沂河流域水沙變化趨勢(shì)及成因分析

賈 運(yùn) 崗

(山東省臨沂市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院, 山東 臨沂 276000)

沂河流域水沙變化趨勢(shì)及成因分析

賈 運(yùn) 崗

(山東省臨沂市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院, 山東 臨沂 276000)

為了揭示變化環(huán)境下沂河流域徑流量和輸沙量減少的原因，選取反映該流域水沙變化趨勢(shì)的代表水文站——臨沂站，利用50余年來的實(shí)測(cè)年徑流量及年輸沙量資料，采用滑動(dòng)平均法、Mann-Kendall非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗(yàn)法，對(duì)該流域水沙變化趨勢(shì)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：在一定顯著性水平下，沂河流域徑流量與輸沙量在多年變化中均呈明顯下降趨勢(shì)。最后，針對(duì)影響水沙變化的降水與人類活動(dòng)因素，應(yīng)用不同時(shí)段的雨—水—沙關(guān)系，定量計(jì)算了不同時(shí)段的水沙衰減量以及由于雨水衰減影響和水土保持影響的減沙量所占比重。針對(duì)臨沂的實(shí)際情況，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)水土保持工作，實(shí)施流域綜合治理。

水沙年際變化; 趨勢(shì)檢驗(yàn); 成因分析; 沂河流域

沂河是淮河流域沂沭泗水系中較大的河流。近年來，由于氣候變化和人類活動(dòng)的影響，沂河流域徑流量和輸沙量呈減少趨勢(shì)，為了揭示變化環(huán)境下沂河流域徑流量和輸沙量減少的原因，不少學(xué)者從水沙和徑流等方面開展了研究。史紅玲等利用50余年來的實(shí)測(cè)年徑流量及年輸沙量資料，提出淮河支流及沂、沭、泗水系各站年徑流量減小趨勢(shì)明顯；淮河流域來沙量呈現(xiàn)顯著減少的趨勢(shì)[1]。陸建宇等通過43 a的天然月徑流資料提出沂河臨沂站天然年徑流量、汛期徑流量存在顯著的減少趨勢(shì)[2]。宋曉猛等以沂河臨沂站以上流域?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)1951—2002年的水文時(shí)間序列資料進(jìn)行分析，研究流域徑流演變特征及其驅(qū)動(dòng)力因子。結(jié)果表明，降雨量變化不明顯，多年平均徑流量變化很大，呈下降趨勢(shì)[3]。陸建宇等以沂沭河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，根據(jù)流域內(nèi)7個(gè)代表性雨量站進(jìn)行分析，得出結(jié)論：各站年、汛期、非汛期降水多呈不同程度的減少趨勢(shì)[4]。薛麗芳等以沂河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，運(yùn)用水文特征參數(shù)時(shí)間序列法，通過臨沂站50 a來天然徑流過程的回歸模擬及其與實(shí)測(cè)徑流的比較，定量分析氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響。結(jié)果表明：近50 a來沂河流域年徑流量和各月徑流量顯著減少[5]。鞏燦娟通過土地利用/覆被數(shù)據(jù)和近50 a氣候、水文資料運(yùn)用SWAT模型分析沂河流域地區(qū)的土地類型變化引起的水文效應(yīng)，得出人類活動(dòng)方面，流域徑流變化主要與水土保持、水利工程建設(shè)、工農(nóng)業(yè)及生活用水量變化、土地利用/覆被變化四個(gè)方面有關(guān)的結(jié)論[6]。這些研究雖對(duì)沂河水沙及沂河徑流做了一些研究，但是沒有對(duì)沂河流域水沙變化趨勢(shì)及成因分析進(jìn)行專門研究。本文對(duì)沂河流域降水量、徑流量和輸沙量進(jìn)行分析研究,初步估算水土保持(水利工程)措施對(duì)徑流量和輸沙量的影響，為進(jìn)一步提高沂河流域水土保持減沙的有效性和持續(xù)性提供決策依據(jù)。

