作者简介] 李伟红（1981-），女，籍贯：河北邢台县人，职称：助理工程师，长期从事水文水资源管理工作。