松花江水沙變化態(tài)勢與影響因素

隋高陽,于莉,隋棟梁,李雪梅

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松花江水沙變化態(tài)勢與影響因素

隋高陽1,于莉2,隋棟梁3,李雪梅4

1. 山東省水利勘測設(shè)計院, 山東 濟(jì)南 250010 2. 濟(jì)南市水文局, 山東 濟(jì)南 250015 3. 山東省諸城市水利水產(chǎn)局, 山東 諸城 262200 4. 山東省泰安市水利和漁業(yè)局, 山東 泰安 271000

松花江流域的水沙變化將在很大程度上影響流域內(nèi)人類的活動。本文利用累積曲線法、M-K次序分析法和有序聚類法就松花江各主要支流1955~2013年的水沙變化特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明：松花江干流及嫩江的年徑流量顯著減少，主要支流第二松花江沒有明顯的變化趨勢；第二松花江年輸沙量明顯減少，干流和嫩江有顯著的變化趨勢。結(jié)合松花江各支流水沙變化的特征，分析了松花江氣候降雨、植被覆蓋與水土保持、水庫建設(shè)和過度建設(shè)對水沙變化的影響。

松花江; 水沙變化; 態(tài)勢; 影響因素

松花江位于中國東北地區(qū)北部，是黑龍江最大的支流，屬我國七大江河之一。松花江有南北兩源，北源嫩江與南源第二松花江，有頭道江、二道江、輝發(fā)河、飲馬河、嫩江、牡丹江等大小數(shù)十條河流匯入。江水從南源長白山天池出發(fā)，流向西北在吉林省扶余市三岔河鎮(zhèn)附近與北源嫩江匯合，后轉(zhuǎn)向東流，形成松花江干流，全長1927 km。河長、水資源總量均位居第三，總流域面積55.72萬km2。多年平均徑流量和輸沙量分別為626.1×108m3、1244.7×104t。松花江流域上游嫩江、第二松花江分別由大賚、扶余水文站控制，干流由佳木斯站控制。

圖1 松花江水系圖

近年來，不少研究分析松花江流域的水沙變化[1,2]，研究水沙輸移規(guī)律變化趨勢，對于松花江的合理開發(fā)和綜合治理有著重要意義。但松花江河道水沙變化的研究不夠全面，而且對于水沙變化的成因分析較少。因此，本文結(jié)合中國河流泥沙公報提供的資料，利用累積曲線法、M-K分析法和有序聚類法，就松花江主要水文控制站的水沙變化特征開展研究，具有重要的應(yīng)用價值。

松花江水沙變化特征，表1為各站水沙標(biāo)準(zhǔn)化變量和不同年代的特征值。結(jié)合這些分析圖表，以下就各主要河流水文站的水沙變化態(tài)勢進(jìn)行分析。

表 1 松花江主要測站各年代徑流量與輸沙量及其變化趨勢（單位:億m3）

1 松花江主要支流水沙變化態(tài)勢

1.1 嫩江

嫩江為松花江北源和最大支流，發(fā)源于伊勒呼里山，自北向南流，全長1370 km，流域面積29.7萬km2。其控制水文站大賚的多年平均徑流量和輸沙量分別為207.9億m3和165.2萬t。大賚站徑流量的標(biāo)準(zhǔn)化變量值為-2.871，其絕對值大于1.96，而其徑流量的單累積曲線呈上凸的波動狀態(tài)，表明嫩江的徑流量總體呈明顯的減小趨勢，如50至70年代平均徑流量分別為306.4億m3、242.3億m3、136.4億m3，持續(xù)減少，到90年代又增至260.0億m3，2000年代大幅減為138.0億m3。嫩江大賚站輸沙量的標(biāo)準(zhǔn)化變量值為-1.027，其絕對值小于1.96，同時輸沙量單累積曲線基本為直線狀態(tài)，表明嫩江來沙量總體變化不大，年輸沙量在多年平均值上下波動，其中1998年大洪水引起沙量突然增大。大賚站輸沙量從50年代的144.7萬t增至60年代的149.7萬t，至70年代減為94.5萬t，1990年增加為226.9萬t，2000年代又減少為203.1萬t。

大賚站徑流量和輸沙量雙累積曲線在80年代前呈直線狀態(tài)，至90年代中后期向下偏離，90年代末又偏向上。說明沙溪來水含沙量在80年代前趨勢基本不變，隨后經(jīng)歷一個先減小后增加的波動。