1 沂河流域概況

沂河是臨沂市最大的山洪河道，屬于淮河水系，沂河發(fā)源于沂蒙山的魯山南麓，南流經(jīng)山東省的沂源、沂水、沂南、蘭山、河?xùn)|、羅莊、蘭陵、郯城8縣區(qū)，在郯城縣吳道口入江蘇省，至新沂苗圩入駱馬湖；1953年在江蘇省開挖新沂河后，沂、沭河洪水經(jīng)駱馬湖入新沂河，東流在燕尾港入黃海。沂河全長(zhǎng)333 km，控制流域面積11 820 km2。下游由于開辟新沂河、“分沂入沭”等河道整治工程，流域界限破壞，本文研究區(qū)為臨沂站以上相對(duì)完整的流域。沂河臨沂站以上河道長(zhǎng)223 km，集水面積10 315 km2，占全流域面積的87.3%。河流域?qū)贉貛Ъ撅L(fēng)區(qū)大陸性氣候，雨熱同期，四季變化明顯。沂河屬雨源性山洪河道，徑流在時(shí)間上的變化特點(diǎn)與降雨相似，年內(nèi)、年際變化大，枯季流量較小，洪水主要集中在主汛期，源短流急，一次洪水過程一般1～4 d。河床組成為中砂及細(xì)砂。沂河屬多泥沙推移質(zhì)造床為主的山洪河道，流域內(nèi)山嵐起伏，溝壑縱橫，支流河短，坡陡流急，加上流域內(nèi)植被較差，降雨匯流時(shí)間較短，河水暴漲暴落。

2 數(shù)據(jù)資料與研究方法

2.1 資料選取

臨沂水文站是沂河主要控制站，也是分析沂河河川徑流演變規(guī)律的重要源頭站點(diǎn)。沂河臨沂站的實(shí)測(cè)水沙系列資料較齊全，代表性強(qiáng)。因此，為反映沂河流域水沙總體變化，以臨沂水文站的水沙量代表沂河流域來水來沙量。統(tǒng)計(jì)了臨沂站1954—2007年的年徑流量和年輸沙量連續(xù)資料。其中1954—2001年的數(shù)據(jù)由臨沂市水文局提供，2002—2007年的數(shù)據(jù)摘自《中國(guó)河流泥沙公報(bào)》[7]。

2.2 水沙趨勢(shì)研究方法

對(duì)于統(tǒng)計(jì)分析法中的Mann-Kendall法、線性趨勢(shì)回歸檢驗(yàn)、Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)和累加濾波器法，Mann-Ken-dall等方法在水沙態(tài)勢(shì)變化分析過程中簡(jiǎn)單有效，使用較為普遍[8-10]。

Mann-Kendall(M-K)秩相關(guān)檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，常用來評(píng)估有關(guān)氣候要素的時(shí)間序列趨勢(shì)，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適用于類型變量和順序變量，以適用范圍廣、人為性少、定量化程度高而著稱?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，同時(shí)沂河流域臨沂站水沙資料系列較齊全，故選用Mann-Kendall(M-K)秩相關(guān)檢驗(yàn)法來分析流域水沙變化趨勢(shì)[11]。

方法為：對(duì)序列Xt=(x1,x2,…，xn),其趨勢(shì)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量為

(1)

式中:

(2)

(3)

(4)

式中：U(dl)=0；E(dl),Var(dl)分別是累計(jì)數(shù)dl的均值和方差。

當(dāng)n增加時(shí)，U(dl)很快收斂于標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)分布，在給定顯著性水平α下，在正態(tài)分布表中查得臨界值Uα/2，當(dāng)|U(d)|Uα/2，則拒絕原假設(shè)，即認(rèn)為趨勢(shì)顯著。當(dāng)統(tǒng)計(jì)量U(dl)為正值，說明序列有上升趨勢(shì)；U(d)為負(fù)值，則表示有下降趨勢(shì)。對(duì)于顯著水平α=0.05，U(d)的臨界檢驗(yàn)值為±1.96。

