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黄土高原多沙粗沙区流域泥沙过程的模拟优化

【摘要】:多沙粗沙区的提出和界定对于后续的侵蚀产沙模拟是一项基础工作。土壤这种构成及性质为多沙粗沙区严重的土壤侵蚀提供了物质基础。

6.6.2.1 黄土高原多沙粗沙区概况

黄土高原区是黄河流域泥沙的主要来源区,而位于黄河中游河口镇至龙门区间的多沙粗沙区则是黄土高原区侵蚀产沙最为严重的区域。因此,要有效治理黄河中下游的泥沙问题,多沙粗沙区是最重要的“靶点”。而对于该区侵蚀产沙规律的模拟,则是进行有效的水保工程治理的前提。

多沙粗沙区的提出和界定对于后续的侵蚀产沙模拟是一项基础工作。早在20世纪70年代中期,钱宁先生就根据黄河下游河床淤积物的粒径组成,创造性地提出黄河中游存在多沙粗沙区,其大致范围在河龙区间和泾河、北洛河上游地区。之后,在黄河水利委员会及相关部门的组织下,一批学者对多沙粗沙区的界定进行了深入研究并取得了一批成果(景可等,1997;徐建华等,1998,2000;李雪梅等,1999)。根据这些成果,多沙区即多年平均输沙模数大于5000t/km2的地区,其面积约11.05万km2;粗沙区即多年平均粗泥沙输沙模数大于1300t/km2(d≥0.05mm)或多年平均粗泥沙输沙模数大于2800t/km2(d≥0.025mm)的地区,其面积约为6.80万km2或7.90万km2;多沙粗沙区则是多沙区分布面积与粗沙区分布面积重叠地区。根据黄河水利委员会“黄河中游多沙粗沙区区域界定及产沙输沙规律研究”的成果,多沙粗沙区主要集中分布在黄河流域的河口镇至龙门区间及泾河、北洛河上游地区的黄土丘陵沟壑区,总面积7.86万km2

多沙粗沙区的自然气候特征在黄土高原区极具代表性。该区年降水量在350~550mm,自东南向西北逐渐递减,年内分配极不均匀,6~9月的降雨量占全年的60%~70%。汛期50%~60%的降雨属于暴雨类型,历时短、强度大。据统计,该区最大1日降雨量占全年降雨量的12%左右,最大30日降雨量占35%左右。此外,降雨的年际变化也较大,如年最大1日降雨量在年际的最大最小值之比,佳芦河达到6.74。因此无论从短时段还是长历时来看,该区降雨都是构成土壤侵蚀及流失的主要动力。

地质及土壤构成方面,本区主要为黄土和红土所覆盖,土层厚50~100m,最厚达到200m 以上。黄土粉粒含量高,富含碳酸盐,遇水易溶,抗蚀性差。据土壤颗粒机械组成分析,粒径大于0.05mm 的粗沙分布具有地带性特征 (陈彰岑等,1998),由东南向西北粗沙含量逐渐增加:南部的清涧河、昕水河黄土中大于0.05mm 的粗颗粒含量分别为25.3%和22.0%,而北部的黄甫川、窟野河则分别为38.1%和36%。土壤这种构成及性质为多沙粗沙区严重的土壤侵蚀提供了物质基础。

6.6.2.2 模拟计算的准备工作

1.河网的分级分区

多沙粗沙区区内水系十分发达,流域面积大于1000km2并且直接汇入黄河的支流就有21条,如图6-45所示。

要对如此庞大且错综复杂的水系进行产沙模拟计算,必须对其进行科学合理的河系编码。采用数字流域的河网编码方法对多沙粗沙区进行河网编码,将整个多沙粗沙区划分为4个流域级别,37个分区,84618个河段。

2.降雨数据、对比测站的确定

本次产沙计算拟对多沙粗沙区1967年、1977年过程进行模拟。降雨数据的来源与岔巴沟流域相同,来自于黄河水利委员会公开刊布的《黄河流域径流实验站水文实验资料》上相应年份的雨量测站点数据,然后利用数字流域平台的有关功能插值到最小的产沙单元上。

对比测站主要选择了上述分区中第二级,即多沙粗沙区内黄河主要的一级支流上设立的水文测站。主要测站及其在本次分区计算中对应的河段位置参数见表6-3所示。

表6-3 拟用主要对比测站及其位置编码

续表

图6-45 黄河中游多沙粗沙区主要支流分布图

6.6.2.3 模型参数选择

(1)多沙粗沙区粒径分布。黄土高原区的粒径具有典型的地域分布性。泥沙中值粒径在多沙粗沙区的分布状况大致遵循从西北向东南方向逐渐变细的规律,采用张仁等(1995)的研究成果。

(2)模型中的参数k的选择 (见表6-4)。坡面产沙模型中的参数k 是与土壤特性,特别是抗冲性质有关的参数。通过在岔巴沟流域的调试以及在多沙粗沙区的模拟计算,发现以蒋定生等(1997)的“黄土高原水土流失严重地区土壤抗冲性(表层土壤)分区系统及主要参数”中的土壤抗冲性为依据对k值进行相应取值,模拟结果较好。

表6-4 参数k的选择

6.6.2.4 多沙粗沙区1967年模拟结果

1967年是多沙粗沙区汛期实测产沙最多的一年。据龙门水文站实际测算,该年最大年沙量为24.24亿t,最大年水量为552.1亿m3。对该年产沙进行模拟,可以对比在水沙关系较强时的模拟可靠性

