大凌河中上游水沙變化特征分析

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽　111000)

河道水流受氣候環(huán)境以及人類活動等因素影響，水資源循環(huán)規(guī)律及下墊面層發(fā)生改變，并引起流域徑流量和輸沙量產(chǎn)生變化。研究河流水沙關系是探討水沙變化規(guī)律特征的重要的方法，對河流減水護沙、生態(tài)環(huán)境效益產(chǎn)生明顯影響。Walling等通過對145條河流的輸沙量變化數(shù)據(jù)進行探討，發(fā)現(xiàn)將近一半河流輸沙保持一定的變化規(guī)律。我國學者歐陽超波等以黃河中游為研究對象，利用線性和多年滑動平均法探討了研究區(qū)段內(nèi)的水沙變化特征和階段性演變趨勢；楚純潔[1]等結(jié)合黃河中下游水文站有關數(shù)據(jù)資料，揭示了在人類活動和自然狀態(tài)下的水沙變化特征；趙玉[2]等通過對黃河干流典型水文站數(shù)據(jù)資料進行分析，揭示了黃河流域近50年的水沙變化關系；蔣沖[3]等以三江源地區(qū)為研究對象，利用有關數(shù)據(jù)資料分析了研究區(qū)域的水土流失演變發(fā)展狀況，并指出輸沙量年際變化量較大，且生態(tài)工程和氣候變化是引起水土流失變化的關鍵性因素；王彥君[4]等以松花江為研究對象，利用累積矩平方法對流域的6個干流的水文站徑流量進行探討分析，發(fā)現(xiàn)徑流變化主要經(jīng)歷了4個變化階段，并利用累積量斜率對比法分析了不同影響因素對徑流變化的影響貢獻率；王兆禮[5]等以東江流域為研究對象，利用近50年的氣象水文資料，對流域的徑流年際變化特征進行詳細的探討分析，揭示了植被和氣候變化對徑流的影響。近年來，我國學者對大凌河開展了大量的研究，如劉鑫等研究表明每年的7月、8月是大凌河徑流量最大的月份，該流域的徑流量整體表現(xiàn)出下降趨勢；于國寶[6]等利用Mann-Kendell檢驗法對大凌河輸沙量和徑流量的變化關系進行研究，并對未來的水沙變化特征進行了詳細的分析和預測。

本文以大凌河中上游流域為研究對象，對水沙變化特征進行分析，以期為大凌河流域內(nèi)生態(tài)建設提供一定的理論支持和決策依據(jù)。

1　研究區(qū)域概況

大凌河流域大小支干交錯，全長398km，所占面積約為2.35萬km2，主要支流包括牤牛河、老虎山河、大凌河西支等。流域?qū)儆跍貛Ъ撅L氣候，四季分明，日照豐富、溫差大，資料顯示9月和10是該流域的降雨旺季，年降水量約為450～600mm，降雨時間分布不均勻，徑流量約為16.67億m3。大凌河流域總體植被覆蓋率較低，大凌河流經(jīng)低山低丘陵區(qū)、山間河谷平原以及林草灘地區(qū)，其中以低山地丘陵區(qū)為主，占流域總面積的75%左右。流域土質(zhì)疏松，物理性能較差，植被覆蓋率低，水土流失嚴重，是大凌河泥沙的主要來源。朝陽水文站位于東經(jīng)120°27′、北緯41°32′，集水面積10236km2，是大凌河中游的主要水文控制站[7]。

2　資料與研究方法

2.1　數(shù)據(jù)選取

結(jié)合研究流域的水文站分布狀況，本文研究分別采用上窩堡、哈巴氣、德立吉、葉柏壽和朝陽5個典型的水文站1980—2016年的汛期逐日降雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中月經(jīng)流量和輸沙量選取朝陽水文站和上窩堡水文站的實測數(shù)據(jù)，并采用算術(shù)平均法對降雨量進行計算。

2.2　研究方法

本文利用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件中的雙變量相關分析程序，通過收集整理典型的水文控制觀測數(shù)據(jù)，利用Pearson雙側(cè)檢驗法分別定量描述了在不同年際的輸沙量和徑流量變化特征，并對相關性進行檢驗。對大凌河中上游流域的水沙變化時間采用累積矩平曲線法進行分析，水文時間序列的變化特征利用滑動平均法進行計算確定。利用上述方法對研究流域的水沙變化情況展開詳細、深入的研究分析，進而揭示了大凌河中上游區(qū)域的水沙變化特征，以期為生態(tài)環(huán)境建設提供一定的理論支持和科學依據(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

大凌河中上游區(qū)域的生態(tài)環(huán)境較為脆弱，生態(tài)環(huán)境日益惡劣，地形地貌特征以低山丘陵區(qū)為主，常年干旱，降雨時空分布不均，且植被覆蓋率較低，水土流失及河流泥沙輸入受降雨量、地表徑流量等作用顯著。本文通過選取降雨量、輸沙量和徑流量水文站的觀測數(shù)據(jù)，分別對大凌河中上游區(qū)域不同年際的水文要素特征進行統(tǒng)計分析，計算結(jié)果見表1。