2.3 水沙變化影響因素分析方法

影響流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要因素包括降雨、流域下墊面條件以及人類活動(dòng)等3大方面，另外，沂河流域面積大，水沙量也大。就同一流域而言，由于地質(zhì)地貌條件相對(duì)穩(wěn)定，年際間流域面積也相對(duì)穩(wěn)定，故產(chǎn)水產(chǎn)沙量的多少主要取決于降水和人類活動(dòng)影響。流域降水是地表產(chǎn)沙的動(dòng)力條件，其時(shí)空(包括時(shí)間、落區(qū)、強(qiáng)度、歷時(shí)等)分布，對(duì)流域產(chǎn)水產(chǎn)沙有直接影響；而水土保持、雨水集蓄、土地利用等人類活動(dòng)改變了流域下墊面，使產(chǎn)流機(jī)制發(fā)生了變化[12]。因此，水土保持和降雨的變化是導(dǎo)致水沙量變化的根本和直接原因。為了消除降雨的影響,令

E=WS/P

(5)

令相鄰時(shí)段的平均值分別為WS1，WS2，P1，P2及E1，E2。對(duì)WS=E·P取全微分，并以差分形式表示為

(6)

同理，令D=W/P

則W=D·P。令相鄰時(shí)段的平均值各為W1，W2，P1，P2及D1，D2。對(duì)W=D·P取全微分,并以差分形式表示為

(7)

式中:D表示徑流率；W表示徑流量；P表示降雨量；E稱為侵蝕率(或產(chǎn)沙系數(shù))(t/mm)；ΔWs為輸沙量。

3 沂河流域水沙變化趨勢(shì)初步分析

3.1 滑動(dòng)平均法檢驗(yàn)

對(duì)于臨沂站的徑流量和輸沙量取5 a進(jìn)行滑動(dòng)平均，使序列高頻震蕩(水沙特別年份)對(duì)水沙變化趨勢(shì)分析的影響得以弱化，結(jié)果見圖1?？梢钥闯雠R沂站水沙變化過程基本對(duì)應(yīng)，二者均呈明顯的下降趨勢(shì)。

3.2 Mann-Kendall (M-K)趨勢(shì)分析檢驗(yàn)

采用Mann-Kendall(M-K)趨勢(shì)分析檢驗(yàn)方法對(duì)沂河臨沂站1954—2007年的徑流量資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，沂河年徑流量在20世紀(jì)50年代中期—60年代中期為豐水期時(shí)段，從70年代末開始，沂河河徑

流量呈明顯減小趨勢(shì)。根據(jù)Mann-Kendall檢驗(yàn)，Zs=-6.506，其絕對(duì)值大于Uα/2，表明流域徑流量呈顯著減小趨勢(shì)。20世紀(jì)90年代以來，平均流量只有16.01億m3/s，較多年平均流量減少32.4%。

圖1臨沂水文站年徑流和輸沙量

沂河流域地處多沙粗沙區(qū),輸沙量的多少很大程度上取決于降水量、降雨強(qiáng)度及其變化特性。根據(jù)Mann-Kendall檢驗(yàn)，Zs=-2.689,其絕對(duì)值大于Uα/2,表明輸沙量呈顯著減小趨勢(shì)。

因此，在一定顯著性水平下，沂河流域徑流量與輸沙量在多年變化中均呈明顯下降趨勢(shì)。

4 沂河流域水沙變化原因分析

應(yīng)用式(6)，(7) 對(duì)不同階段的各項(xiàng)變化量計(jì)算結(jié)果見表1和表2。由表1,2可知，流域1954—2007年水沙變化過程中，各時(shí)段的影響因素也有異同。表現(xiàn)為：

表1 沂河流域泥沙衰減分析

表2 沂河流域徑流衰減分析

(1) 1954—1962年至下1963—1978年：此時(shí)段內(nèi)輸沙量的降雨影響為75.5萬t、水土保持影響為355.8萬t，二者之和為431.3萬t，降雨影響和水土保持影響各占17.5%和82.5%。而對(duì)于此時(shí)段內(nèi)的徑流，降雨影響為26 032.4萬m3，水土保持影響為56 787.5萬m3，二者之和為82 819.8萬m3，降雨影響和水土保持影響分別占31.4%和68.6%。

可以看出，在70年代以前，由于沂河流域開發(fā)利用率低，受人類活動(dòng)影響較弱，故流域此時(shí)段內(nèi)水沙的變化受降雨影響和水土保持影響相差不是很大。

