大凌河下游近55年水沙演變趨勢及突變特征分析

賈玉娟

(遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110003)

大凌河下游主要位于遼寧的西部區(qū)域，遼寧西部屬于水土流失較為嚴(yán)重的區(qū)域，近些年來，隨著氣候變化以及區(qū)域內(nèi)水土流失治理力度的加大，大凌河下游的水沙關(guān)系受到不同程度的影響。對于區(qū)域水沙演變進(jìn)行趨勢分析，有流域區(qū)域水生態(tài)規(guī)劃和治理措施的制定。國內(nèi)學(xué)者對于流域水沙演變趨勢進(jìn)行了許多相關(guān)研究[1-5]，當(dāng)前水沙演變趨勢分析較為成熟的是顯著性突變檢驗方法[6-10]，為此文章根據(jù)顯著性突變檢驗方法，結(jié)合大凌河下游主要的控制站義縣水文站1961—2016年近55年的實測水沙數(shù)據(jù)，對大凌河下游的從1961—2016年的水沙演變進(jìn)行趨勢分析。

1 區(qū)域概況及研究方法

1.1 區(qū)域概況

大凌河下游主要位于遼寧省錦州市內(nèi)。義縣水文站位于錦州市義縣義州鎮(zhèn)東北街，白石水庫下游34km處，是大凌河的重要控制站，義縣集水面積為18723km2，義縣站距離河口的距離為103km。斷面保證水位65.12m，保證流量11000m3/s。白石水庫至義縣水文站洪水傳播時間7～10h。

1.2 數(shù)據(jù)資料概況

文章選用義縣站1961—2016年近55年實測日流量和日含沙量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源為遼寧省水文年鑒，所有數(shù)據(jù)都通過了可靠性、一致性、連續(xù)性的三性檢驗，并統(tǒng)計了義縣站1961—2016年逐年和逐月的徑流量和輸沙量，用于分析不同時間尺度的水沙演變和突變特征的分析。

1.3 研究方法

1.3.1 趨勢非線性檢驗方法

采用M-K非線性趨勢檢驗方法對年和季節(jié)尺度的氣象要素進(jìn)行檢驗，該方法假設(shè)時間數(shù)據(jù)序列(x1，x2，…，xn)為獨立、隨機同變量分布的樣本序列，檢驗統(tǒng)計變量S計算方程為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—正態(tài)分布的檢驗統(tǒng)計變量；xi和xj—同一樣本中不同分布的兩個系列，其中1≤j≤i≤n；σs—標(biāo)準(zhǔn)方差；sign—運算符號；n—樣本的總個數(shù)；Z—檢驗值，若Z>0，檢驗的時間序列為上升變化趨勢，若Z<0，檢驗的時間序列為上下降變化趨勢。Z的絕對值大于或等于2.32、1.64、1.28，表示通過置信度分別為99%，95%以及90%的顯著性檢驗水平。

1.3.2 突變分析方法

突變分析是定義一個統(tǒng)計量ck來分析n個獨立的、隨機變量同分布的樣本數(shù)據(jù)序列(x1，x2，…，xn)，計算方程分別為：

(5)

E(ck)=k(k-1)/4

(6)

σ(ck)=k(k-1)(2k+5)/72

(7)

(8)

式中，m—第i個樣本xi>xj(1≤j≤i)的累積數(shù)，E(ck)和σ(ck)—ck的均值和方差，UFk—ck的標(biāo)準(zhǔn)化。按逆序列數(shù)據(jù)(xn，xn-1，…，x1)重復(fù)上面過程，使|UBk|=-UFk，k=n，n-1，…，UB1=0。如果UF和UB兩條曲線在置信區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)交點，即為可能的突變點。

2 水沙演變趨勢分析

2.1 趨勢演變分析

文章結(jié)合義縣站實測流量和含沙量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了大凌河下游義縣站1961—2016年年徑流和年輸沙量的變化趨勢，分析結(jié)果如圖1和圖2所示。

