論河道水沙變化特征分析的方法

林文博（河南省濟(jì)源水文水資源勘測(cè)局，河南濟(jì)源 454650）

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論河道水沙變化特征分析的方法

林文博
（河南省濟(jì)源水文水資源勘測(cè)局，河南濟(jì)源 454650）

【摘要】我國(guó)北方水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)情況日益突出，其治理的主要難題在于徑流和泥沙關(guān)系的處理。近50年來，由于氣候變化及工程類的開發(fā)，許多河流水沙關(guān)系加劇惡化，因此，從深層次上揭示水沙關(guān)系的機(jī)理、特點(diǎn)和工程對(duì)水沙的影響是水沙研究的首要任務(wù)。對(duì)于水沙的時(shí)空演變特征的研究，對(duì)河流的治理開發(fā)意義重大。

【關(guān)鍵詞】河流泥沙 水文方法 Mann-Kendall檢驗(yàn)法 小波分析

1 我國(guó)河流泥沙現(xiàn)狀

我國(guó)是水土流失最嚴(yán)重的國(guó)家之一，水土流失面積占我國(guó)總面積的38%以上，大量的水土流失不僅造成土壤退化嚴(yán)重，而且也使得河流泥沙含量變大，全球多年平均輸沙量大于100×106t的河流有25條，中國(guó)就有9條。這些泥沙在中下游江河湖泊的淤積與近年來頻發(fā)的大范圍洪澇有直接關(guān)系。

近年來.我國(guó)各流域洪水災(zāi)害普遍出現(xiàn)“小流量高水位”的現(xiàn)象，同流量下水位不斷抬升，并呈逐年加重趨勢(shì)。小水大災(zāi)、災(zāi)害頻率加劇，損失重大。事實(shí)說明，除人類活動(dòng)影響及防洪意識(shí)、防洪工程建設(shè)和防洪管理等方面依然欠缺外，泥沙問題是加劇洪水災(zāi)害的直接原因。河流具有輸沙能力，水流、泥沙交織在一起，相互關(guān)聯(lián)，相互依存，突出表現(xiàn)為大區(qū)域內(nèi)泥沙輸移規(guī)律改變引起不適當(dāng)位置的累積性沖淤。人們通常只認(rèn)識(shí)到洪水災(zāi)害的嚴(yán)重性，卻常常忽視泥沙對(duì)洪水等自然災(zāi)害的影響，其實(shí)，泥沙輸移是造成河道行洪能力惡化的主要因素。河流是一個(gè)動(dòng)態(tài)的反饋系統(tǒng)，河床和水流以泥沙為中介互相作用，河流局部水沙條件變化時(shí)，容易導(dǎo)致泥沙輸移狀態(tài)的改變，從而引起河流內(nèi)更大范圍水沙狀態(tài)的調(diào)整，甚至促成和加劇洪水災(zāi)害。而且，泥沙具有累積效應(yīng)，由于近年來植被破壞、氣候變化等影響，流域生態(tài)環(huán)境惡化，水土流失嚴(yán)重，使得泥沙輸移狀態(tài)更容易誘發(fā)并加劇洪災(zāi)。從目前來看，河道、水庫(kù)泥沙已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的難題之一，是我們面臨的一大科學(xué)難題，因此，要更近一步的揭示水沙關(guān)系的特征以及求相應(yīng)的解決方法是泥沙研究的第一步。對(duì)水沙的時(shí)空演變特征的研究，對(duì)有效應(yīng)對(duì)區(qū)域、流域水沙帶來的災(zāi)害問題有著重要的意義。

2 水文學(xué)研究水流沙的方法

水沙關(guān)系具有豐富的內(nèi)涵和外延，涉及到水文學(xué)、水力學(xué)、地理地貌學(xué)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)學(xué)等多學(xué)科的交叉問題。由于我國(guó)水土流失比較嚴(yán)重，近年來因泥沙輸移變化引起江河水沙災(zāi)害加劇的現(xiàn)象也越發(fā)嚴(yán)重，開展水沙相關(guān)規(guī)律研究，無論在理論上還是在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境、防洪減災(zāi)及河道科學(xué)利用都具有十分重要的意義。