(2) 1963—1978—1979—1996年:對(duì)于輸沙量，此時(shí)段內(nèi)降雨影響明顯減弱，僅為3.5萬t，而水土保持影響則高達(dá)294.3萬t，二者所占比例分別為1.2%和98.8%。而對(duì)于同時(shí)期的徑流量，降雨影響也明顯減弱，僅為2 301.7萬m3，而水土保持影響則高達(dá)68 787.3萬m3，二者所占比例分別為3.3%和96.7%。

這充分說明在這一階段中，水土保持(包括水利工程)發(fā)揮了很大的減水?dāng)r沙作用。經(jīng)調(diào)查流域水利工程建設(shè)情況可知，臨沂站以上流域自1964年至今，共建有大中型水庫(kù)12座，其中大型水庫(kù)5座(跋山水庫(kù)、岸堤水庫(kù)、田莊水庫(kù)、許家崖水庫(kù)、唐村水庫(kù))、中型水庫(kù)22座(高湖水庫(kù)、黃仁水庫(kù)、黃土山水庫(kù)等)，以及一系列水土保持工程的實(shí)施，產(chǎn)生了明顯的效益，發(fā)揮了很大的作用。

(3) 1979—1996年，1996—2007年，此時(shí)段對(duì)于輸沙量，水土保持影響高達(dá)36.4萬t，降水影響為0.6萬t，二者所占比例分別為98.3%，1.7%，對(duì)于徑流量，水土保持影響高達(dá)24 376.1萬m3，降水影響為1 903.1萬m3，二者所占比例分別為92.2%和7.8%，相比上一階段水土保持對(duì)水沙影響程度有所下降。這一方面肯定了近年來的水土保持工作的成效，但同時(shí)也說明隨著時(shí)間的推移，原有水保措施已不能滿足新的要求，必須結(jié)合新的形勢(shì)，實(shí)施流域綜合治理。

5 結(jié) 論

(1) 沂河流域多年平均降水量863.9 mm；多年平均徑流量23.7億m3；多年平均輸沙量246.5萬t。沂河流域徑流量與輸沙量近50 a來均呈下降趨勢(shì)。

(2) 對(duì)臨沂水文系列應(yīng)用Mann-Kendall非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗(yàn)法表明，在一定顯著性水平下，臨沂流域徑流量與輸沙量在多年變化中均呈明顯下降趨勢(shì)。

(3) 針對(duì)影響流域水沙變化的降水和人類活動(dòng)兩大因素，應(yīng)用不同時(shí)段的雨—水—沙關(guān)系，定量計(jì)算了4個(gè)時(shí)段的水沙衰減量以及由于降水衰減影響和水土保持(水利工程)影響的減沙量所占比重，分析了不同時(shí)段水沙變化的原因，結(jié)果表明，近年來水土保持(水利工程)是水沙衰減的主要原因。針對(duì)臨沂的實(shí)際情況，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)水土保持工作，實(shí)施流域綜合治理。

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AnalysisofVariationTrendsandCauseofRunoffandSedimentinYiheRiverBasin

JIA Yungang

(LinyiInstituteofWaterConservancySurvey&Design,Linyi,Shandong276000,China)

In order to reveal the cause for reduction of runoff and sediment in the changing environment, bases on the observed data in the past 50 years at Linyi hydrologic sation that reflects the hydrological variation trends of runoff and sediment in the Yihe River Basin, through several non-parameter statistical methods such as the moving average check and the Mann-Kendall test, we analyzed the trends of runoff and sediment in the river basin. The results showed that the runoff evolvement and sediment transport at the Linyi Hydrologic station presented the significant decrease trend. In view of the major factors correlated with the runoff and sediment transport changes such as the rainfall, soil conservation, the sediment descending proportions caused by the reduction of rainfall and soil conservation were valuated based on the relationships between rainfall, water and sediment. According to the actual situation of Linyi City, the work of soil conservation and implement comprehensive management in the river basin should be continued to strengthen.

inter-annual variability of runoff and sediment; trends test; cause analysis; Yihe River Basin

2016-02-22

：2016-03-30

賈運(yùn)崗(1979—),男,山西孝義人,高級(jí)工程師,碩士,主要從事水工、水保等方面設(shè)計(jì)。E-mail:jiayungang79@163.com

P332.4；P332.5

：A

：1005-3409(2017)02-0142-04