從圖1中可以看出，大凌河下游的年徑流量總體呈現(xiàn)下降趨勢，經(jīng)計算，其M-K統(tǒng)計為-1.62，通過95%的顯著性檢驗，大凌河下游年徑流呈現(xiàn)較為明顯的遞減趨勢。從年代際的徑流變化過程可以看出，在20世紀(jì)70年代和80年代大凌河下游年徑流量呈現(xiàn)一定上升趨勢，其他年代年徑流都呈現(xiàn)遞減趨勢。從圖3中可以看出，大凌河下游的年輸沙量也呈現(xiàn)較為明顯的遞減趨勢，其M-K統(tǒng)計值為-1.85，也通過95%的顯著性檢驗。從輸沙量年代際的變化趨勢可以看出，70年代大凌河下游輸沙量遞減，而徑流遞增，表明水土保持措施(退耕還林)起到較為明顯的效果。而80年代大凌河下游輸沙量遞增的原因主要是受到徑流遞增的影響。

2.2 水沙相關(guān)性分析

在水沙趨勢演變分析的基礎(chǔ)上，對大凌河下游義縣站各個季節(jié)的水沙相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖3所示。

圖1 大凌河下游徑流量年變化趨勢

圖2 大凌河下游輸沙量年變化趨勢

圖3 大凌河下游不同季節(jié)水沙年相關(guān)性分析

從圖3中可以看出，大凌河下游在夏季、秋季、冬季的水沙相關(guān)性均較高，相關(guān)系數(shù)均高于0.6，呈現(xiàn)高度相關(guān)性，而在春季，由于出現(xiàn)奇異點，使得春季大凌河下游的水沙相關(guān)性低于其他幾個季節(jié)?？梢?，大凌河下游的環(huán)境變化未對區(qū)域水沙相關(guān)關(guān)系造成影響。區(qū)域水沙關(guān)系較好。基于該相關(guān)關(guān)系，可以建立大凌河下游水沙相關(guān)方程，結(jié)合氣候變化模式對未來水沙演變進(jìn)行預(yù)測分析。

3 水沙突變特征分析

3.1 突變分析

結(jié)合顯著突變分析方法對大凌河下游年徑流和年輸沙量的突變特征進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 大凌河下游水沙突變特征分析

從大凌河下游年徑流和年輸沙量的突變特征分析結(jié)果可以看出，大凌河下游年徑流變化突變年份出現(xiàn)在1985年，而輸沙量突變的年份出現(xiàn)在1994年，而對義縣水沙關(guān)系有影響的水利工程為白石水庫，白石水庫運行年份為2000年，可見水利工程對大凌河下游水沙突變基本沒有產(chǎn)生影響，大凌河下游年徑流和年輸沙量突變原因主要是受氣候變化影響。

3.2 水沙關(guān)系突變分析

為分析人類活動對大凌河下游水沙關(guān)系的影響，結(jié)合徑流和輸沙量的雙累積曲線分析大凌河下游水沙關(guān)系的突變特征，分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 大凌河下游汛期和非汛期的水沙雙累積曲線

水沙雙累積曲線綜合反映水沙變化的特征，當(dāng)受降水影響，水沙雙累積曲線的斜率不發(fā)生變化，而當(dāng)受到人類活動影響，水沙雙累積曲線的斜率發(fā)生偏移。從大凌河下游汛期和非汛期水沙雙累積曲線可以看出，汛期水沙累積曲線斜率發(fā)生偏移的年份為1994年，這主要是在1994年遼寧省頒發(fā)了水土保持條例，加強了遼寧西部水土保持的力度，使得在1994年水沙累積曲線出現(xiàn)斜率的偏移。從圖6可以看出在非汛期斜率偏移較為不明顯，這是由于非汛期水量和輸沙量較少，人類活動對水沙累積曲線的影響較弱。

4 結(jié)論

文章結(jié)合顯著突變檢驗方法對大凌河下游近55年的水沙演變趨勢進(jìn)行特征分析，得出以下結(jié)論。

(1)受變化環(huán)境影響，大凌河下游徑流和輸沙量出現(xiàn)較為顯著的遞減趨勢，20世紀(jì)70年代受退耕還林的水保措施影響，大凌河下游輸沙量在徑流增加的情況下出現(xiàn)明顯的遞減。

(2)除春季外，其他季節(jié)水沙呈現(xiàn)高度正相關(guān)，可建立大凌河下游水沙相關(guān)方程，結(jié)合氣候變化模式對未來水沙演變進(jìn)行預(yù)測分析。

(3)水利工程對大凌河下游水沙變化影響較弱，下游水沙變化主要受氣候變化影響。