岔巴沟流域产沙计算方法简析

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：6.6.1.2模拟计算的准备工作1.子流域、河网及坡面的划分在进行模拟计算前，首先利用数字流域平台将岔巴沟流域划分为8个单元子流域，如图6-31所示。

6.6.1.1　岔巴沟流域概况

岔巴沟流域位于陕西省子洲县北部，是无定河的二级支流，自然地理区划属于黄河丘陵沟壑区第一副区。流域面积205km2，曹坪站是本流域的沟口水文站，该站以上流域控制面积187km2。流域沟道长约24.1km，沟道密度1.05km/km2。

该区地形复杂且垂直方向上缺少连续性。主沟上游及大支流坡度在54°～60°，沟头及支沟上部减至30°～45°，峁梁顶部坡度约在5°～10°以内，梁峁两侧坡度变化范围在15°～30°之间。从平面形态上看，岔巴沟流域的沟网系统由主沟(岔巴沟)和13条一级支沟组成，其中左岸分布有麻地沟等8条一级支沟，右岸分布有刘家沟等5条一级支沟，沟道基本沿主沟左右对称，但是沟道密度在左右岸分布不均，例如最大沟道密度出现在左岸下游的麻地沟 (1.23km/km2)，而最小沟道密度出现在右岸中游的刘家沟 (0.46km/km2)。该流域的数字地形高程图及抽取的河网如图6-30所示。

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图6-30　岔巴沟数字地形高程及提取的流域河网

该区属暖温带半干旱大陆性季风气候，东南方向受太行、吕梁、秦岭等山脉的阻隔，东南季风很难侵入;北方由贺兰山、狼山等山脉环绕，但在磴口一带存在宽约150km 的缺口，西北季风从此处长驱直入主宰了该区气候类型。1959～1969年的实测资料表明，该区年平均气温为8℃，最高气温38℃，最低气温-27℃。多年平均降雨量为480mm，降雨年内分配极不均匀，70%的降雨集中在6～9月，多为强度大、历时短的暴雨，实测最大降雨强度达3.5mm/min，正是由于这种大强度、短历时的暴雨，造成该区土壤侵蚀严重，流域平均侵蚀模数达到22200t/ (km2·a)。

6.6.1.2　模拟计算的准备工作

1.子流域、河网及坡面的划分

在进行模拟计算前，首先利用数字流域平台将岔巴沟流域划分为8个单元子流域，如图6-31所示。各子流域按自然河网的连接关系分割且进行了适当合并，使各部分大体相当。整个流域划分为1995个河段，坡面平均尺度约为0.04km2。

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图6-31　岔巴沟子流域划分

2.降雨数据、对比测站的确定

本次率定及验证拟对岔巴沟1959 年、1961年、1967年、1969年等年份进行模拟计算，降雨量数据采用黄河水利委员会公开刊布的《黄河流域子洲径流实验站水文实验资料》上相关雨量测站点数据，然后在数字流域平台上将这些点数据插值到流域坡面与河段上。需要指出的是，上述各年的雨量站位置及数量都有所变动，经统计，1959年有13 个雨量测站，1961 年有28个，1967 年有30 个，1969 年却为16个。测站的相对位置与数量可能对雨量插值的效果产生一定影响。在进行产沙结果验证时，选择上述资料来源中相关水文测站的径流量、含沙量测量值作为实测对比值。雨量站及水文测站的分布见图6-32。图中空心圆点代表雨量站，黑色圆点且有文字标识的为径流泥沙水文测量站点。从图6-32 中可以看到，用于计算结果对比的水文测站包括了一些子流域的出口以及干沟和全流域出口，分布比较合理。为了分析产沙过程从毛支沟到干沟的变化规律，又根据沟道的特征编码 (李铁键，王光谦等，2006)提取了两个子流域内部级别 “较低”的沟道作为计算结果提取点，如图6-32中三角点所示。

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图6-32　岔巴沟雨量及水文测站分布

根据《黄河流域子洲径流实验站水文实验资料》说明，“子洲径流站的勘查工作于1958年7月结束，同年10月底各实验站点基本完成，正式观测于1959年开始”。因此，1959年是岔巴沟开始有系统观测资料的第1年。在验证中计算了1959 年、1961 年、1967 年、1969 年4 年的水沙过程，这里给出1961年和1967年两个年份的结果。