圖 2 大賚站水沙量累積曲線

2.2 第二松花江

松花江南源第二松花江，發(fā)源于長白山脈白頭山的天池，全長958 km，流域面積7.34萬km2。其控制水文站扶余的多年平均徑流量和輸沙量分別為149.2億m3和20345萬t。扶余站徑流量的標(biāo)準(zhǔn)化變量值為-1.210，其絕對值小于1.96，且徑流量的單累積曲線基本上呈直線狀態(tài)，表明第二松花江的徑流量略有減小，但變化不大，如50年代平均徑流量為177.0億m3，70年代減為127.6億m3， 80年代增至154.1億m3，2000年代又減為147.1億m3。扶余站輸沙量的標(biāo)準(zhǔn)化變量值為-2.975，其絕對值大于1.96，同時輸沙量單累積曲線為明顯的上凸?fàn)顟B(tài)，表明第二松花江來沙量總體呈現(xiàn)明顯的減少趨勢。扶余站輸沙量從50年代的263.3萬t增至60年代的272.7萬t，70年代后持續(xù)減少，2000年代僅為145.9萬t。

扶余站徑流量和輸沙量雙累積曲線總體呈現(xiàn)上凸的態(tài)勢，70年前呈直線，80年代后向下偏轉(zhuǎn)，說明第二松花江來水含沙量70年代前基本不變，80年代后扶余站輸沙量減小幅度明顯。

圖 3 扶余站水沙量累積曲線

2 松花江干流水沙變化態(tài)勢

松花江干流長939 km，流域面積18.64萬km2。主要支流有拉林河、螞蟻河、牡丹江、倭肯河、呼蘭河及湯旺河。其控制水文站佳木斯站的多年平均徑流量和輸沙量分別為635.0億m3和1258.7萬t。其徑流量標(biāo)準(zhǔn)化變量值為-2.936，遠(yuǎn)大于1.96，對應(yīng)的單累積曲線總體表現(xiàn)為波動的上凸?fàn)顟B(tài)，表明松花江干流的徑流量明顯減少，但呈一定的周期性，其徑流量從上世紀(jì)50年代的831.9億m3減少至70年代的496.7m3，80年代增加至712.7億m3，至2000年代又減為484.0億m3。松花江干流輸沙量標(biāo)準(zhǔn)化變量值0.177，其絕對值小于1.96，且單累積曲線基本上呈直線狀態(tài)，表明輸沙量總體趨勢變化不大，其年輸沙量在多年平均值上下波動。在上世紀(jì)50年代至70年代呈減小趨勢，輸沙量分別為1411.0萬t、1264.9萬t、710.3萬t，80年代開始增加，至90年代增為1811.7萬t，2000年代又減小為1154.6萬t。

松花江干流水沙量雙累積曲線在70年前呈直線狀態(tài)，1970年至1980年雙累積曲線向下偏離，80年代后向上偏轉(zhuǎn)，2000年后基本不變。表明其來水含沙量1970年前基本不變，70年代略有減小，1980年后開始增加，2000年后基本不變。

圖4 佳木斯站水沙量累積曲線

松花江干流水沙變化不一致的主要原因是，松花江為少沙河流，水庫攔沙效果并不顯著，且河流經(jīng)過松嫩平原，下游河道發(fā)生沖刷，輸沙量恢復(fù)。因而雖徑流量明顯減小，但沒有影響到輸沙量的大小，水沙變化趨勢不一致。

3 松花江水沙態(tài)勢變化成因

松花江流域自然條件優(yōu)越，資源豐富，其徑流量、輸沙量主要取決于氣候降雨、植被覆蓋與水土保持、水庫建設(shè)和過度建設(shè)等因素的影響。

3.1 氣候降雨

氣候變化引起降水量變化，直接導(dǎo)致徑流量發(fā)生變化，從而影響輸沙量的變化趨勢。根據(jù)資料顯示[3]，嫩江流域汛期降水變化過程與年降水變化過程基本一致，兩者相關(guān)關(guān)系較好，相關(guān)系數(shù)尺2=0.891；嫩江流域徑流隨降水減少而減少，但徑流量減少幅度遠(yuǎn)大于降水減少幅度，說明徑流的減少除降水的影響外，還有其他因素，如蒸發(fā)，流域蒸發(fā)越強(qiáng)烈，徑流量越小。