图6-46 1967年皇甫川皇甫站含沙量过程计算与实测对比

(1)各主要支流测站的含沙量过程模拟结果。由图6 46~图6 51所示的1967年多沙粗沙区各主要支流测站的日均含沙量过程可以看出,计算得到的含沙量过程能够反映实际过程的趋势及数量。对于模拟突然出现的含沙量特高的过程还有一定欠缺,但后续过程中计算值略大于实测值,从一个方面反映了重力侵蚀在前期暴雨之后由于土壤含水量增高而在产沙总量中比重有所增加的情况。

图6-47 1967年孤山川高石崖站含沙量过程计算与实测对比

图6-48 1967年窟野河温家川站含沙量过程计算与实测对比

(2)各主要支流测站年输沙量汇总。本节统计了1967年多沙粗沙区内直接汇入黄河的主要支流的计算年输沙量。与相应站点的实测年输沙量对比见表6-5。计算输沙量与实测输沙量还差别较大,主要有两方面原因:基本参数与实际情况不一致产生的计算误差;未考虑水保工程的拦沙影响。

图6-49 1967年秃尾河高家川站含沙量过程计算与实测对比

图6-50 1967年三川河后大成站含沙量过程计算与实测对比

表6-5 1967年黄土高原多沙粗沙区主要支流年输沙量

6.6.2.5 多沙粗沙区1977年模拟结果

图6-51 1967年佳芦河申家湾站含沙量过程计算与实测对比

1977年虽然属于中等水量年份 (年降雨量513mm),但是其局部地区出现了罕见的特大暴雨,特别是孤山川、延水、无定河区域,而该区域一直以来又是侵蚀产沙最为严重的区域,因此两方面因素的叠加使得该年不仅输沙量大,而且输沙强度高,造成了众多淤地坝等水土保持工程的严重毁损。

(1)各主要支流测站的含沙量过程模拟结果。

(2)各主要支流测站年输沙量汇总。本节统计了1977年多沙粗沙区内直接汇入黄河的主要支流的计算年输沙量。与相应站点的实测年输沙量对比见表6-6。

表6-6 1977年黄土高原多沙粗沙区主要支流年输沙量

(3)龙门站的水沙过程模拟结果。多沙粗沙区(不含马莲河与北洛河)的出口站龙门的水沙过程模拟结果如图6-58和图6-59所示。其中头道拐入流过程采用的是实测数据。这些结果基本反映了汛期多沙粗沙区对黄河中下游的水沙输入情况。

多沙粗沙区1977年产沙模拟结果如图6-52~图6-57所示。结果分析见6.6.2.6节。

6.6.2.6 计算结果分析

通过在数字流域平台上运用产沙模型对多沙粗沙区1967年、1977年两个典型水沙年份进行实际模拟运算,并对计算结果进行分析,可以得到如下认识。

图6-52 1977年皇甫川皇甫站含沙量过程计算与实测对比

图6-53 1977年孤山川高石崖站含沙量过程计算与实测对比

图6-54 1977年窟野河温家川站含沙量过程计算与实测对比

图6-55 1977年秃尾河高家川站含沙量过程计算与实测对比

图6-56 1977年三川河后大成站含沙量过程计算与实测对比

从年输沙量来看,如表6-4和表6-5中列出的多沙粗沙区黄河主要支流年输沙量结果所示,从北部的皇甫川到南部的清涧河之间的8条河流,计算得到的输沙总量与实测值相比,数量级别是一致的,但是存在一些支流模拟结果偏大较多的情况,其中原因可能来自三个方面:首先是重力侵蚀模型中对黄土性质 (岩性)的概化还未根据更小区域的特征进行细化,这主要受到地质基础资料缺乏的限制,在随后的研究中可以通过搜集更多相关资料加以改善;其次,产流模型所用的降雨资料是通过黄河水利委员会刊布的资料中的降雨 “详细摘要表”和 “日均降雨数据”在流域面上进行插值得到的,通过分析这些原始降雨数据,发现由于资料形成时间较为久远,数据在时间上的疏密程度以及在空间上的分布很不均匀,特别是对于多沙粗沙区这样面积较大的区域而言更是如此,由此得到的产流和产沙所需降雨数据不能完全真实反映当时的情况,因此可能造成以此为基础的模型结果产生一定误差;此外,汛期降雨产流产沙时,多沙粗沙区沟道中多为高含沙水流,这种水流对泥沙的输运方式与普通水流差异较大。因此,可能对沟道冲淤过程考虑不够,这将在高含沙水流输沙模型中进行研究改进。

图6-57 1977年佳芦河申家湾站含沙量过程计算与实测对比

图6-58 1977年7~8月龙门站流量过程计算与实测对比

从产沙过程来看,计算日均含沙量过程与实测过程基本趋势是一致的,能够反映多沙粗沙区产沙频繁,沙量变化幅度较大的特点。由图中可以看出,各支流出口的日均含沙量过程在7月初到8月底之间基本都在200kg/m3以上,最大日均含沙量达到1100kg/m3,最大时均含沙量达到1350kg/m3。通过模型计算出的含沙量过程在汛期结束时普遍大于实测值,其沙量主要来自于重力侵蚀导致的产沙部分,原因是在汛期后期,经过历次暴雨洪水过程,中层土的含水量已经达到较高数值,因此由基质吸力引起的附加粘聚力已丧失很多,从而导致重力侵蚀发生几率增大。

图6-59 1977年7~8月龙门站输沙率过程计算与实测对比