肖千璐，李小平，王方圓，陳真

（黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院，河南鄭州 450003）

0 引言

黃河中游流經(jīng)黃土高原，是黃河流域最嚴(yán)重的水土流失與生態(tài)脆弱區(qū)，也是黃河泥沙、粗沙集中來(lái)源區(qū)，來(lái)沙量占全河的90%以上［1］。經(jīng)過(guò)60 多年的水土流失治理，中游地區(qū)下墊面發(fā)生深刻變化，對(duì)暴雨洪水產(chǎn)沙過(guò)程產(chǎn)生了較大影響，入黃沙量顯著減少［2，3］。降雨是影響黃土高原地區(qū)河流產(chǎn)輸沙的主要因素之一，降雨輸沙特征的變化直接關(guān)系到水沙變化驅(qū)動(dòng)因素分析，也是評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)流域徑流泥沙未來(lái)演變趨勢(shì)的重要依據(jù)［4，5］。研究黃河中游流域降雨輸沙變化特征和可能來(lái)沙量對(duì)水土保持規(guī)劃、水沙資源配置及流域生態(tài)環(huán)境建設(shè)都具有重要意義。

諸多學(xué)者針對(duì)20世紀(jì)50至60年代以來(lái)黃河中游降雨輸沙變化開(kāi)展了研究，發(fā)現(xiàn)黃土高原區(qū)域平均降雨量整體呈下降趨勢(shì)［6-8］，侵蝕產(chǎn)沙的降雨量變化趨勢(shì)與年降雨量一致且變幅更大［9］。也有學(xué)者分析了不同支流降雨汛期雨量、大雨量等的變化特征，認(rèn)為特征降雨指標(biāo)未表現(xiàn)出顯著增大或減小趨勢(shì)［10］。在降雨變化對(duì)流域產(chǎn)輸沙影響方面，研究表明不同時(shí)期降雨量變化對(duì)徑流泥沙減少的作用權(quán)重有所差異，支流降雨產(chǎn)沙能力發(fā)生明顯變化［11］，自2000 年以來(lái)，支流降雨輸沙能力減小較為突出［12］，單位降雨力的產(chǎn)沙量有所降低［13］。也有學(xué)者認(rèn)為部分支流現(xiàn)狀階段降雨洪水泥沙關(guān)系的函數(shù)形式未發(fā)生明顯變化，降雨量明顯減少的同時(shí)，支流輸沙量也同時(shí)減少［14］。已有研究較多地分析了降雨總量對(duì)于侵蝕產(chǎn)沙的影響，大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，黃土高原地區(qū)的泥沙往往決定于汛期的幾場(chǎng)強(qiáng)降雨過(guò)程［3］，較小量級(jí)的降雨并不產(chǎn)沙產(chǎn)流，針對(duì)有效降雨量的產(chǎn)沙作用變化關(guān)注較少。尤其是2010 年以來(lái)，河龍區(qū)間及涇河、渭河上游大部分區(qū)域降雨量偏豐，部分支流汛期出現(xiàn)連續(xù)暴雨洪水，強(qiáng)降雨及極端降雨條件下徑流輸沙變化引起較多關(guān)注。有學(xué)者分析了大雨量、最大1 日降雨量及最大5 日降雨量等對(duì)河流輸沙量的影響［15］，發(fā)現(xiàn)大雨量對(duì)河潼區(qū)間輸沙量貢獻(xiàn)較大，而未分析支流具體變化及降雨輸沙關(guān)系；針對(duì)佳蘆河不同降雨條件下徑流和泥沙關(guān)系的研究表明［16］，與基準(zhǔn)期相比，治理后流域降雨量大于50 mm、降雨強(qiáng)度大于4 mm/h 或歷時(shí)大于3 h 的降雨的對(duì)產(chǎn)沙起主要作用，而強(qiáng)降雨的影響程度及其變化特征尚未明晰。當(dāng)前研究多聚焦于特征雨量或不同強(qiáng)降雨事件降雨和水沙變化特征對(duì)比分析［17-19］，有必要對(duì)分級(jí)降雨量尤其是較大雨量級(jí)降雨對(duì)輸沙的影響以及流域來(lái)沙量變化趨勢(shì)開(kāi)展進(jìn)一步深入研究。論文選取佳蘆河、延河、湫水河和馬蓮河流域，基于長(zhǎng)系列水文數(shù)據(jù)對(duì)不同時(shí)期流域降雨輸沙關(guān)系變化特征進(jìn)行分析，依據(jù)設(shè)定的極端降雨情景，研究現(xiàn)狀下墊面條件下各流域可能來(lái)沙量，以期為評(píng)估未來(lái)入黃泥沙情勢(shì)和制定防治水土流失措施提供有益參考。