由表1可知，大凌河中上游流域在1960—1969年的降雨最大，平均降雨量高達412.38mm，且該期間的輸沙量和徑流量變異系數(shù)值最大，分別為1.054和0.535，研究表明，降雨量變化是影響輸沙和徑流量變化的主要因素，其變化波動較為顯著，其原因可能與1962年的百年一遇的洪水災害相關；大凌河流域1960—2016的輸沙量和徑流量變異系數(shù)值最大，分別為1.317和0.764，研究表明，研究流域的年際輸沙和徑流量變化較為顯著；21世紀以后，大凌河中上游流域的各水文特征要素均低于多年平均值，且輸沙量和徑流量表現(xiàn)出一定的同步性，然而不同年代的年際輸沙變化關系有待進一步深入研究探討[8]。

表1　大凌河流域水文特征要素特征值統(tǒng)計計算結(jié)果

3.1.2水沙關系特征

本文對朝陽水文站1960—2016年不同年際的徑流量和輸沙量進行相關性分析，并引入相關系數(shù)對上述兩個變量之間的密切關系程度進行表征(分析結(jié)果見表2)。

表2　大凌河流域輸沙量和徑流量關系特征分析結(jié)果

注表中**代表置信度為0.01水平上的顯著相關性，*代表置信度為0.05水平上的顯著相關性。

由表2可知，大凌河中上游流域不同年際的輸沙和徑流量相關系數(shù)在2010—2016年達到最大，由大到小依次為20世紀60年代、80年代、90年代、2000—2009年和20世紀70年代。研究表明，相關性較強的區(qū)間為1960～1969年，并在0.01置信水平上的達到極值；大凌河中上游流域近60年的水沙統(tǒng)計數(shù)據(jù)資料顯示，該流域的輸沙和徑流量之間表現(xiàn)出較強的相關性，并在0.01置信水平上達到極為顯著的水平。研究期間內(nèi)的徑流量和輸沙量存在較為明顯的線性關系，其1960—2016年的線性擬合方程為S=0.25R-982.384，R2為0.712，二者之間表現(xiàn)出良好的線性相關性。

3.2　大凌河中上游水沙變化特征

3.2.1水沙變化趨勢分析

水沙變化特征受河段的地形地貌和降雨特征等因素影響，不同區(qū)段的河段流域表現(xiàn)出明顯的差異性，據(jù)此，本文選擇具有代表性的大城子水文站、朝陽水文站的降雨量和徑流量進行滑動平均計算研究，以此探討大凌河中上游區(qū)域的水沙變化特征。兩個水文站的水沙變化特征曲線如圖1和圖2所示。

由圖1可知，大凌河中上游流域的輸沙量和徑流量的變化趨勢表現(xiàn)出一定的同步性，變化波動年份較為明顯，且各年份的波動趨勢保持一致。年際徑流量變化波動趨勢明顯大于輸沙量變化趨勢。根據(jù)曲線線性波動趨勢可知，流域內(nèi)的R和S值均表現(xiàn)出動蕩下降趨勢，且徑流量的下降幅度略大于輸沙量。由圖2可知，朝陽水文站與大城子水文站的R和S值變化趨勢保持相對同步性。綜上所述，1960—2016年大凌河中上游流域的徑流量和輸沙量整體表現(xiàn)出明顯的下降趨勢。

圖1　大城子水文站在不同年份的徑流量和輸沙量變化曲線

圖2　朝陽水文站在不同年份的徑流量和輸沙量變化曲線

3.2.2水沙變化的階段性

由圖1和圖2可知，大凌河流域中上游區(qū)域的年際徑流量和輸沙量存在較大差異，其中朝陽水文站的徑流量和輸沙量整體表現(xiàn)出波動性下降，而大城子水文站隨年份的增加表現(xiàn)出動蕩下降趨勢。

根據(jù)徑流量曲線變化的整體趨勢，結(jié)合徑流量的區(qū)間范圍可將研究區(qū)域的在不同期間內(nèi)的徑流變化特征劃分為4個階段。豐水期為1960—1979年，此期間的徑流量整體表現(xiàn)出動蕩上升趨勢，并出現(xiàn)了局部暴雨和洪澇災害，該階段的徑流量水平較高；枯萎期為1980—1995年，降雨量達到最低值，為320.65mm，其主要原因可能與降雨和自然環(huán)境相關；短暫豐水期為1995—1998年，徑流量曲線的下降趨勢表現(xiàn)不明顯，且有短暫的上升趨勢，其原因可能與此年份的降雨量增大相關，尤其是在1995年的降雨量較大，為580.38mm；顯著枯水期為21世紀，此期間的降雨量與1970—1980年值雖變化不大，但徑流量明顯降低，且表現(xiàn)出持續(xù)性降低，其原因可能與水利工程蓄水設施的投入使用相關，水庫的攔蓄水資源作用表現(xiàn)出良好，并明顯降低了輸沙和徑流量。

