近60年大凌河中上游水沙變化特征

王佳琦, 賈燕鋒

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院, 沈陽(yáng) 110866)

水土流失受周圍環(huán)境、氣候及人類活動(dòng)等因素影響，使流域下墊面發(fā)生變化，從而造成徑流量和輸沙量的改變。研究河流水沙關(guān)系，對(duì)揭示水沙變化規(guī)律，分析水土保持措施減水減沙效益均有重要作用。Walling等[1]利用145條河流的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸沙量的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)50%的河流輸沙量的變化具有一定趨勢(shì)性，大部分均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)學(xué)者們主要以黃河流域?yàn)檠芯繉?duì)象對(duì)水沙進(jìn)行深入研究。歐陽(yáng)潮波等[2]利用線性分析、多年滑動(dòng)平均等方法對(duì)黃河中游河龍區(qū)間水沙變化特點(diǎn)和趨勢(shì)進(jìn)行分析，得出60 a間水沙變化呈下降趨勢(shì)，階段性變化趨勢(shì)差異較大。楚純潔等[3]利用黃河中下游典型水文站資料，通過(guò)分析水沙變化特征來(lái)研究在自然及人類活動(dòng)影響下流域的變化。趙玉等[4]根據(jù)黃河干流主要水文站資料，分析50余年來(lái)黃河流域不同時(shí)段、不同河段水沙關(guān)系的變化特征。蔣沖等[5]基于近50 a數(shù)據(jù)資料，對(duì)三江源區(qū)水土流失演變狀況進(jìn)行分析，結(jié)果表明各流域輸沙量的年際變化較大，引起水土流失變化的主要原因是氣候變化和生態(tài)工程。王彥君等[6]用累積距平方法對(duì)松花江干流6個(gè)水文站的徑流量進(jìn)行分析，揭示了徑流變化過(guò)程中的4個(gè)變化階段，應(yīng)用累積量斜率變化率比較方法，在不考慮其他因素影響的情況下，降水和人類活動(dòng)對(duì)徑流量的貢獻(xiàn)率。王兆禮等[7]應(yīng)用近60 a的水文和氣象資料，對(duì)東江流域徑流年際變化特征進(jìn)行分析，并探討了氣候變化和植被變化對(duì)徑流變化的影響。

2016年遼寧省土壤侵蝕普查結(jié)果顯示，朝陽(yáng)市土壤侵蝕面積5 913.71 km2，位居全省各市之首。大凌河為遼西地區(qū)的最大河流，流域土壤侵蝕面積比例29.97%，遠(yuǎn)高于全省平均水平，遼西仍是水土流失防治的重點(diǎn)區(qū)域。近年來(lái)，有學(xué)者對(duì)大凌河進(jìn)行一定研究，劉鑫等[8]指出大凌河在每年7月、8月份徑流占全年徑流比例最大，大凌河徑流呈現(xiàn)明顯的減少趨勢(shì)。于國(guó)寶等[9]通過(guò)Mann-Kendell檢驗(yàn)法指出大凌河流域輸沙量的變化與徑流量相關(guān)，并對(duì)未來(lái)20 a的水沙變化情況進(jìn)行預(yù)測(cè)與分析。1993年，大凌河中上游流域朝陽(yáng)縣、北票市等被列為全國(guó)水土保持重點(diǎn)治理區(qū)，實(shí)施了水土流失重點(diǎn)治理工程[10]。本文主要選取水土流失較為嚴(yán)重的大凌河中上游進(jìn)行研究，分析大凌河流域水沙變化特征，尤其是1993年被列為重點(diǎn)治理工程后，大凌河中上游流域水土保持措施的實(shí)施對(duì)水沙變化的影響，以正確認(rèn)識(shí)大凌河中上游流域水土保持工作，其結(jié)果可為流域生態(tài)建設(shè)提供理論依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

大凌河流域?qū)儆跍貛Ъ撅L(fēng)性氣候，長(zhǎng)年干旱，地貌類型屬于易被侵蝕的低山丘陵地貌[11]。大凌河是遼寧西部最大一條河流，主脈貫穿遼西，流經(jīng)凌源、建平、朝陽(yáng)、義縣等縣市，由東南方向匯入渤海。境內(nèi)大小支系縱橫交錯(cuò)，主要支流有大凌河西支、牤牛河、第二牦牛河、老虎山河等。朝陽(yáng)水文站屬于大凌河中游控制站，布設(shè)于1934年，位于東經(jīng)120°27′，北緯41°32′，集水面積為10 236 km2。