圖 5 嫩江流域年降水和年徑流的年際變化

松花江干流佳木斯1960~2010年各年代降水量分別為554.08 mm、487.98 mm、566.72 mm、559.92 mm、505.19 mm，而佳木斯水文站相應(yīng)各年代的年徑流量分別為751.9億m3、496.7億m3、712.7億m3、691.6億m3、428.3億m3，降水量和徑流量都呈減少-增加-減少的趨勢，說明流域降水量在一定程度上影響徑流量的變化。另外，根據(jù)松花江干流佳木斯站降水量與徑流量的關(guān)系，可知徑流量與降水量之間的相關(guān)系數(shù)為0.832，說明徑流量的變化與降水量之間存在著顯著的相關(guān)關(guān)系，降水量決定徑流量；輸沙量與降水量之間的相關(guān)系數(shù)為0.649，說明輸沙量與降水量的關(guān)系密切。

表2 松花江徑流量、輸沙量和降水量各年代特征值

圖 6 松花江水沙量與降水量關(guān)系

3.2 植被覆蓋與水土保持[4]

近幾十年來，嫩江流域土地利用活動強(qiáng)烈地改變了地表的性質(zhì)，進(jìn)而改變了流域水文過程。由圖6可見，降水與徑流的變化并不完全一致，可見徑流在很大程度上受外在因素的影響。沼澤、湖泊、林地和草地面積與流域的年降水量、年徑流量等關(guān)系密切，其中徑流與沼澤面積的關(guān)系最為密切，其次為林地。主要表現(xiàn)在1986~1996年沼澤由194.8萬hm2增加到197.0萬hm2，林地面積由926.0萬hm2增加到987.0萬hm2，都略有增加，徑流量減少；1996~2000年沼澤減少到177.0萬hm2，、林地到2000年減少到951.0萬hm2，面積大幅度減少，徑流量增加明顯。綜上所述，嫩江流域總降水減少的同時，地表徑流有增加的階段，主要是受土地覆被各類型面積變化的影響。

1985~1995年，吉林省開展以荒山荒地植樹造林為主的水土流失綜合治理；1999年，國家決定“北大荒”全面停止開荒，實(shí)行退耕還“荒”(還林、還草、還濕地)；2000年，國家實(shí)施天然林保護(hù)工程[5]；2003年正式啟動了東北黑土區(qū)水土流失綜合治理試點(diǎn)工程[6]。根據(jù)第一次全國水利普查水土保持情況公報，截至2011年吉林省、黑龍江省的水力侵蝕總面積分別為34744 km2、73251 km2，兩省水土保持面積分別為14954.5 km2、26562.6 km2。這一系列的措施使得松花江干流的輸沙量在90年代中期開始持續(xù)減小。

3.3 水庫建設(shè)

為了充分利用松花江的水能資源，在松花江主要支流已修建或在規(guī)劃很多水庫，水庫修建后將調(diào)節(jié)河流水沙過程，攔蓄了部分徑流和泥沙，水庫泥沙淤積，減小了進(jìn)入下游的輸沙量。據(jù)統(tǒng)計，目前松花江流域已建成大型水庫26座，總庫容397.42億m3。其中，嫩江流域9座，總庫容121.93億m3；第二松花江3座，總庫容175.44億m3；松花江干流及中下游支流14座，總庫容100.05億m3。對比輸沙量減小幅度明顯的支流第二松花江，可以看出：第二松花江扶余站80年代末期開始輸沙量持續(xù)減少，與1982年、1985年分別建成的白山水庫和紅石水庫不無關(guān)系，總庫容為67.51億m3。受這些水庫的綜合影響，第二松花江的泥沙1988年后持續(xù)減少，這與水文控制站的年輸沙量變化過程是一致的。

表 3 松花江流域大型水庫狀況

應(yīng)用流域水庫調(diào)控系數(shù)和輸沙模數(shù)，來檢算各支流水庫建設(shè)與輸沙量變化的相關(guān)性，計算結(jié)果見表4。

嫩江、第二松花江、松花江干流的-相關(guān)系數(shù)分別為0.1128、0.7136、0.2583，表明水庫的修建是河流輸沙量變化的重要影響因素。其中第二松花江的相關(guān)系數(shù)最大，為0.7136，說明其輸沙量的變化是由流域上修建的水庫決定的。圖7為松花江流域各支流以及干流的水庫調(diào)控系數(shù)-輸沙模數(shù)關(guān)系曲線。第二松花江的-曲線趨勢與松花江干流的趨勢較為一致。其原因是建設(shè)的水庫累積庫容沿程增加，攔截的沙量越大，輸沙模數(shù)就越小，因而佳木斯站的輸沙模數(shù)較小。

