洮河水沙關(guān)系變化分析

張 濤，凡炳文，陳 文

(1.甘肅省臨洮水文水資源勘測(cè)局，甘肅 臨洮 730500;2.甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000)

近年來(lái)，受各種因素的綜合影響，全球河流的水沙關(guān)系發(fā)生了一定變化。英國(guó) Des Walling教授［1－2］分析了全球142條河流的下游站的年徑流量和輸沙量，發(fā)現(xiàn)有不到1/4的河流年徑流量具有下降趨勢(shì)，卻有近半數(shù)的河流年輸沙量下降;劉成等［3］對(duì)我國(guó)主要入海河流水沙變化進(jìn)行了分析，得出我國(guó)大多數(shù)河流的沙量明顯下降。不少學(xué)者從不同角度對(duì)黃河及其主要支流水沙變化問題進(jìn)行了廣泛研究，侯素珍等［4－5］以黃河上游頭道拐斷面為主要研究對(duì)象，分析了黃河上游來(lái)水來(lái)沙特點(diǎn)和水沙變化及成因，發(fā)現(xiàn)水沙量在逐年減少的同時(shí)，水沙相關(guān)關(guān)系具有一定的變化;黃河水沙變化研究基金項(xiàng)目［6］研究認(rèn)為，水庫(kù)調(diào)節(jié)是水沙變化的主要影響因素。洮河作為黃河上游的一條主要支流，水資源豐富，對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高起到了重要的支撐作用。近年來(lái)，隨著一大批水利水電工程的建設(shè)和運(yùn)行，極大地改變了徑流和泥沙的時(shí)空分布特征，筆者［7］曾對(duì)洮河泥沙分布及變化進(jìn)行過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)水利水電工程建設(shè)使得原有的水沙演變規(guī)律發(fā)生了較大變化，采用洮河干流1956～2010年55a實(shí)測(cè)水文資料系列，對(duì)洮河不同區(qū)域水沙量關(guān)系的發(fā)展變化模式進(jìn)行探討。

1 研究區(qū)概述

洮河位于青藏高原東北部，源地海拔4 260 m，干流河道全長(zhǎng)673 km，流域總面積25 527 km2。洮河從青海省河南蒙古族自治縣賽爾龍鎮(zhèn)流出進(jìn)入甘肅省境內(nèi)，曲折東流過(guò)碌曲、臨潭、卓尼縣城南，至岷縣茶埠急轉(zhuǎn)向西北，出九甸峽與海奠峽后，穿臨洮盆地，于永靖縣劉家峽水庫(kù)壩上2 km處匯入黃河。

洮河流域地跨甘南高原和隴中黃土高原兩大地貌單元，二者大致以西秦嶺山脈分支延伸的白石山、太子山、南屏山一線為界，南部為甘南高原，北部屬隴中黃土高原。總體地貌特征表現(xiàn)為:流域內(nèi)海拔相差懸殊，地貌復(fù)雜多樣，山地、高原、河谷交錯(cuò)分布，地形以高原、山地為主，占總面積的98%以上。

洮河流域多年平均地表水資源量 48.38億 m3［8］，甘肅省境內(nèi)多年平均自產(chǎn)水資源量47.08億 m3，占甘肅省黃河流域自產(chǎn)水資源量的37.6%，占全省自產(chǎn)水資源量的17.0%;多年平均降水量555.8 mm;洮河把口紅旗水文站多年平均輸沙量2 592萬(wàn) t，占到了劉家峽水庫(kù)來(lái)沙量的30%以上。

2 資料與方法

2.1 資料

根據(jù)流域內(nèi)水文站點(diǎn)的分布，考慮資料的連續(xù)性和完整性，選用洮河干流站來(lái)研究洮河干流上游、中游和下游的水沙關(guān)系變化。分析所用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均來(lái)自歷年《水文年鑒》、近期水文資料整匯編成果等，資料精度高，代表性好。

2.2 研究方法

雙累積曲線法是檢驗(yàn)兩個(gè)參數(shù)間關(guān)系一致性及變化的常用方法，在水文氣象要素一致性及其長(zhǎng)期演變趨勢(shì)研究中，以簡(jiǎn)單、直觀、實(shí)用而被廣泛應(yīng)用［9］。其基本思想是兩個(gè)變量按同一時(shí)間長(zhǎng)度逐步累加，一個(gè)變量作為橫坐標(biāo)，另一個(gè)變量作為縱坐標(biāo)，雙累積曲線的拐點(diǎn)可作為分析變量階段性的依據(jù)［10］。故根據(jù)已監(jiān)測(cè)到的水沙樣本數(shù)據(jù)序列，采用雙累積曲線法分析水沙時(shí)間序列的變化規(guī)律，推斷形成序列的物理系統(tǒng)的性質(zhì)和隨時(shí)間的變化特征。

