湟水輸沙量演變特征分析

時(shí) 璐， 汪清旭

(青海省水文水資源局勘測(cè)局， 青海 西寧 810001)

泥沙是指在土壤侵蝕過(guò)程中，隨水流輸移和沉積的土體、礦物巖石等固體顆粒。對(duì)流域而言，河流泥沙不僅反映水土流失狀況，還是流域內(nèi)降水、徑流、土壤、地形地貌植被等流域特性的體現(xiàn)。

湟水谷地是青海省工農(nóng)業(yè)發(fā)展基地，農(nóng)業(yè)資源優(yōu)越，流域面積1.61 km2,僅占青海全省面積的2.2%，耕地面積卻相當(dāng)于全省的56%，并養(yǎng)育了全省人口的61%，但湟水流域水土流失嚴(yán)重，這與高原地區(qū)氣候特征、生態(tài)環(huán)境和人類活動(dòng)有非常大的關(guān)系。湟水谷地屬黃土高原山地區(qū)，地表植被條件差，受水力侵蝕嚴(yán)重，大量黃土受到降水侵蝕匯流到河流中，造成河道淤積，過(guò)洪斷面減小，給河道防洪帶來(lái)很大壓力，也嚴(yán)重影響到沿岸人民生活和工農(nóng)業(yè)發(fā)展，因此研究泥沙的演變特征具有重要的意義。掌握河流的水沙特性可以為合理有效地開發(fā)和利用湟水流域水土資源提供服務(wù)以及對(duì)水資源利用的有效調(diào)控提供依據(jù)[1-5]。

1 流域概況

湟水河又名西寧河，指流經(jīng)西寧城北的黃河重要支流。位于中國(guó)青海省東部。發(fā)源于海晏縣包呼圖山。東南流經(jīng)西寧市，到甘肅省蘭州市西面的達(dá)家川入黃河。河長(zhǎng)349 km，由于流域有不同的巖性與構(gòu)造區(qū)，因而發(fā)育成峽谷和盆地形態(tài)。湟水河兩側(cè)溝壑發(fā)育，支流較多，水系發(fā)育，呈樹枝狀和羽狀。

民和水文站系湟水主要控制站，位于東經(jīng)102°48′，北緯36°20′，集水面積15 342 km2，水文站控制流域內(nèi)河道平均比降5.3‰，是青海省境內(nèi)湟水干流上最后一個(gè)控制站(見圖1)，其徑流量、輸沙量通常用于作為研究青海境內(nèi)湟水徑流量、輸沙量以及進(jìn)入甘肅的徑流量和輸沙量的重要依據(jù)。本文通過(guò)對(duì)民和站1956年—2013年的徑流泥沙資料分析湟水的泥沙演變特征。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，由于氣候變暖，使冰川面積減小、雪線上抬，極端天氣出現(xiàn)頻繁，對(duì)于本就脆弱的高原生態(tài)環(huán)境而言無(wú)疑是雪上加霜，農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)環(huán)境惡化，直接影響了全省的糧食生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展[6]。

探究民和站徑流泥沙演變特征了解湟水流域(不包含大通河流域)徑流泥沙變化趨勢(shì)，為湟水流域的水資源開發(fā)利用、農(nóng)業(yè)工業(yè)發(fā)展和防洪抗旱提供依據(jù)。

2 研究方法

本文中對(duì)徑流量和輸沙量的趨勢(shì)分析和突變分析采用Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法(M-K)[7-12]。M-K能夠檢驗(yàn)出水文序列是否具有趨勢(shì)和突變，并且判斷出趨勢(shì)是否明顯和檢查出序列突變的時(shí)間點(diǎn)。

趨勢(shì)分析[11]：假設(shè)時(shí)間序列(X1，X2……Xn)，定義統(tǒng)計(jì)量S：

(1)

其中sign為符號(hào)函數(shù)。當(dāng)Xi-Xj小于、等于或大于零時(shí)，sign(Xi-Xj)分別為-1、0、1。S為正態(tài)分布，其均值為0。

方差：

Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18

(2)

檢驗(yàn)值：

(3)

在雙邊趨勢(shì)檢驗(yàn)中，對(duì)于給定的置信水平α，若|Z|≥Z1-α/2,則原假設(shè)H0是不可接受的，即在置信水平α上，時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢(shì)。Z為正值表示增加趨勢(shì)，負(fù)值表示減少趨勢(shì)。