1 研究區(qū)概況

考慮到黃河中游近期主要降雨分布、地貌類(lèi)型、水土保持治理情況等因素，選取佳蘆河、延河、湫水河及馬蓮河四個(gè)流域作為典型流域開(kāi)展研究（圖1）。佳蘆河、延河、湫水河及馬蓮河流域面積分別為1 134、7 725、1 989 和19 086 km2，干流長(zhǎng)分別為93、287、122 和375 km，均位于黃河主要產(chǎn)沙區(qū)。其中，佳蘆河和延河分別位于河龍區(qū)間右岸的上段和下段，屬黃土丘陵溝壑區(qū)水土流失較為嚴(yán)重的流域；湫水河流域?yàn)樽蟀吨饕獊?lái)沙河流之一，流域侵蝕強(qiáng)度大，洪水含沙量高；馬蓮河是涇河最大支流，其上游位于黃土丘陵第五副區(qū)集中分布的易產(chǎn)沙地區(qū)，也是目前黃土高原植被覆蓋度較低的地區(qū)之一［20］。隨著黃河中游近幾十年的大規(guī)模水土保持治理措施的實(shí)施，流域下墊面發(fā)生了顯著變化。截止到2010 年，佳蘆河、延河和湫水河流域水土保持措施累計(jì)治理面積分別占水文站以上流域面積的58.3%、62.9%和50.3%［21］，有效降低了流域徑流量和泥沙量；馬蓮河由于封禁較晚，流域水土保持治理面積仍不足30%［22］。上述流域近期均發(fā)生了強(qiáng)降雨事件（佳蘆河20120727，延河20130712，湫水河20160823，馬蓮河20130708）。各流域基本特征見(jiàn)表1。

圖1 研究區(qū)典型支流地理位置Fig.1 Location of the study watersheds

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文采用的流域降雨和泥沙數(shù)據(jù)均來(lái)自黃河水利委員會(huì)刊印的黃河水文年鑒，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格檢驗(yàn)核對(duì)，滿(mǎn)足水文數(shù)據(jù)質(zhì)量控制要求。降雨量數(shù)據(jù)選用佳蘆河流域6 個(gè)雨量站、延河流域13個(gè)雨量站、湫水河流域8個(gè)雨量站和馬蓮河流域65個(gè)雨量站多年逐日降雨量實(shí)測(cè)值，依據(jù)篩選的降雨參數(shù)逐年統(tǒng)計(jì)得到各雨量站參數(shù)值，并根據(jù)雨量站控制面積進(jìn)行加權(quán)平均作為流域面平均降雨量。輸沙量數(shù)據(jù)選用各流域控制站對(duì)應(yīng)年份水文要素實(shí)測(cè)值。各流域數(shù)據(jù)系列年份見(jiàn)表1。

表1 研究流域基本特征Tab.1 Essential characteristics of the study watersheds

2.2 研究方法

采用雙累積曲線(xiàn)法檢驗(yàn)流域水沙量一致性及其變化，確定河流輸沙量突變點(diǎn)，并結(jié)合各流域水土保持治理措施的實(shí)施程度，劃分各流域水沙變化階段。采用水文分析法建立流域基準(zhǔn)年和現(xiàn)狀時(shí)期輸沙量和降雨參數(shù)關(guān)系，研究不同量級(jí)降雨量的產(chǎn)沙能力及其變化趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)分析現(xiàn)狀時(shí)期在極端降雨條件下的可能來(lái)沙量。鑒于黃土高原可引起侵蝕的日降雨量對(duì)產(chǎn)沙的敏感性，本文重點(diǎn)關(guān)注各雨量站日降雨大于等于25、50和100 mm的年降雨總量，分別采用P25、P50和P100表示。參照劉曉燕等［3］的研究成果，采用P25作為侵蝕產(chǎn)沙的有效降雨量。同時(shí)，參照國(guó)標(biāo)降雨量等級(jí)［23］，將各雨量站日降雨量按照10 mm ≤P<25 mm、25 mm ≤P<50 mm、50 mm ≤P<100 mm、和P≥100 mm 進(jìn)行分級(jí)，分別采用P10-25、P25-50、P50-100和P100表示各分級(jí)雨量年累計(jì)值。本文分別采用P25和4 個(gè)分級(jí)雨量作為降雨參數(shù)，建立各流域年輸沙量與降雨量關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 有效降雨量和輸沙量變化特征