趨勢(shì)分析法是根據(jù)已知的歷史資料來(lái)擬合一條曲線，使這條曲線反映研究要素本身的變化趨勢(shì)的分析方法，也是最為流行和被廣泛應(yīng)用的定量分析預(yù)測(cè)方法。根據(jù)研究對(duì)象的變化趨勢(shì)有多種曲線模型，本文選用冪函數(shù)和多項(xiàng)式趨勢(shì)模型來(lái)近似地描述水沙變化趨勢(shì)，探討水沙關(guān)系發(fā)展變化模式，揭示水沙變化的規(guī)律。

3 結(jié)果與分析

3.1 上游區(qū)水沙關(guān)系變化分析

洮河干流上游設(shè)有碌曲和下巴溝水文站，碌曲站具有1981—2010年水沙監(jiān)測(cè)資料系列，下巴溝站1966年開始水文監(jiān)測(cè)，2007年因測(cè)驗(yàn)斷面上游1 800 m處安果兒水電站蓄水運(yùn)行，致使洮河下巴溝河段斷流，泥沙資料系列由此中斷，因此，利用1966—2006年水沙資料系列，分析下巴溝站水沙關(guān)系及其變化趨勢(shì)。

利用年徑流量和年輸沙量資料系列建立相關(guān)關(guān)系，其關(guān)系與乘冪線形擬合較好，相關(guān)關(guān)系式為:

式中:Ws為年輸沙量，萬(wàn)t;W為年徑流量，億m3。

從統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果來(lái)看，F(xiàn)統(tǒng)計(jì)量均大于 F0.05臨界值，說(shuō)明關(guān)系擬合優(yōu)度較高，整體效果顯著。就長(zhǎng)系列而言，洮河上游年水沙量存在正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)關(guān)系較好。

從不同階段年徑流量和年輸沙量關(guān)系及雙累積曲線(圖1、圖2)來(lái)看，圖中點(diǎn)子可以連成由三段直線組成的折線，但兩站的時(shí)間段略有不同。碌曲站各直線段分別代表1981～1990年、1991～2000年和2001～2010年的水沙情況，同水量下1991～2000年的沙量最小，總體表現(xiàn)為減沙和增沙的階段性變化。通過(guò)1981～1990年與2001～2010年時(shí)間段水沙關(guān)系的變化分析，年徑流在12億 m3時(shí)，沙量的增大量最大，為4.01萬(wàn) t;小于12億 m3時(shí)，沙量的增大量與水量成正相關(guān)關(guān)系;大于12億 m3時(shí)，沙量的增大量與水量成負(fù)相關(guān)關(guān)系。碌曲站水量與沙量增量的變化關(guān)系式為:

式中:△Ws為年輸沙變化量，萬(wàn)t;W為年徑流量，億m3。

圖1 洮河上游各站不同時(shí)段水沙量關(guān)系

圖2 洮河上游各站年水沙量雙累積曲線

下巴溝站雙累積曲線各直線段分別代表1966～1977年、1978～1985年和1986～2006年的水沙情況，可以看出，累積水沙關(guān)系曲線則呈現(xiàn)一定的波動(dòng)，同水量下沙量存在增大的變化趨勢(shì)。從其關(guān)系的變化來(lái)看，年輸沙增量與年水量成正相關(guān)關(guān)系，年水量越大，年輸沙增量越大，年水量與年沙量增量變化的關(guān)系式為:

經(jīng)分析計(jì)算，1986～2006年與1966～1977年水沙關(guān)系相比，年沙量平均增加了11.5萬(wàn) t，相對(duì)增大103%，增加幅度很大。

3.2 中游區(qū)水沙關(guān)系變化分析

岷縣站是洮河中游干流控制站，從1958～2010年系列年徑流量與年輸沙量的關(guān)系來(lái)看(圖略)，年水沙量存在正相關(guān)關(guān)系，擬合效果較好。從岷縣站年水沙量雙累積曲線看出(圖3)，圖中點(diǎn)子可以連成由四段直線組成的折線，不同時(shí)間段水沙量關(guān)系發(fā)生了變化，尤其2006年以后減小非常明顯。