突變分析[12]：設(shè)輸沙序列X1，X2……Xn，S表示第i個(gè)樣本Xi>Xj的累計(jì)數(shù)，定義統(tǒng)計(jì)量：

(4)

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，S的均值和方差分別為：

1≤k≤n

(5)

將S標(biāo)準(zhǔn)化：

(6)

給定顯著性水平α，若UF(k)的絕對(duì)值大于Uα，則表明序列存在明顯的趨勢(shì)變化。所有UF(k)可組成一條曲線。將此方法引用到反序列以同樣的方法計(jì)算UB(k)得到一條曲線，兩條曲線的交點(diǎn)位于置信線之間，則此點(diǎn)可能就是突變點(diǎn)的開始。Mann-Kendall非參數(shù)秩次檢驗(yàn)在數(shù)據(jù)趨勢(shì)檢測(cè)中極為有用，其特點(diǎn)表現(xiàn)為：(1) 無(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)系列進(jìn)行特定的分布檢驗(yàn)，對(duì)于極端值也可參與趨勢(shì)檢驗(yàn)；(2) 允許系列有缺失值；(3) 主要分析相對(duì)數(shù)量級(jí)而不是數(shù)字本身，這使得微量值或低于檢測(cè)范圍的值也可以參與分析；(4) 在時(shí)間序列分析中，無(wú)需指定是否是線性趨勢(shì)[13]。

3 泥沙演變特征

3.1 水沙的年際變化

徑流量和輸沙量的年際變化幅度一般通過(guò)離勢(shì)系數(shù)Cv和絕對(duì)比率K來(lái)反映[14]。Cv值反映水文要素整體序列的離散程度，Cv值越大，離散度越大，說(shuō)明年際變化越劇烈；反之亦然。Cv值越小，說(shuō)明水沙的年際變化小這種情況有利于流域內(nèi)水沙資源的利用[15]；K值體現(xiàn)水文要素的年際絕對(duì)變化，K值越大，年際變化幅度越大。

將整個(gè)時(shí)間序列分成三部分進(jìn)行分析1956年—1979年、1980年—1999年、2000年—2013年各序列水文特征值見表1。

表1 各水文要素的水文特征值

通過(guò)表1可知在全部時(shí)間序列中輸沙量年際變化劇烈，Cv值達(dá)到0.89，在1980年后Cv降低到0.43，從整個(gè)系列來(lái)看輸沙量的年際變化趨于穩(wěn)定且均值不斷減少；徑流量的年際變化一直很穩(wěn)定，總體Cv不超過(guò)0.26，到21世紀(jì)后Cv大幅度減??；通過(guò)輸沙模數(shù)可得1979年前流域內(nèi)水土流失嚴(yán)重，自2000年以來(lái)輸沙模數(shù)明顯減小。

3.2 水沙的趨勢(shì)和突變分析

3.2.1 水沙趨勢(shì)分析

根據(jù)對(duì)民和站1956年—2013年的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行M-K分析結(jié)果見表2。

表2 M-K統(tǒng)計(jì)量

由表2可得輸沙量時(shí)間序列通過(guò)置信水平為99%的趨勢(shì)檢驗(yàn)，表現(xiàn)為明顯的下降趨勢(shì)；徑流量與降水量變化趨勢(shì)一致，呈上升趨勢(shì)但都沒(méi)有通過(guò)90%的顯著性檢驗(yàn)，所以徑流量與降水量有不顯著的上升趨勢(shì)。輸沙量最大出現(xiàn)年份與降水量最大同年都為1961年，值分別為5 640萬(wàn)t和570.5 mm，年徑流量最大值34.47億m3，出現(xiàn)在1989年；最小值年徑流量與面平均降水量都為1991年分別為12.65億m3和267.6 mm，年輸沙量最小值為138萬(wàn)t在2005年出現(xiàn)。

3.2.2 水沙突變分析

使用M-K突變分析得出圖2、圖3、圖4。

通過(guò)分析圖2可得：1956年—1962年不顯著的上升趨勢(shì)，1963年—1997年不顯著的下降趨勢(shì)，1998年—2013年顯著的下降趨勢(shì)，與趨勢(shì)分析結(jié)果一致；圖中兩條曲線的交點(diǎn)從1997年—1999年，說(shuō)明這是突變開始的范圍。