表 4 流域水庫調(diào)控系數(shù)x-輸沙模數(shù)y相關(guān)性檢驗

嫩江、第二松花江、松花江干流的來沙系數(shù)與流域水庫調(diào)節(jié)系數(shù)如圖8所示，嫩江和松花江的來沙系數(shù)隨著流域水庫調(diào)節(jié)系數(shù)的增加而增加。這是由于累計庫容隨著時間增加，而其徑流量減小明顯、輸沙量變化不顯著，因而河流含沙量增加，導(dǎo)致來沙系數(shù)增大。另外，第二松花江的來沙系數(shù)與流域水庫調(diào)控系數(shù)的相關(guān)關(guān)系不明顯，說明該支流上水庫建設(shè)對來沙系數(shù)的大小并無直接影響。

圖 7 松花江水庫調(diào)控系數(shù)-輸沙模數(shù)

圖 8 來沙系數(shù)與流域水庫調(diào)節(jié)系數(shù)的關(guān)系

3.4 過度建設(shè)

由于人類在社會、文化、經(jīng)濟(jì)等因素制約下，違背自然規(guī)律，進(jìn)行不合理的生產(chǎn)活動等，將引起嚴(yán)重的水土流失。主要表現(xiàn)為人口增加、開墾規(guī)模增大，開礦規(guī)模擴(kuò)大，交通及其他基本建設(shè)發(fā)展迅速。過度粗暴的開礦修路、開荒、開工廠等人類活動，由于忽視了生態(tài)環(huán)境和水土保持工程的實(shí)施，使得流域水土流失面積增加，相應(yīng)的土壤侵蝕量也會大量增加。1958~1961年大躍進(jìn)期間爆發(fā)“北大荒”運(yùn)動，進(jìn)行了大規(guī)模不合理地毀林毀草開荒、陡坡開墾活動，造成草場退化、沙化和水土流失加??；另外全國大量修建水庫，松花江流域3年期間修建了大型水庫9座，總庫容達(dá)33.69億m3。在改革開放初期，修路、開礦、辦工廠等快速發(fā)展的同時，沒有充分重視水土保持措施，造成流域水土流失加重，松花江在80年代輸沙量明顯增。

4 結(jié)論

（1）除第二松花江徑流量減少不明顯外，嫩江和松花江干流的年徑流量有明顯減小的趨勢；

（2）松花江干流的年輸沙量沒有顯著的變化趨勢，主要支流嫩江沙量減小趨勢不顯著，而由于流域內(nèi)人類活動頻繁，進(jìn)行了修建水庫、實(shí)施水土保持工程等人類活動，第二松花江扶余站的年輸沙量具有明顯的減少趨勢；

（3）影響水沙變化的主要因素是氣候降雨、植被覆蓋與水土保持、水庫建設(shè)和過度建設(shè)等人類活動，其作用也有很大的差異。流域內(nèi)80年代的水庫建設(shè)是持續(xù)調(diào)水?dāng)r沙的重要突變時點(diǎn)，水土保持工程具有長期的保水?dāng)r沙效益，過度建設(shè)會增加河道輸沙量。

[1] 王雙銀,謝萍萍,穆興民,等.松花江干流輸沙量變化特征分析[J].泥沙研究,2011(4):67-72

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Changing Trend and Influencing Factors of Water and Sand in Songhua River

SUI Gao-yang1, YU Li2, SUI Dong-liang3, LI Xue-mei4

1.250010,2.250015,3.262200,4.271000,

The variation of water and sand in Songhua River Basin will affect human activities to a great extent. In this paper, the variation characteristics of water and sediment in the main tributaries of Songhua River from 1955 to 2013 were studied by using the cumulative curve method, M-K sequence analysis method and ordered clustering method. the annual runoff of Songhua River and Nenjiang River was significantly reduced. Songhua River No.2, the main tributary, has no obvious change trend. The annual sediment discharge of Songhua River No.2 is obviously reduced, and the main stream and Nenjiang River have a marked trend of change. Based on the characteristics of runoff and sediment variation in each branch of Songhua River, the effects of climate rainfall, vegetation cover, soil and water conservation, reservoir construction and excessive construction on the changes of water and sediment were analyzed.

Songhua River; water and sediment variation; situation; influencing factor

P333

A

1000-2324(2018)05-0819-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.05.019

2017-10-22

2017-11-25

山東省省級科研與推廣項目:水利現(xiàn)代化標(biāo)準(zhǔn)體系研究(SDSLKY201709)

隋高陽(1990-),男,本科,助理工程師,研究方向:河道治理. E-mail:423636050@qq.com