4 個(gè)流域年輸沙量隨時(shí)間變化總體表現(xiàn)出減少趨勢(shì)，且具有階段性變化特征。各流域控制站實(shí)測(cè)輸沙量與年有效降雨量雙累積曲線(xiàn)如圖2所示?？梢钥闯觯烟J河在1972年和2002年存在突變點(diǎn)，在2012年輸沙量急劇增加，點(diǎn)據(jù)明顯跳躍，這是由于2012年“7·27”特大暴雨導(dǎo)致部分淤地壩損毀所致；延河和湫水河曲線(xiàn)斜率分別在1996年、2006年和1979年、2001年發(fā)生變化。上述3 個(gè)流域隨著年份推移不同時(shí)期的斜率逐漸減小，說(shuō)明整個(gè)時(shí)間段輸沙量逐漸減少，延河減少幅度最大，本世紀(jì)以來(lái)時(shí)段年均輸沙量較20 世紀(jì)60-70 年代時(shí)段減少92.2%，佳蘆河和湫水河分別減少91.5%和87.4%。馬蓮河上游位于黃土高塬區(qū)，水沙變化特點(diǎn)與黃土丘陵溝壑區(qū)流域有所不同。2003年前其曲線(xiàn)斜率變化不大，年輸沙量呈波動(dòng)變化，2003 年以來(lái)斜率有所減小，輸沙量呈減小趨勢(shì)，2003 年之后平均輸沙量較之前時(shí)段減少49.6%。采用Pettitt 檢驗(yàn)法對(duì)馬蓮河流域雨落坪站輸沙量進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明未發(fā)生突變年份。

圖2 有效降雨量-年輸沙量雙累積曲線(xiàn)Fig.2 Double mass curve analysis of annual effective rainfall and annual sediment discharge

年有效降雨量的時(shí)段劃分與輸沙量保持一致。河龍區(qū)間佳蘆河、湫水河和延河流域年有效降雨量的變化先減少后增加，最近時(shí)段年有效降雨量與多年平均值相比均有所偏大，偏大幅度右岸的湫水河大于左岸的佳蘆河和延河，佳蘆河大于延河，依次為35.8%、26.3%和16.1%。馬蓮河多年平均有效降雨量小于河龍區(qū)間3 個(gè)流域，隨著年份推移不同時(shí)段年有效降雨量逐漸增加，2003-2018 年均有效降雨量為前兩階段的1.20～1.35倍，較多年均值偏大17.2%。

3.2 降雨輸沙關(guān)系分析

3.2.1 有效降雨量與輸沙量關(guān)系變化

降雨作為引起土壤侵蝕的動(dòng)力條件，其雨量大小及強(qiáng)度與產(chǎn)輸沙量密切相關(guān)。為研究各流域降雨-輸沙關(guān)系變化規(guī)律，基于上節(jié)分析，將佳蘆河、延河和湫水河20 世紀(jì)70 年代之前的階段作為基準(zhǔn)期，本世紀(jì)初以來(lái)的階段作為治理措施顯效后的現(xiàn)狀時(shí)期開(kāi)展研究?？紤]到1994 年馬蓮河流域世行貸款項(xiàng)目開(kāi)始實(shí)施，此后取得了明顯的水土保持效益，可將1966-1993年作為基準(zhǔn)期，世行一期項(xiàng)目結(jié)束后的2003年至今作為現(xiàn)狀期進(jìn)行分析。由于各流域治理程度及資料系列的差異，具體代表時(shí)段有所不同。