2　資料與方法

2.1　數(shù)據(jù)的收集與整理

根據(jù)大凌河中上游水文站的分布情況，考慮數(shù)據(jù)資料的代表性，采用1960—2016年朝陽(yáng)、德立吉(2006年下遷為閻家窯)、哈巴氣、上窩堡(2001年上遷為大城子)、葉柏壽5個(gè)雨量站汛期(6—9月)逐日降雨量，朝陽(yáng)站和上窩堡(后名大城子站)實(shí)測(cè)月徑流量與月輸沙量。大凌河中上游降雨量采用算數(shù)平均方法計(jì)算[12]。

2.2　研究方法

本研究在收集整理大凌河中上游典型水文控制站水文觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件相關(guān)分析模塊中的雙變量相關(guān)分析，選擇Pearson相關(guān)系數(shù)雙側(cè)檢驗(yàn)法，對(duì)不同年代際間徑流量和輸沙量之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行定量描述，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。利用累積距平[13-14]曲線上下起伏變化，判斷水沙變化的大致時(shí)間，采用滑動(dòng)平均法來(lái)確定水文時(shí)間序列的變化趨勢(shì)。通過(guò)以上方法對(duì)大凌河中上游水沙變化情況進(jìn)行深入研究，進(jìn)而分析大凌河中上游水沙變化特征，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

3　結(jié)果與分析

3.1　大凌河中上游水沙基本特征

3.1.1主要水文要素年代際特征大凌河中上游地處低山丘陵區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，氣候惡劣，十年九旱，雨熱同期，植被覆蓋度較低，受降雨、地表徑流及水土流失影響，形成多泥沙河流。選取大凌河中上游控制站徑流量、輸沙量和降雨量資料，分析大凌河中上游不同年代際水文要素特征值見(jiàn)表1。

表1　大凌河中上游水文要素特征值

20世紀(jì)60年代大凌河中上游降水豐沛，多年平均降雨量達(dá)到411.41 mm，多年平均徑流量和輸沙量達(dá)到最大值，降雨量和輸沙量變異系數(shù)達(dá)到最大值分別為0.283，1.061，說(shuō)明這一時(shí)期，受降雨因素影響產(chǎn)生大量徑流和泥沙，且降雨量和輸沙量浮動(dòng)極為顯著，這與1962年大凌河出現(xiàn)百年一遇的洪水災(zāi)害有關(guān)[15]。年徑流量變異系數(shù)在2010—2016年達(dá)到最大值0.728，表明2010年之后流域徑流量變化顯著，且分布不集中。

在1960—2016年，年徑流量和年輸沙量的變異系數(shù)最大，分別為0.776，1.328，說(shuō)明近60 a大凌河流域徑流量和輸沙量在年代間變化極為顯著。自2000年以后，年徑流量、年輸沙量和年降雨量都低于多年平均值，徑流量和輸沙量變化開(kāi)始有一定的相似性，不同年代際間的水沙變化存在哪些異同有待進(jìn)一步分析。

3.1.2水沙關(guān)系特征為進(jìn)一步了解水沙關(guān)系特征，分析大凌河中上游年徑流量與年輸沙量不同年代際間是否具有明顯相關(guān)性，對(duì)1960—2016年不同年代際間朝陽(yáng)站年徑流量與年輸沙量進(jìn)行相關(guān)分析，借助相關(guān)系數(shù)分析兩個(gè)變量之間的密切程度。大凌河中上游徑流量與輸沙量相關(guān)分析見(jiàn)表2。

表2　大凌河中上游徑流量與輸沙量關(guān)系特征

注：**在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；徑流量R(108m3)；輸沙量S(104t)。

