柴河流域水沙特征分析

吉相臣，周新川，白天竺

(遼寧省水文水資源勘測局鐵嶺分局，遼寧鐵嶺 112000)

流域水沙變化一直是河流地貌、水利工程等領(lǐng)域倍受關(guān)注的問題，同時也是氣候和土地利用變化環(huán)境效應(yīng)研究的重要內(nèi)容。本文依據(jù)柴河流域的代表站柴河水文站1975～2009年的降水、徑流和輸沙率資料，分析了柴河流域的水沙變化的基本特征，并探討了柴河流域的水沙變化趨勢。

柴河發(fā)源于清原縣英額門鄉(xiāng)轉(zhuǎn)向湖老虎頂子西南側(cè)，在開原市上肥地鄉(xiāng)東升村東南進入鐵嶺市。流經(jīng)上肥地、下肥地、靠山屯、柴河堡等山區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，于鐵嶺縣大甸子鎮(zhèn)太平寨進入柴河水庫，進而在銀州區(qū)雙安橋北雙岔河匯入遼河。

該流域?qū)俦睖貛Ъ撅L(fēng)型大陸性氣候。冬季寒冷期長達5個月，最冷月份在1月，平均氣溫在－14.5℃左右，極度低溫為－35℃;夏季炎熱，一般可持續(xù)3個月，最熱月份在7月，平均氣溫在23℃ －24℃左右，極度高溫為36.5℃。

柴河水文站是柴河流域的唯一控制站，實測多年平均降水量為732.3 mm，平均含沙量 549g/m3，平均輸沙率7.29 kg/s。

1 柴河流域現(xiàn)狀分析

降雨量、徑流量、輸沙量逐月過程線是流域內(nèi)水文氣象因素、下墊面因素和人類活動因素統(tǒng)合作用的反映，表示了降雨量、徑流量、輸沙量年內(nèi)變化的規(guī)律。而年際據(jù)變化變異系數(shù)則能反映出不同年份間的波動大小，由此分析得出研究區(qū)域降雨、徑流、輸沙量的變化特征。

1.1 降雨量年內(nèi)分配和年際變化

柴河流域受副熱帶高壓、季風(fēng)和氣旋等多種氣候因素影響，降水量年內(nèi)分配不均，降水總量偏多且比較集中。

柴河站汛期6～9月集中了全年72.1%的降水量，其余8個月相對來說降雨偏少，呈單峰型，峰值出現(xiàn)在7月(見表1和圖1)。降雨量年際變化變異系數(shù)為0.21，實測最大降雨量為最小降雨量的2.26倍，降雨年際分配不均。

1.2 徑流量年內(nèi)分配和年際變化

柴河站徑流主要由降水補給，降雨是徑流的最主要來源。相應(yīng)的，徑流量也集中在6～9月，占全年平均徑流量的76.9%，呈單峰型，峰值也出現(xiàn)在7月(見表1和圖1)，與降水逐月過程線形成良好的對應(yīng)關(guān)系。

徑流量年際變化變異系數(shù)為0.70，實測最大徑流量為最小徑流量的16.8倍，徑流量年際分配也不均。逐年降雨量和徑流量也表現(xiàn)出較好的相關(guān)性，降雨量和徑流量的相關(guān)系數(shù)為 0.847，可 以 用 線 性 回 歸 方 程 y = 0.008 8 x－ 4.205 9 表示。

1.3 徑流量年內(nèi)分配和年際變化

輸沙量在徑流量相對集中的6～9月這4個月中所占比例高達98.6，輸沙量在年內(nèi)時程上的變化差異較大。輸沙量在主汛期峰值相對徑流量要延后，出現(xiàn)在7、8月，而且尤其集中，占到年總輸沙量的95.7%(見表1和圖1)。究其原因，由于柴河屬山區(qū)性河流，坡陡流急，洪水過程短且暴漲暴落，導(dǎo)致大量泥沙進入河道;同時由于洪水期流量及流速的加大，增強了河流的挾沙能力，挾沙能力大于含沙量從而發(fā)生侵蝕，將平水期淤積在河道的泥沙重新挾沙徑流，增加了徑流的輸沙量。反觀非汛期徑流量較小，挾沙能力嚴(yán)重不足，導(dǎo)致輸沙量過小。