圖3 岷縣站年水沙量雙累積曲線

從不同時(shí)間段水沙關(guān)系的變化看(圖略)，1958～1977年水沙量關(guān)系擬合較好;1978～1993年關(guān)系點(diǎn)據(jù)偏向前期關(guān)系線的左側(cè)，且分布散亂，反映出這期間同水量下沙量存在增大的態(tài)勢(shì)，但水沙關(guān)系不穩(wěn)定;1994～2005年處于枯水期，該時(shí)間段同水量下沙量明顯增大;2006～2010年關(guān)系點(diǎn)據(jù)基本靠近1958～1977年關(guān)系線，反映出近5年來(lái)沙量存在減小的變化態(tài)勢(shì)。1994～2005年平均沙量 150萬(wàn) t，減少到2006～2010年的68.3萬(wàn) t，減沙幅度達(dá)54.5%，而同期水量相對(duì)增加了11.1%?？梢钥闯?，2006年以來(lái)岷縣站年輸沙量減小非常顯著，岷縣站的減沙與下巴溝 ～岷縣區(qū)間修建水電站有關(guān)，例如俄吾多、鹿兒臺(tái)等水電工程的攔沙，加上水土保持的作用使得輸沙量銳減。不同階段水沙量變化見表1。

表1 岷縣站不同時(shí)間段水沙量變化

分析結(jié)果表明，岷縣站水沙關(guān)系波動(dòng)較大，總體表現(xiàn)為1978～1993年的增沙和2006年以后的減沙明顯，水利水電工程的攔沙效應(yīng)突出。

3.3 下游區(qū)水沙關(guān)系變化分析

3.3.1 李家村站水沙關(guān)系變化分析

李家村站是洮河下游中部干流控制站，從1956～2010年水沙量雙累積曲線看出(圖略)，圖中點(diǎn)子由四段直線組成，分別代表1956～1977年、1978～1995年、1996～2006年和2007～2010年四個(gè)時(shí)段的水沙情況，可以看出，李家村站累積水沙關(guān)系曲線呈現(xiàn)較大波動(dòng)，表現(xiàn)為1978～1995年的增沙和1995年以后的減沙，尤其2006年以后減沙非常明顯。李家村站不同時(shí)段水沙量變化見表2。

從李家村站不同時(shí)段水沙量關(guān)系變化來(lái)看，岷縣～李家村區(qū)間水電站的建設(shè)起到了關(guān)鍵性作用。上游15 km處三甲水電站1996年建成運(yùn)行，使得李家村站減沙明顯。1996～2006年與1978～1995年相比，水量相對(duì)增加了0.5%，而沙量相對(duì)減小了88.4%;其水沙量關(guān)系相比，年平均沙量相對(duì)減小了42.0%。

三甲水電站對(duì)李家村站年水沙量關(guān)系的影響關(guān)系式為:

上游30 km處九甸峽水利樞紐2007年建成運(yùn)行，使得李家村站年沙量進(jìn)一步減小，與1996～2006年水沙量關(guān)系相比，年平均沙量相對(duì)減小了86.4%。九甸峽水利樞紐對(duì)李家村站年水沙量關(guān)系的影響關(guān)系式為:

經(jīng)分析計(jì)算，2007～2010年水沙量關(guān)系與早期1956～1977年關(guān)系相比，年平均沙量相對(duì)減小83.7%。由此可見，1996年以來(lái)李家村站年輸沙量減小非常顯著，水利水電工程的攔沙使得水沙關(guān)系發(fā)生了很大變化。

表2 李家村站不同時(shí)間段水沙量變化

3.3.2 紅旗站水沙關(guān)系變化分析

紅旗站是洮河干流把口控制站，李家村 ～紅旗區(qū)間是洮河的主要產(chǎn)沙區(qū)，紅旗站年輸沙量除與水量大小外，與區(qū)間支流泥沙的加入量關(guān)系密切。因此，加入廣通河三甲集站和東峪溝臨洮站年輸沙量，依據(jù)1966～2010年各站同步期徑流泥沙資料系列，進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析。其關(guān)系式為:

式中:Ws、Ws三、Ws臨為分別代表紅旗、三甲集、臨洮站年輸沙量，萬(wàn)t;W為紅旗站年徑流量，億 m3。

從回歸模型的擬合檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，回歸的可決系數(shù)為0.906，擬合優(yōu)度較高;F統(tǒng)計(jì)量為 131.823＜F0.05(3，43)=8.59，模型的整體是顯著的;常數(shù)項(xiàng)還是各解釋變量，其 t統(tǒng)計(jì)量對(duì)應(yīng)的p值都小于顯著性水平0.05。表明各變量與紅旗沙量之間的回歸效果好。