點(diǎn)繪各流域基準(zhǔn)期和現(xiàn)狀下墊面的有效降雨量和輸沙量關(guān)系，對(duì)各時(shí)期有效降雨量和輸沙量擬合如圖3 所示。為反映降雨對(duì)流域控制站沙量的影響，擬合時(shí)剔除了輸沙量小于10-3億t的年份?？梢钥闯?，4個(gè)流域現(xiàn)狀時(shí)期和基準(zhǔn)期點(diǎn)群整體均呈兩個(gè)趨勢(shì)帶，一定降雨條件下現(xiàn)狀時(shí)期輸沙量小于基準(zhǔn)期，兩時(shí)期均存在輸沙量隨有效降雨量增加而增加的趨勢(shì)，且現(xiàn)狀期輸沙量增幅明顯減小。其中，佳蘆河、延河和湫水河流域不同時(shí)期趨勢(shì)帶較明顯，有效降雨-輸沙關(guān)系發(fā)生顯著變化。佳蘆河和湫水河均與20 世紀(jì)70 年代初開(kāi)始大規(guī)模的流域綜合治理，70 年代末水土保持措施發(fā)揮明顯效益，在此之前的基準(zhǔn)期下墊面條件較穩(wěn)定，流域輸沙量與有效降雨量呈正相關(guān)，R2分別為0.688 和0.630；現(xiàn)狀時(shí)期佳蘆河和湫水河一定降雨條件下近期輸沙量大幅減少，由于該時(shí)期內(nèi)兩個(gè)流域水土保持面積仍持續(xù)增加，徑流泥沙攔蓄作用顯著，輸沙量與有效降雨量點(diǎn)據(jù)相對(duì)分散。延河于1966-1979年實(shí)施了以農(nóng)田和壩庫(kù)工程為主的治理，對(duì)泥沙進(jìn)行了有效攔截，輸沙量與有效降雨量相關(guān)關(guān)系較差。2006年以后延河退耕還林面積基本穩(wěn)定［22］，平均植被蓋度為63%，土壤侵蝕減少，攔沙作用相應(yīng)削弱，2006-2018 年延河輸沙量與有效降雨量呈正相關(guān)，R2為0.822，特別是有效降雨量小于100 mm的情況下輸沙量差異更大。

圖3 年輸沙量與有效降雨量關(guān)系Fig.3 Lannual effective rainfall and sediment discharge relation

馬蓮河現(xiàn)狀期點(diǎn)群整體位于基準(zhǔn)期下方，兩時(shí)期輸沙量隨有效降雨量增加而增加，相同降雨條件下近期輸沙量有所減少，減沙程度小于河龍區(qū)間3 個(gè)流域，減沙特征也有所不同，相同下墊面和降雨情況下的產(chǎn)沙強(qiáng)度更高。受到氣候條件和立地條件的影響，馬蓮河多年有效降雨量偏小，輸沙量顯著偏大，由于馬蓮河流域植被蓋度相對(duì)較低，且流域泥沙來(lái)源更為復(fù)雜，河溝或河岸侵蝕崩塌或滑坡造成的河道侵蝕可能占流域泥沙的30%以上［20］，在現(xiàn)狀期隨著梯田建設(shè)和林草植被建成改善，與受雨水直接沖刷的坡面侵蝕逐步減小，而河（溝）道產(chǎn)沙占流域沙量的比例將更高，有效降雨量與輸沙量的相關(guān)程度下降。

上述分析表明，除個(gè)別年份來(lái)沙較少（如佳蘆河2009-2011年）或暴雨造成部分水保工程水毀引起沙量增大等情況，現(xiàn)狀條件下輸沙量與有效降雨量呈正相關(guān)?？紤]到輸沙量與有效降雨量擬合關(guān)系為殘差之和最小的平均情況，為盡可能考慮現(xiàn)狀時(shí)期在復(fù)雜不利條件下如淤地壩損毀等的未來(lái)可能來(lái)沙量，選取現(xiàn)狀時(shí)期年有效降雨量和輸沙量關(guān)系圖中上邊緣點(diǎn)據(jù)，點(diǎn)繪各流域上包絡(luò)線(xiàn)并進(jìn)行擬合，擬合關(guān)系式見(jiàn)表2。

表2 現(xiàn)狀條件下降雨-輸沙上包絡(luò)線(xiàn)Tab.2 Upper envelope model of the annual effective rainfall and sediment discharge relation during current period

3.2.2 分級(jí)降雨量與輸沙量關(guān)系變化

不同量級(jí)降雨量對(duì)徑流輸沙的影響有所不同，對(duì)基準(zhǔn)期和現(xiàn)狀期分級(jí)降雨量對(duì)輸沙的影響及其變化規(guī)律進(jìn)行分析。為反映分級(jí)降雨量的差異，建立年輸沙量與降雨參數(shù)P10-25、P25-50、P50-100和P100的關(guān)系式如下：