輸沙量的年際變化變異系數(shù)為2.78，實測最大輸沙量為最小輸沙量和10 150倍，年際變化較降雨量和徑流量要大的多，而且輸沙量與徑流量的相關(guān)系數(shù)只有0.687，輸沙量與降雨量的相關(guān)系數(shù)僅有0.509，相關(guān)性不顯著，也說明輸沙量受到多種因素影響的較大程度的影響。

表1 柴河站降水量、徑流量和輸沙量統(tǒng)計表

圖1 降水、徑流、輸沙量逐月過程線

2 降雨量、徑流量、輸沙量變化趨勢

本文采用了趨勢線和Kendall秩次相關(guān)法對降雨量、徑流量和輸沙量呈現(xiàn)的變化趨勢進行了分析判斷。

根據(jù)實測資料，得到柴河水文站降水量、徑流量和輸沙量的逐年變化趨勢曲線及一次直線的趨勢方程(見圖2)。從該圖中可以看出，降水量、徑流量總體上呈現(xiàn)出下降趨勢，輸沙量則出現(xiàn)了上升趨勢。

圖2 降水、徑流、輸沙量逐年變化趨勢

利用Kendall秩次相關(guān)法分析判斷具體的趨勢性。Kendall秩次相關(guān)法是判斷時間序列趨勢性的常用方法，在諸多領(lǐng)域均得到比較廣泛的應(yīng)用。其方法如下:

對時間序列x1，x2，…，xn(n為樣本數(shù))，所有對偶觀測值(xi，xj，j＞ i)中 xi＜ xj出現(xiàn)的個數(shù)為 P。順序(i，j)的子集是(i=1，j=2，3，…，n)、(i=2，j=3，4，…，n)，…，(i=n－1，j=n)，則有

式中:τ為Kendall秩統(tǒng)計量;M為 Kendall秩次相關(guān)系數(shù);P 為系列中所有對偶觀測值(xi，xj，i＜j)中，xi＜ xj出現(xiàn)的次數(shù);n為系列長度。當(dāng)n增加時，統(tǒng)計量Kendall秩次相關(guān)系數(shù)U很快收斂于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。

給定顯著水平 α，其檢驗臨界值為U1－α/2。當(dāng)|U|＜Uα/2，序列趨勢不顯著;當(dāng) |U|＞ Uα/2，序列趨勢顯著;且U＞0，序列呈上升趨勢，U＜0，序列呈下降趨勢。

運用Kendall秩次相關(guān)法進行計算，結(jié)果見表2，得出降雨序列UP=－0.04，沒有通過檢驗，即降雨量有下降趨勢但趨勢并不顯著;徑流量UQ=－0.38，沒有通過檢驗，即徑流量有下降趨勢但趨勢并不顯著;輸沙量US=0.78，沒有通過檢驗，即輸沙量有上升趨勢但趨勢并不顯著。

表2 Kendall秩次相關(guān)法分析結(jié)果

3 結(jié)語

(1)柴河流域降雨和徑流主要集中在6～9月，均呈單峰型，峰值出現(xiàn)在7月，降雨和徑流形成良好的對應(yīng)關(guān)系。輸沙量較降雨量和徑流量年內(nèi)分配波動性更大，7、8兩月占到年總輸沙量的95%以上。

(2)柴河流域降雨量和徑流量均有下降趨勢但趨勢并不顯著，輸沙量有上升趨勢但趨勢并不顯著。在降雨量和徑流量沒有明顯變化的情況下，由于生態(tài)環(huán)境受到一定的破壞，致使水土流失加劇，輸沙量卻呈現(xiàn)上升趨勢，考慮到本流域山高坡陡，雨季集中且多發(fā)暴雨等因素，需要加大對該流域水土流失治理的力度。