6.6.1.3　岔巴沟流域1961年产沙模拟

列出的1961年岔巴沟流域计算成果包括不记入重力侵蚀的各站含沙量过程、记入重力侵蚀时不同级别测站的含沙量过程、各站年产沙总量等。其余各年份的模拟结果都包括这几部分。结果分析见后。

1.未计重力侵蚀时各站计算产沙过程

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图6-33　1961年岔巴沟曹坪站含沙量过程计算与实测对比

由如图6 33～图6 35所示的1961年汛期岔巴沟各主要测站未计入重力侵蚀模拟结果与实测资料对比可知，在不记入重力侵蚀影响时，各站在小流量时与实测资料相差较小。在大流量时，除蛇家沟7月30日较接近实测值外，其他各站明显小于实测含沙量，查阅降雨资料发现，1961年7月21～22日，7月30～31日均发生暴雨，如杜家沟7月30日一次降雨量达25.7mm，因此，除了发生强烈的坡面侵蚀外，还导致了频率较高的重力侵蚀，是这部分侵蚀量而非坡面侵蚀最终造成含沙量保持较高的状态。

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图6-34　1961年杜家沟岔站含沙量过程计算与实测对比

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图6-35　1961年蛇家沟站含沙量过程计算与实测对比

2.记入重力侵蚀的产沙过程对比

为考察重力侵蚀的发生对支沟及干沟含沙量的影响，选择了较小级别的支沟作为对比数据点，如图6-32中三角所示测点。在计算结果中选择按小时平均的含沙量过程，以此考察径流量和含沙量的细节变化过程，如图6-36所示。

由图6-36可以看出，沙峰从西庄以上的支沟A 站点到流域出口的曹坪站出现的时间越来越晚，而且峰值依次降低，同时含沙过程还受到前一天降雨产沙的影响。从含沙过程的持续时间看，支沟含沙过程为陡涨陡落，而曹坪站的含沙过程则平缓得多。

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图6-36　1961年7月31日各级别站时均含沙量过程

6.6.1.4　岔巴沟流域1967年产沙模拟

1967年计算成果组成与1961年类似，模拟成果如图6-37～图6-40所示。结果分析见后。

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图6-37　1967年西庄站含沙量过程计算与实测对比

1.未计重力侵蚀时各站计算产沙过程

1967年是岔巴沟流域产沙较多的一年。该年度内降雨频繁且暴雨雨强大，由此造成的直接后果是流域内产沙次数较多且沙峰高，这在图6-37～图6-40所示的1967年汛期岔巴沟各主要测站含沙量过程图中有所反映。在上述各图中，未计入重力侵蚀时模拟结果与实测资料的趋势是一致的。同1961年各对应测站的含沙量过程对比还可以发现，由于本年度暴雨连续发生的情况较多(如8月19～26日)，在暴雨后期重力侵蚀频发，因此，未记入重力侵蚀时在此期间的含沙量明显远小于实测值，这也反映了重力侵蚀在该过程中所占比重较大。

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图6-38　1967年杜家沟岔站含沙量过程计算与实测对比

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图6-39　1967年三川口站含沙量过程计算与实测对比

2.记入重力侵蚀的产沙过程对比

在计算结果中选择按小时平均的含沙量过程，以此考察含沙量的细部变化过程，如图6-41所示。由图可以看出，与1961年选出的不同级别站点时均含沙量过程类似，位于三川口上游的B 测点的含沙量随降雨过程产生了陡涨陡落的现象，但由于该点与三川口站距离较近且三川口站控制流域面积比西庄站小得多，因此B 点与三川口站过程大体重合且涨落趋势也相近。由于暴雨来临时间短暂，所以曹坪站的计算沙峰形成较快，而其沙峰回落却持续了约6h。

6.6.1.5　模型计算结果分析

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图6-40　1967年岔巴沟曹坪站含沙量过程计算与实测对比