式中：Ws為控制站年輸沙量，億t；Ki（i=1～4）為分級(jí)降雨量輸沙影響系數(shù)。

利用偏最小二乘法對(duì)實(shí)測(cè)輸沙量和分級(jí)雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到各分級(jí)雨量的輸沙影響系數(shù)（表3）?？梢钥闯觯煌瑫r(shí)期分級(jí)降雨量與輸沙量均表現(xiàn)出一定相關(guān)性，基準(zhǔn)期R2為0.661～0.793，現(xiàn)狀期R2為0.706～0.764。與河龍區(qū)間3 個(gè)流域有所不同，馬蓮河現(xiàn)狀時(shí)期輸沙量與降雨參數(shù)相關(guān)性較基準(zhǔn)期有所降低，這與上文分析的在現(xiàn)狀下墊面有所恢復(fù)的條件下，河（溝）道產(chǎn)沙對(duì)流域沙量影響可能有所增大有關(guān)。隨著降雨量級(jí)的增大，基準(zhǔn)期和現(xiàn)狀期對(duì)應(yīng)輸沙影響系數(shù)均呈增大趨勢(shì)，說(shuō)明雨量級(jí)較大的降雨對(duì)輸沙的貢獻(xiàn)較大。與基準(zhǔn)期相比，現(xiàn)狀期不同雨量級(jí)降雨對(duì)應(yīng)輸沙影響系數(shù)均有所下降。其中，佳蘆河和湫水河流域現(xiàn)狀期P10-25對(duì)輸沙影響極小，而強(qiáng)降雨和高強(qiáng)降雨仍是輸沙的主要?jiǎng)恿?，這與連秋晗、董貞凱等人［16，24］的分析結(jié)果相一致。馬蓮河分級(jí)降雨量對(duì)應(yīng)輸沙影響系數(shù)大于河龍區(qū)間3個(gè)流域，輸沙影響系數(shù)減小幅度最小，反映出馬蓮河易產(chǎn)沙區(qū)強(qiáng)侵蝕特征和多重產(chǎn)沙機(jī)制。根據(jù)變量權(quán)重系數(shù)結(jié)果，基準(zhǔn)期P50-100和P100的變量權(quán)重系數(shù)分別為0.98～1.31 和1.06～1.49，現(xiàn)狀期P50-100和P100的變量權(quán)重系數(shù)分別為1.14～1.43 和1.16～1.94，進(jìn)一步說(shuō)明現(xiàn)狀期強(qiáng)降雨輸沙對(duì)總輸沙量的貢獻(xiàn)有所增大，而各流域現(xiàn)狀期P10-25的變量權(quán)重系數(shù)均小于1，P10-25對(duì)總輸沙量的貢獻(xiàn)顯著下降甚至基本消失。根據(jù)不同時(shí)期輸沙影響系數(shù)對(duì)流域分級(jí)降雨輸沙量比重進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算分析，得出佳蘆河、湫水河和延河P50-100和P100降雨輸沙占總輸沙量的比重由基準(zhǔn)期的38%～46%增大至現(xiàn)狀期68%以上，馬蓮河由基準(zhǔn)期的31%增大至現(xiàn)狀期56%，強(qiáng)降雨、高強(qiáng)降雨輸沙在總輸沙中的比重顯著增加?？梢钥闯?，黃土高原水土保持措施的實(shí)施引起下墊面特征變化，降雨導(dǎo)致的侵蝕產(chǎn)沙作用降低、入黃泥沙大幅減少的同時(shí)，強(qiáng)降雨、高強(qiáng)降雨的降雨侵蝕風(fēng)險(xiǎn)仍不容忽視。

表3 不同時(shí)期分級(jí)降雨量與輸沙量關(guān)系輸沙影響系數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Sediment transport impact factors fitted by the graded rainfalland sediment discharge relation during various periods