20世紀(jì)后期以來，由于氣候變化、大型水利工程修建、城市工農(nóng)業(yè)生活用水的增加及水土保持措施等因素影響，對(duì)水資源利用迅速增加使得許多河道來水來沙變化過程更加復(fù)雜。研究河段水沙變化特征及原因，對(duì)于揭示該河段水沙變異和河床演變機(jī)理十分必要。

首先，使用Mann-Kendall檢驗(yàn)法分析各站點(diǎn)水沙變化趨勢(shì)及突變點(diǎn)，Mann-Kendall檢驗(yàn)法是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，該檢驗(yàn)方法不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用于水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，計(jì)算簡(jiǎn)便，可分析徑流、輸沙量等要素的趨勢(shì)變化；利用線性回歸法進(jìn)行趨勢(shì)分析，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

然后，對(duì)于變化周期的研究中，水文學(xué)研究的對(duì)象一般是與時(shí)間序列緊密相關(guān)的實(shí)際觀測(cè)資料，如降雨、徑流、蒸發(fā)等。水文資料本身具有復(fù)雜性和不確定性等特點(diǎn)，同時(shí)水文又是一種自然現(xiàn)象，所能觀測(cè)搜集到的資料相對(duì)較少，信息量十分有限。常規(guī)方法很難對(duì)其發(fā)展變化規(guī)律進(jìn)行細(xì)致入微的分析。小波分析的出現(xiàn)，以其多分辨率的特性，擴(kuò)展了學(xué)術(shù)研究的范圍，不僅可以大體上把握數(shù)據(jù)系列的變化趨勢(shì)，而且能夠?qū)ζ浼?xì)節(jié)進(jìn)行深入分析，充分挖掘其蘊(yùn)含的信息與規(guī)律。2005年，王文圣、黃偉軍、丁晶提出水文時(shí)間序列分維數(shù)的估計(jì)方法，該方法以連續(xù)小波變換的理論基礎(chǔ)，研究結(jié)果表明該方法是可行的。

總之，小波分析的出現(xiàn)及其與各種現(xiàn)代理論和方法的結(jié)合，從多方面揭示水文系統(tǒng)的變化規(guī)律，從而為水資源的合理配置、水庫(kù)的運(yùn)行調(diào)度、水文分析計(jì)算、水文循環(huán)規(guī)律等提供了更多的指導(dǎo)和依據(jù)。

3 兩種方法取得的成果

河流水沙關(guān)系的變化是反映流域的生態(tài)環(huán)境特征、水土流失的程度及人類活動(dòng)變化的指標(biāo)，河流水沙變化對(duì)流域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展都具有十分重要的影響。通過Mann-Kendall檢驗(yàn)法可以針對(duì)某一條河流分析出輸沙率較大的地段，然后進(jìn)行調(diào)整使水沙關(guān)系相協(xié)調(diào)以及輸沙量的突變時(shí)間節(jié)點(diǎn)，小波分析方法的應(yīng)用可以判斷出河流是否有多時(shí)間尺度特，輸沙量的長(zhǎng)周期比徑流量周期相比較，判斷出水、沙周期的規(guī)律和關(guān)系，從而科學(xué)的處理徑流和泥沙的關(guān)系。

總之，河道泥沙也需要從經(jīng)濟(jì)學(xué)和管理學(xué)方面研究，綜合性的對(duì)河道進(jìn)行科學(xué)有效分析，對(duì)水沙的時(shí)空演變特征的研究，對(duì)河道的治理開發(fā)意義重大。使河道實(shí)現(xiàn)可持續(xù)管理，使河道防洪、排澇、灌溉、供水等功能正常發(fā)揮，由此產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)環(huán)境效益和社會(huì)效益將是不可估量的，人們的生產(chǎn)條件和居住環(huán)境得到有效改善，實(shí)現(xiàn)“水清，河暢，岸綠，景美”的美好愿望。

參考文獻(xiàn)：

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