通過(guò)表2可以看出，徑流量與輸沙量不同年代際間相關(guān)系數(shù)2010年之后最大為0.981，其次依次為1960s，1980s，1990s，2000s，1970s。20世紀(jì)60年代徑流量和輸沙量具有極強(qiáng)相關(guān)性，且p<0.01達(dá)到極顯著水平；20世紀(jì)70年代，相關(guān)系數(shù)達(dá)到最低值，且p>0.05，則說(shuō)明徑流量和輸沙量之間相關(guān)性不顯著；20世紀(jì)80年代徑流量和輸沙量相關(guān)系數(shù)說(shuō)明兩者之間具有極強(qiáng)相關(guān)性，且p<0.01，達(dá)到極顯著水平；20世紀(jì)90年代徑流量和輸沙量之間具有強(qiáng)相關(guān)性，且p<0.01，達(dá)到顯著水平；進(jìn)入20世紀(jì)以后的10 a內(nèi)徑流量和輸沙量之間具有強(qiáng)相關(guān)性，且0.01

3.2　大凌河中上游水沙變化特征

3.2.1水沙變化趨勢(shì)分析不同河段受地形地貌及降雨等因素影響，其水沙變化趨勢(shì)可能存在較大差異。因此選取大凌河中上游干流主要水文站朝陽(yáng)站和大城子站徑流量和輸沙量進(jìn)行滑動(dòng)平均，進(jìn)一步對(duì)大凌河中上游水沙變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。圖1可以看出徑流量與輸沙量變化過(guò)程線具有一定相似性，變化過(guò)程中均有明顯波動(dòng)，波動(dòng)年份基本一致，但年徑流量變化幅度更加明顯。從線性趨勢(shì)來(lái)看，徑流量和輸沙量整體上呈下降趨勢(shì)，徑流量下降趨勢(shì)更加顯著。由圖2可知，大凌河大城子站徑流量與輸沙量變化趨勢(shì)與朝陽(yáng)站一致?？梢?jiàn)，大凌河中上游在1960—2016年，徑流量與輸沙量整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖1　朝陽(yáng)站徑流量和輸沙量隨年份變化

圖2　大城子站徑流量和輸沙量隨年份變化

3.2.2水沙變化的階段性根據(jù)圖1，圖2可看出年徑流量和年輸沙量在變化過(guò)程中均存在明顯的波動(dòng)，為進(jìn)一步判斷大凌河中上游長(zhǎng)期顯著的演變趨勢(shì)，采用累積距平方法分析1960—2016年徑流量和輸沙量年代際變化過(guò)程，見(jiàn)圖3。從圖中可看出該河段水沙階段性變化趨勢(shì)具有一定差異。

大凌河中上游徑流量的變化表現(xiàn)為如下4個(gè)階段：(1) 1960—1979年為豐水期，出現(xiàn)上升趨勢(shì)，并與1979年達(dá)到最大值，這是由于這期間階段性出現(xiàn)局部暴雨洪澇災(zāi)害，使得徑流量處于較高水平；(2) 1980—1993年為枯水期，20世紀(jì)80年代，多年平均降雨量達(dá)到最低值310.80 mm，因此推測(cè)80年代主要受降雨等自然因素的影響；(3) 1994—1998年為短暫的豐水期，距平累積曲線不再呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，甚至出現(xiàn)上升趨勢(shì)，這與降雨量增多有關(guān)，特別是1994年，降水量達(dá)到577.56 mm；(4) 1999—2016年降雨量與20世紀(jì)70年代和80年代水平相對(duì)，但徑流量表現(xiàn)為顯著的枯水期，且持續(xù)枯水，是由于1999年閻王鼻子水庫(kù)開(kāi)始蓄水投入使用，其具有良好的攔蓄作用，勢(shì)必加劇徑流量和輸沙量的下降。

大凌河中上游輸沙量的變化表現(xiàn)為如下4個(gè)階段：(1) 1960—1966年輸沙量處于上升趨勢(shì)，大凌河輸沙能力顯著持續(xù)增加，這期間受自然因素影響較大；(2) 1967—1993年為動(dòng)蕩期，動(dòng)蕩期內(nèi)下降時(shí)段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，同樣受自然因素和人類活動(dòng)的影響較大；(3) 1994—1996年輸沙量顯著增加，主要受降雨因素影響；(4) 1997—2016年大凌河輸沙能力顯著持續(xù)下降，從人類活動(dòng)來(lái)看，這一期間隨著大型工程的推廣應(yīng)用，大大加快了治理進(jìn)程，使輸沙量有下降的趨勢(shì)。

圖3　大凌河中上游徑流量和輸沙量累積距平

時(shí)間徑流量平均值/108m3百分比/%時(shí)間輸沙量平均值/104m3百分比/%1960—20165.26100.001960—2016539.85100.001960—19797.87149.771960—19661570.43290.901980—19933.6569.521967—1993489.4790.671994—19989.88187.941994—19961152.33213.451999—20162.3143.981997—2016155.3028.77