3.3 極端降雨條件下可能來(lái)沙量分析

3.3.1 極端降雨條件設(shè)定

采用水文頻率分析法和歷史實(shí)測(cè)極端降雨組合法對(duì)極端降雨條件進(jìn)行分析。采用按P-Ⅲ型曲線(xiàn)進(jìn)行頻率分析，計(jì)算得到各流域百年一遇有效降雨量和分級(jí)降雨量?？紤]到各級(jí)降雨量之和不能大于總降雨量，優(yōu)先確定對(duì)輸沙影響較大的50 mm 以上降雨量，再依據(jù)多年實(shí)測(cè)50 mm 以下分級(jí)雨量占總降雨量比例均值確定考慮降雨量出現(xiàn)頻率的極端降雨條件。歷史實(shí)測(cè)極端降雨組合法參考劉曉燕等［4］的方法，選取研究系列年內(nèi)四個(gè)流域年降雨量及分級(jí)降雨量最大年份進(jìn)行組合，得到基于實(shí)測(cè)降雨量的極端降雨條件，如表4 所示。實(shí)測(cè)強(qiáng)降雨組合中，河龍區(qū)間3個(gè)流域除佳蘆河日降雨量10 mm≤P<25 mm 和50 mm≤P<100 mm 的年累計(jì)降雨量分別對(duì)應(yīng)1964 年和1995 年以外，其余降雨參數(shù)均為2010年以來(lái)年份。馬蓮河由實(shí)測(cè)強(qiáng)降雨組合的極端降雨條件降雨參數(shù)對(duì)應(yīng)年份為2003 年和2013年。

表4 極端降雨條件降雨參數(shù)設(shè)定Tab.4 Parameters of the extreme rainfall conditions

3.3.2 極端降雨條件下可能來(lái)沙量

采用設(shè)定的極端降雨參數(shù)，利用上述現(xiàn)狀時(shí)期有效降雨量和分級(jí)降雨量與輸沙量關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，得到現(xiàn)狀下墊面在極端降雨條件下的可能來(lái)沙量，結(jié)果見(jiàn)表5。可以看出，采用不同計(jì)算方法得到現(xiàn)狀下墊面在極端降雨條件下，佳蘆河、湫水河和延河可能來(lái)沙量分別為0.12～0.27 億、0.13～0.25 億、0.17～0.30億t，馬蓮河未來(lái)來(lái)沙量可達(dá)1.5 億t 以上，最大可達(dá)2.09 億t。若將設(shè)定的極端降雨參數(shù)代入各流域基準(zhǔn)期對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到佳蘆河、湫水河、延河和馬蓮河的可能來(lái)沙量最大值分別為1.88億、1.50 億、2.60 億和4.19 億t。其中，河龍區(qū)間3個(gè)支流減沙比為83%～91%，延河減沙比最大；馬蓮河減沙比為48%?？梢钥闯觯c基準(zhǔn)期相比，現(xiàn)狀時(shí)期河龍區(qū)間的3個(gè)流域下墊面已明顯改善，極端降雨條件下輸沙量明顯減少。近年來(lái)，延河流域水土保持累計(jì)治理面積比已近70%，佳蘆河和湫水河水土保持累計(jì)治理面積比約為62%和56%，水土保持實(shí)施面積越大，減沙效果越顯著。馬蓮河由于地形地貌影響及治理措施有限，現(xiàn)狀時(shí)期輸沙強(qiáng)度與河龍區(qū)間流域相比仍較大，在對(duì)輸沙強(qiáng)度影響較大雨量級(jí)P50低于其他3 個(gè)流域P50平均值46%的情況下，最大可能來(lái)沙量為其他3個(gè)流域最大可能來(lái)沙量的7～9倍。

表5 現(xiàn)狀時(shí)期極端降雨條件下可能來(lái)沙量Tab.5 Possible incoming sediment discharge of current underlying surface

4 討論

2010以來(lái)，黃河中游地區(qū)暴雨較多年均值偏多，雨量偏大，是1966 年以來(lái)雨量最豐的時(shí)段，河龍區(qū)間及涇河、渭河部分流域都發(fā)生了極端降雨事件，這也為研究極端降雨條件下的入黃沙量提供了樣本數(shù)據(jù)。根據(jù)劉曉燕等人的研究成果［5］，采用中游主要產(chǎn)沙區(qū)各支流現(xiàn)狀下墊面和高強(qiáng)度降雨情況下的產(chǎn)沙指數(shù)及1956 年以來(lái)實(shí)測(cè)最大年有效降雨量、易侵蝕區(qū)面積，可計(jì)算得到各流域發(fā)生1956 年以來(lái)實(shí)測(cè)最大面平均雨量的年沙量。本文選取的四個(gè)典型流域佳蘆河、湫水河、延河和馬蓮河慶陽(yáng)以上現(xiàn)狀下墊面產(chǎn)沙指數(shù)分別為44.55、9.04、7.34 和47.78 t/（km2·mm），由此得到現(xiàn)狀下墊面在上述極端降雨條件下的年輸沙量分別為0.17 億、0.11 億、0.25 億和1.72 億t。表5 中，佳蘆河、延河和馬蓮河可能來(lái)沙量平均值與上述成果基本一致，湫水河計(jì)算結(jié)果較上述成果偏大，這可能與2016年湫水河發(fā)生強(qiáng)降雨過(guò)程，流域輸沙量偏大導(dǎo)致擬合曲線(xiàn)計(jì)算值偏大有關(guān)。