從紅旗站年水沙量雙累積曲線看出(圖4)，與李家村站的變化基本一致，表現(xiàn)為1996年以后減沙明顯，尤其2006年以后減沙非常顯著。

圖4 紅旗站年水沙量雙累積曲線

從紅旗站不同時(shí)間段年水沙量關(guān)系來(lái)看，1996年以后點(diǎn)據(jù)偏向1956～1995年關(guān)系線的右側(cè)，尤其2006年以后偏離更大，反映出1996年以后同水量下沙量存在減小的態(tài)勢(shì)。1996～2006年的年平均沙量1 170萬(wàn) t，減少到 2007～2010年的556萬(wàn) t，減沙幅度達(dá) 52.5%，而 2007～2010年的年平均水量相對(duì)增大了5.0%。由此可見，2007年以來(lái)紅旗站減沙趨勢(shì)非常明顯，同時(shí)，紅旗站的減沙幅度大于李家村站。

紅旗站1996～2006年與前期時(shí)段相比，年沙量減小變化量關(guān)系式為:

經(jīng)分析計(jì)算，1996～2006年與前期水沙關(guān)系相比，年平均減小133萬(wàn) t，相對(duì)減小10.2%，小于李家村站相對(duì)減小42.0%的幅度，可見三甲電站的修建對(duì)紅旗站年沙量的影響要比李家村站小得多，也反映出紅旗站泥沙主要來(lái)自李家村以下的產(chǎn)沙特征。

紅旗站2007～2010年與1996～2006年時(shí)段相比，年沙量減小變化量關(guān)系式為:

經(jīng)分析計(jì)算，2007～2010年與前期水沙關(guān)系相比，年平均減小454萬(wàn) t，相對(duì)減小40.5%，可見九甸峽水利樞紐的修建對(duì)紅旗站年沙量產(chǎn)生了較大影響，水沙關(guān)系發(fā)生了變化。

4 結(jié)論與建議

(1)通過(guò)對(duì)洮河干流各站水沙相關(guān)性分析，得出洮河總體水沙相關(guān)關(guān)系較好，各控制斷面輸水輸沙普遍存在正相關(guān)關(guān)系，洮河上游水沙相關(guān)性好于中、下游。洮河干流各站多年來(lái)水沙關(guān)系呈現(xiàn)階段性波動(dòng);近年來(lái)，隨著人類活動(dòng)影響的加劇，特別是水利水電工程的建設(shè)，洮河輸沙量明顯減小。

(2)洮河上游站水沙關(guān)系存在沙量明顯增大的變化。碌曲站年徑流在12億 m3時(shí)，年輸沙增量最大，為4.01萬(wàn) t;小于12億 m3時(shí)，年輸沙增量與水量成正相關(guān)關(guān)系;大于12億 m3時(shí)，年輸沙增量與水量成負(fù)相關(guān)關(guān)系。下巴溝站年水量越大，年輸沙增量越大。下巴溝站年輸沙增量大于上游碌曲站。

(3)洮河中游的岷縣站水沙關(guān)系波動(dòng)較大，總體表現(xiàn)為1978～1993年的增沙和2006年以后的減沙明顯。俄吾多、鹿兒臺(tái)等水電工程的攔沙，加上水土保持的作用，使得2006以后輸沙量銳減。

(4)洮河中下游的水沙關(guān)系變化很大，水利水電工程的攔沙作用突出，總體表現(xiàn)為減沙極為明顯。三甲水電站使得1996年以后的水沙關(guān)系相對(duì)前期李家村站相對(duì)偏小42.0%，紅旗站相對(duì)偏小10.2%;九甸峽水利樞紐使得2007年以后水沙關(guān)系相對(duì)1996～2006年李家村站相對(duì)偏小86.4%，紅旗站相對(duì)偏小40.5%。

(5)流域產(chǎn)沙量的變化是下墊面因素與氣象因素綜合作用的結(jié)果，相互影響相互制約，尤其洮河中下游的半干旱地區(qū)，產(chǎn)沙量與暴雨強(qiáng)度和次數(shù)有很大關(guān)系，今后應(yīng)積極開展這方面的分析研究。

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