根據(jù)累積距平結(jié)果顯示，徑流量和輸沙量的變化均分為4個(gè)階段，但是水沙變化趨勢(shì)具有一定差異性。為了進(jìn)一步分析水沙階段性變化情況，將徑流量和輸沙量與多年平均值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表3。1960—2016年，徑流量的多年平均值為5.26億m3，輸沙量的多年平均值為539.85萬(wàn)t。1980年以前平均徑流量達(dá)到7.87億m3，比多年平均徑流量高出49.77%，表明徑流量在這一期間較多；1980—1993年年均徑流量為3.65億m3，與多年平均相比下降30.48%，表明具有下降趨勢(shì)；1994—1998年，在這短短的5 a間，年均徑流量達(dá)到9.88億m3與多年平均相比增加87.94%，該階段徑流量具有上升趨勢(shì)；1999—2016年年均徑流量達(dá)到2.31億m3，與多年平均相比減少56.02%，表明該階段徑流量具有下降趨勢(shì)。

1960—1966年年均輸沙量到達(dá)1 570.43萬(wàn)t，與多年平均相比上升了190.90%，這與20世紀(jì)60年代的環(huán)境災(zāi)害有關(guān)，大凌河受災(zāi)嚴(yán)重，導(dǎo)致輸沙量急劇增加。1967—1993年，輸沙量達(dá)到489.47萬(wàn)t，與多年平均相比下降9.33%，表明在這期間，輸沙量的變化相對(duì)平穩(wěn)。1994—1996年，年均輸沙量達(dá)到1 152.33萬(wàn)t，與多年平均值相比增加113.45%，主要受降雨等因素的影響，輸沙量劇增；1997—2016年，年均輸沙量達(dá)到155.30萬(wàn)t，與多年平均值相比下降71.23%，表明該階段輸沙量下降顯著。表3進(jìn)一步證實(shí)累積距平方法所得結(jié)果，可以看出徑流量和輸沙量階段性變化顯著，但是徑流和泥沙變化并不同步，這可能與人類活動(dòng)有關(guān)。

3.3　人類活動(dòng)對(duì)水沙變化的影響

根據(jù)累積距平結(jié)果顯示，大凌河中上游徑流量于1999年開(kāi)始呈顯著下降趨勢(shì)，輸沙量于1997年開(kāi)始呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，產(chǎn)生這種結(jié)果是由于大凌河流域自1993年實(shí)施大規(guī)模水土保持綜合治理措施，主要以生態(tài)修復(fù)和綠化作為大凌河中上游流域生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重點(diǎn),實(shí)施了植樹(shù)造林、封山育林和小流域治理等多項(xiàng)措施[16]。為更加清晰地認(rèn)識(shí)人類活動(dòng)對(duì)水沙變化的影響，因此將1960—1992年定為自然條件下的基準(zhǔn)期，1993—2016年定為措施期。建立基準(zhǔn)期降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙之間的回歸方程，見(jiàn)圖4，圖5。

基準(zhǔn)期降雨—徑流的線性關(guān)系式為：

y=0.035x-6.447(R2=0.667)

(1)

式中：x為降雨量/mm；y為徑流量/108m3。

經(jīng)F檢驗(yàn)R2=0.667，表明基準(zhǔn)期降雨量對(duì)徑流量有一定影響，同時(shí)也受人類活動(dòng)等其他因素影響。通過(guò)基準(zhǔn)期建立的降雨量—徑流量的線性相關(guān)方程，計(jì)算措施期在無(wú)人類活動(dòng)影響下的徑流量，并與實(shí)測(cè)徑流量相比較，分析出措施期人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響，結(jié)果見(jiàn)圖6。

從圖6可以看出，在1998年以后大凌河中上游實(shí)測(cè)徑流量、計(jì)算徑流量與徑流減少量三者之間的變化特點(diǎn)具有相似性。該段流域1993—2016年徑流量減少總量為51.47億m3，平均每年減少2.14億m3。徑流量單年最大減少量出現(xiàn)在2016年，為6.53億m3，徑流減少量最小值出現(xiàn)在1998年，為0.065萬(wàn)m3。通過(guò)歷年徑流減少量繪制的曲線可以看出，徑流減少量正處于波動(dòng)上升趨勢(shì)，說(shuō)明年徑流變化正朝著一個(gè)對(duì)生態(tài)修復(fù)有利的方向發(fā)展。