根據(jù)輸沙量變化特征同樣可將其劃分為4個階段。1960—1968年受自然環(huán)境影響，此期間的輸沙量表現(xiàn)出明顯的上升趨勢；1969—1995年為輸沙動蕩期，此期間受人類活動和自然條件影響，輸沙量為波動性變化特征，且下降時段所占比例較大；輸沙量顯著增加期為1996—1998年，降雨量增大是引起輸沙量增大的主要因素；輸沙量持續(xù)下降期為1999—2016年，隨著水土流失治理措施的實施，河道輸沙量明顯降低，水利工程和關鍵性水保措施大大降低了輸沙量[9]。

3.3　人類活動對水沙變化的影響

為進一步探討人類活動對大凌河中上游流域水沙變化的影響，本文選取1960—1992年的自然條件為基準期，以1993—2016年為人類活動措施期，利用降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙回歸方程進行計算分析，其中基準期的降雨徑流線性關系可用下式表述：

y=0.036x-6.338 (R2=0.627)

(1)

式中x、y——降雨量和徑流量，mm。

經(jīng)驗可知R2為0.627，研究表明基準期內(nèi)的徑流量受降雨量影響，同時人類活動和其他相關因素也可對徑流量產(chǎn)生影響。通過對比分析基準期和人類活動措施期的徑流量結(jié)果可知，人類活動措施對實測徑流量、降雨量和徑流減少量的影響作用表現(xiàn)出相似性，人類活動措施可在一定程度上降低徑流減少幅度，使得生態(tài)環(huán)境朝著有利于修復的方向發(fā)展。水利工程措施和蓄水水庫的建設可在一定程度上降低泥沙輸入量，河道的挾沙量得到改善，且對河道的攔洪泄淤效果顯著。

4　分析結(jié)論

本文通過上述研究得出下列主要結(jié)論：

a.大凌河中上游流域在1960—1969年降雨最大，平均降雨量高達412.38mm，且該期間的輸沙量和徑流量變異系數(shù)值最大，分別為1.054和0.535，降雨量變化是影響輸沙和徑流量變化的主要因素；1960—2016年的輸沙量和徑流量變異系數(shù)值最大分別為1.317和0.764，研究流域的年際輸沙和徑流量變化較為顯著。

b.該流域的輸沙和徑流量之間表現(xiàn)出較強的相關性，并在0.01置信水平上達到極為顯著的水平。

c. 1960—2016年大凌河中上游流域的徑流量和輸沙量整體表現(xiàn)出明顯的下降趨勢；在不同期間內(nèi)的徑流變化特征劃分為4個階段，即豐水期、枯水期、短暫枯水期、顯著枯水期。

d.人類活動措施對實測徑流量、降雨量和徑流減少量的影響作用表現(xiàn)出相似性，人類活動措施可在一定程度上降低徑流減少幅度，使得生態(tài)環(huán)境朝著有利于修復的方向發(fā)展。

5　結(jié)　語

本文以大凌河中上游流域為研究對象，通過分析研究區(qū)域內(nèi)的輸沙量和降雨量在1960—2016年的年際變化特征，揭示了流域在不同年份和人類活動作用下的變化規(guī)律，為大凌河流域內(nèi)生態(tài)建設提供了一定的理論支持和決策依據(jù)。

[1]楚純潔，耿鵬旭，趙聰.黃河花園口斷面水沙變化特征及趨勢分析[J].泥沙研究,2011(5):39-44.

[2]趙玉，穆興民，何毅，等.1950—2011年黃河干流水沙關系變化研究[J].泥沙研究,2014(4):32-38.

[3]蔣沖，王德旺，羅上華，等.三江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)狀況變化及其成因[J].環(huán)境科學研究,2016(10):10-19.

[4]王彥君,王隨繼,蘇騰.降水和人類活動對松花江徑流量變化的貢獻率[J].自然資源學報,2015(2):304-314.

[5]王兆禮，陳曉宏，楊濤.近50a東江流域徑流變化及影響因素分析[J].自然資源學報,2010(8):1365-1374.

[6]于國寶.大凌河流域水沙特性及變化趨勢分析[J].水利規(guī)劃與設計,2017(2):41-43.

[7]王世鈞.渭河上游水沙特性變化及其規(guī)律研究[J].水利規(guī)劃與設計,2013(9):8-10.

[8]霍庭秀,羅虹,李欣慶,等.黃河中游河龍區(qū)間水沙特性分析[J].水利技術(shù)監(jiān)督,2009(5):13-15.

[9]趙菊華.基于本體的水資源數(shù)據(jù)集成研究[J].中國水能及電氣化,2007(10),31-33.