從圖2、圖3和圖4中分析可以得出結(jié)論見表3。

從表3可以得出徑流、泥沙和降水的變化趨勢(shì)和突變時(shí)間點(diǎn)，但此時(shí)我們還需要確認(rèn)突變現(xiàn)象的產(chǎn)生是因?yàn)樨S枯年際變化而產(chǎn)生，而不是單純的氣象突變。

表3 M-K檢驗(yàn)結(jié)論表

本文使用均值差異T檢驗(yàn)的方法確定突變現(xiàn)象[16]。定義樣本長(zhǎng)度為N的序列的突變指數(shù)為：

(7)

式中：X1和S1基準(zhǔn)年前的時(shí)段M1的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；X2和S2為基準(zhǔn)年后時(shí)段面M2的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

定義統(tǒng)計(jì)量：

(8)

式中：M1和M2分別為前后兩段序列的樣本長(zhǎng)度；SP為聯(lián)合樣本差即：

(9)

式中：S1和S2分別為前后兩個(gè)時(shí)段序列的方差。該統(tǒng)計(jì)量τ給出一定的顯著水平，如τ>τα則在α的顯著水平上基準(zhǔn)點(diǎn)兩側(cè)有明顯差異，取這一區(qū)間中最大Ij的年份作為突發(fā)時(shí)間點(diǎn)。

對(duì)1996年—1999年進(jìn)行均值T檢驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表4 各項(xiàng)T檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)表4中的各統(tǒng)計(jì)量得年輸沙量有明顯的突變點(diǎn)位突變指數(shù)最大的一年為1999年，年徑流量和面平均降水量雖然在Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)中表現(xiàn)出有不同時(shí)間段上升下降的趨勢(shì)但在T檢驗(yàn)中沒(méi)有通過(guò)突變檢驗(yàn)。年徑流量和面降水量的突變只是氣候因素引起的。

4 水沙關(guān)系

將全部時(shí)間序列分為三部分1956年—1979年、1980年—1999年、2000年—1013年，分別繪出三個(gè)階段和全部系列的相關(guān)圖見圖5，并繪制1956—2013系列降水徑流雙累積關(guān)系線圖見圖6。

由圖5可得，在1956年—1979年之間輸沙與徑流的關(guān)系較好線性相關(guān)系數(shù)達(dá)0.78，也就是說(shuō)沙隨水走，水多沙多，水少沙少，而1980年以后線性關(guān)系越來(lái)越差，且輸沙與徑流的關(guān)系由正比趨勢(shì)逐漸向反比轉(zhuǎn)變，徑流量和輸沙量的相關(guān)關(guān)系由0.78變?yōu)?.17，在降水與徑流關(guān)系保持一致的狀態(tài)下，說(shuō)明了人類活動(dòng)對(duì)流域內(nèi)產(chǎn)沙影響很大，我們?cè)谶M(jìn)行分析或應(yīng)用時(shí)需要將徑流和輸沙分別計(jì)算。

5 結(jié)果與分析

在進(jìn)行了水沙年際變化和水沙趨勢(shì)分析得出：

(1) 降水量與徑流量相關(guān)性較好，說(shuō)明河流的主要補(bǔ)給來(lái)源還是降水；降水流量年際變化Cv值較小分別為0.16和0.21，表明流域氣候條件比較穩(wěn)定，年際變化較小。在氣候條件變化較小的環(huán)境下，輸沙量在整個(gè)時(shí)間序列中變化劇烈，且與徑流量關(guān)系較差，說(shuō)明人類活動(dòng)是造成輸沙量減少的主要因素。

(2) 從民和站觀測(cè)的輸沙量來(lái)分析得湟水的輸沙量隨時(shí)間序列有顯著的下降趨勢(shì)且在1999年有明顯的突變，從水沙相關(guān)性來(lái)分析近十年水沙相關(guān)性較差且輸沙量明顯減小，可能與長(zhǎng)期的河道治理和水土保持工作有關(guān)，但也可能與上游修建水庫(kù)和水電站及小型的私人河砂開采有關(guān)。