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图6-41　1967年7月17日各级别站时均含沙量过程

通过将坡面产沙模型和重力侵蚀模型整合在数字流域平台框架下，并应用于岔巴沟流域的产沙计算，对模型进行了初步检验，同时得到了一些对产沙规律的认识，分述如下。

(1)从1959年、1961年、1967年、1969年4个年份汛期 (7～9月)水文测站的实测泥沙过程和计算过程的对比看，不含重力侵蚀的产沙模拟基本上反映了各站的泥沙过程随降雨事件的变化趋势，并且多数情况下其数量与重力侵蚀相比占主要地位。

(2)不考虑重力侵蚀时，各站点计算产沙量总体上都小于实测值。在考虑重力侵蚀后，各站的年输沙总量都有所增加，并且随着测站离流域出口的距离越来越近，其输沙总量较未记入重力侵蚀情况增加的越多(如图6-42～图6-43)。这从一个方面反映了重力侵蚀产生的“沙源”对其所在区域以及流域出口产沙量贡献的对比关系，即在各子区域内其重力侵蚀对本区域影响有限，但当影响累计到流域出口时，则输沙总量将有大幅提高。通过点绘各区单位面积的重力侵蚀量与该区的沟壑密度的关系 (如图6-44)，还可得到单位面积重力侵蚀量与沟壑密度成正相关关系，但是由于原始沟壑密度数据不多，只能由少量数据得到大致趋势。

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图6-42　1961年各站实测及计算年输沙量对比

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图6-43　1967年各站实测及计算年输沙量对比

(3)将1961年、1967年各站点的年重力侵蚀产沙量 (记入重力侵蚀时的计算出的产沙量-未记入时的计算产沙量)与该站点的总产沙量的比值列于表6-2。

表6-2　重力侵蚀量在总侵蚀量中的比重

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从表6-2中可以看出，两年中各站的重力侵蚀量在总侵蚀量中所占比重基本在20%～35%之间，也有个别站点的重力侵蚀量占到50%左右，例如田家沟站，而从原始资料分析可以看到，田家沟的沟道密度仅次于麻地沟位居第二，为1.22km/km2，其重力侵蚀比重如此之高，反映了地形对重力侵蚀的重要影响。

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图6-44　子区域沟道密度与单位面积重力侵蚀量相关关系

由于日均含沙过程不能反映含沙量过程的细节变化，因此，在计算结果数据库中统计出特征站点产沙量较高的日期全天内小时平均的含沙量过程。由处于三个不同级别观察点的含沙量小时平均过程可以看出，当时间尺度缩小到小时级别时，从级别较低的毛沟、支沟到级别较高的干沟，呈现出如下规律:

(1)各观察点的含沙峰值支毛沟先出现，干沟后出现，且支毛沟达到峰值的时间短而干沟相对较长。出现这种情况的主要原因可能是:支毛沟中的沙峰过程主要受其附近坡面过程的控制，而坡面的产流产沙过程对降雨的响应迅速，且临近坡面的降雨输入过程在时间上基本一致，因此其叠加作用基本是同时段各坡面过程的线性叠加，从而导致了支毛沟的峰值较早出现且快速达到峰值。干沟的过程则要受到其上游控制面积范围内各支沟过程的交错叠加的控制，而与站点所处区域内的降雨产沙响应关系并不明显，同时水沙从毛支沟运移至干沟也需要一定时间，因此，干沟峰值需要一个过程才能达到。

(2)沙峰峰值的衰减过程则相反，支毛沟的衰减很快，而越接近流域出口，其峰值衰减越慢。分析其原因可能为:由于支毛沟受坡面过程控制，坡面在降雨衰减后由于径流作用减弱而使侵蚀过程很快停止，即使有重力侵蚀发生，也可能因当时当地的水流条件所限，不能把重力侵蚀堆积在坡脚的泥沙立即带走，所以支毛沟的沙峰衰减过程很快完成。而级别较高的沟道测站则不然，一方面，各级子沟道汇入的时间不同，后到的沙峰对维持含沙量具有一定作用;另一方面，当上游坡面发生重力侵蚀时，子沟道不断地把坍塌下来的侵蚀量带到下一级沟道，并在更高一级的沟道叠加，因此这部分沙源效应的叠加也最终可能导致干沟的含沙过程持续较长时间。

岔巴沟流域产沙计算方法简析

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