黃河中游水沙變化是降雨和人類(lèi)活動(dòng)共同影響的結(jié)果。水土保持措施等人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河龍區(qū)間大部分流域在調(diào)水減沙方面發(fā)揮了重要作用，而馬蓮河等丘五區(qū)流域水土保持工程措施較少，植被覆蓋度不高，減沙幅度與河龍區(qū)間相比仍處于較低水平，對(duì)該區(qū)水土流失研究和治理力度需進(jìn)一步加大。本文采用的極端降雨條件是以近60 年實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)根據(jù)頻率分布和實(shí)測(cè)極端降雨為基礎(chǔ)設(shè)定，近期在西北地區(qū)降水趨勢(shì)明顯增長(zhǎng)、極端降水事件多發(fā)的氣候背景下，基于多種極端降雨情景和更廣泛流域的黃河中游可能來(lái)沙量變化還需深入研究。

5 結(jié)論

論文選取黃河中游佳蘆河、延河、湫水河和馬蓮河流域，基于長(zhǎng)系列水文數(shù)據(jù)對(duì)不同時(shí)期有效降雨量輸沙變化和分級(jí)降雨量對(duì)輸沙量的影響特征進(jìn)行分析，設(shè)定極端降雨情景并計(jì)算了現(xiàn)狀下墊面條件下各流域可能來(lái)沙量，主要結(jié)論如下。

（1）近60 年來(lái)，4 個(gè)流域年有效降雨量呈階段性變化特征，河龍區(qū)間佳蘆河、湫水河和延河流域表現(xiàn)為先減少后增加，馬蓮河呈逐階段增加趨勢(shì)，近期有效降雨量較多年均值均有所偏大。與基準(zhǔn)期相比，現(xiàn)狀期河龍區(qū)間3 個(gè)流域有效降雨量與輸沙量關(guān)系發(fā)生明顯變化，產(chǎn)沙能力顯著降低；馬蓮河一定降雨條件下輸沙量有所減小，降雨侵蝕強(qiáng)度仍較高。

（2）建立了輸沙量與分級(jí)降雨量關(guān)系式，可以反映不同時(shí)期不同量級(jí)降雨對(duì)輸沙量的影響特征?，F(xiàn)狀期各雨量級(jí)降雨對(duì)產(chǎn)輸沙的影響較基準(zhǔn)期均大幅下降，P50以上降雨仍是輸沙的主要?jiǎng)恿ΑｑR蓮河分級(jí)降雨量對(duì)應(yīng)輸沙影響系數(shù)減小幅度最小，反映出馬蓮河易產(chǎn)沙區(qū)強(qiáng)侵蝕特征。佳蘆河、湫水河和延河P50-100和P100降雨輸沙占總輸沙量的比重由基準(zhǔn)期的38%～46%增大至現(xiàn)狀期68%以上，馬蓮河由基準(zhǔn)期的31%增大至現(xiàn)狀期56%，強(qiáng)降雨、高強(qiáng)降雨輸沙在總輸沙中的比重顯著增加，P10-25對(duì)總輸沙量的貢獻(xiàn)顯著下降甚至基本消失。

（3）基于水文頻率分析和歷史實(shí)測(cè)極端降雨組合設(shè)計(jì)極端降雨，采用有效降雨和分級(jí)降雨與輸沙量擬合關(guān)系，計(jì)算得到現(xiàn)狀下墊面下佳蘆河、湫水河和延河和馬蓮河未來(lái)最大可能來(lái)沙量分別為0.27 億、0.25 億、0.30 億t，與基準(zhǔn)期相比減沙比為83%～91%；黃土高塬區(qū)馬蓮河由于溝道崩塌或滑坡產(chǎn)沙占比增高及治理措施有限，極端降雨條件下現(xiàn)狀期可能來(lái)沙量仍達(dá)1.5億t以上。