圖4　基準(zhǔn)期徑流量隨降雨量的變化

圖5　基準(zhǔn)期輸沙量隨降雨量的變化

圖6　大凌河中上游措施期人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響

圖7　大凌河中上游措施期人類活動(dòng)對(duì)輸沙量的影響

基準(zhǔn)期降雨量—輸沙量的線性關(guān)系式為：

y=5.959x-1 465.6(R2=0.466)

(2)

式中：x為降雨量(mm)；y為輸沙量(104t)。

經(jīng)F檢驗(yàn)R2=0.466，表明基準(zhǔn)期輸沙量受降雨量的影響較小，可以看出受其他因素影響較多。通過(guò)建立基準(zhǔn)期降雨量—輸沙量線性方程，計(jì)算措施期在無(wú)人類活動(dòng)影響下的輸沙量，并與實(shí)測(cè)值相比較，結(jié)果見(jiàn)圖7。

通過(guò)圖7可以看出，大凌河中上游輸沙量的計(jì)算值、實(shí)測(cè)值與減少量三者之間的變化特點(diǎn)具有差異性。由于1996年10月在大凌河中游開(kāi)工建設(shè)閻王鼻子水庫(kù)，并于1999年開(kāi)始運(yùn)行，水庫(kù)攔洪落淤效果顯著，河流挾沙能力明顯下降，從而導(dǎo)致2000—2007年和2010—2016年輸沙量的計(jì)算值明顯高于實(shí)測(cè)值與減少量的值。從1993—2016年輸沙減少總量為9 703.15萬(wàn)t，平均每年減少約404.23萬(wàn)t。輸沙量單年最大減少量出現(xiàn)在2016年，為981.83萬(wàn)t；最小值為38.40萬(wàn)t，出現(xiàn)在2000年。

4　結(jié) 論

(1) 大凌河中上游由于降雨等因素的影響，導(dǎo)致1960—1969年多年平均徑流量和多年平均降雨量值達(dá)到最大。1960—1969年輸沙量和降雨量變化顯著，變異系數(shù)分別達(dá)到最大值1.061，0.283。徑流量在2010—2016年變化顯著，變異系數(shù)達(dá)到0.728。

(2) 通過(guò)對(duì)徑流量與輸沙量不同年代際間相關(guān)系數(shù)比較分析發(fā)現(xiàn)，2010—2016年相關(guān)系數(shù)最大為0.981，說(shuō)明兩者之間具有極強(qiáng)相關(guān)性，且p<0.01，達(dá)到極顯著水平。其次依次為1960s，1980s，1990s，2000s，1970s。

(3) 采用滑動(dòng)平均法對(duì)大凌河中上游徑流量和輸沙量的趨勢(shì)進(jìn)行分析，從線性趨勢(shì)來(lái)看，徑流量和輸沙量在總體上呈下降趨勢(shì)，徑流量下降趨勢(shì)更加顯著。

(4) 大凌河中上游水沙變化呈現(xiàn)階段性特征，徑流量年際變化表現(xiàn)為豐—枯—豐—枯4個(gè)階段；輸沙量年際變化表現(xiàn)為上升期—?jiǎng)邮幤凇仙凇陆灯冢覄?dòng)蕩期內(nèi)下降時(shí)段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

(5) 選取受人類活動(dòng)影響較小的時(shí)期1960—1992年作為基準(zhǔn)期，1993—2016年作為措施期，通過(guò)建立基準(zhǔn)期降雨量—徑流量，基準(zhǔn)期降雨量—輸沙量回歸方程，計(jì)算措施期在無(wú)人類活動(dòng)影響下的徑流量，并與實(shí)測(cè)徑流量相比較，分析出措施期人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響。該段流域1993—2016年徑流減少總量為51.47億m3，平均每年減少2.14億m3；輸沙減少總量為9 703.15萬(wàn)t，平均每年減少約404.23萬(wàn)t。結(jié)果表明，自1993年大凌河流域?qū)嵤┐笠?guī)模水土保持措施開(kāi)始，大凌河流域水土保持措施實(shí)施取得成果非常顯著。

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