淮河流域蚌埠站水沙短周期變化趨勢(shì)分析

黃宇靖，張?jiān)品?b，徐 雅,b

(鹽城師范學(xué)院 a.城市與規(guī)劃學(xué)院; b.江蘇沿海開發(fā)研究院,江蘇 鹽城 224007)

0 引 言

重要的地表過(guò)程主要表現(xiàn)有流域水沙的變化，其中陸海相互作用研究的重要組成部分是河口三角洲的響應(yīng)以及河流沉積物的產(chǎn)生和運(yùn)移。自上世紀(jì)60年代后，我國(guó)河流面臨的主要問(wèn)題是沉積物的減少，趨勢(shì)下降得尤為顯著[1-2]。由于氣候、地理環(huán)境和人類活動(dòng)等因素，淮河流域經(jīng)常發(fā)生洪澇災(zāi)害，對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要影響?；春恿饔蚋采w河南、湖北、安徽、江蘇和山東5個(gè)省，流域面積約27×104km2。水資源安全問(wèn)題關(guān)系到一個(gè)國(guó)家和社會(huì)的發(fā)展與穩(wěn)定，當(dāng)前我國(guó)對(duì)外合作進(jìn)行的“一帶一路”建設(shè)需要確保水資源安全[3]?；春恿饔蛑邢掠蔚慕K省在生態(tài)文明建設(shè)的指引下，不斷探索區(qū)域統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的流域綜合治理[4]。蚌埠站和臨沂站的水量和沉積量是分析淮河流域水沙變化趨勢(shì)的代表站點(diǎn)[5-6]。基于臨沂站的水沙變化趨勢(shì)已有相關(guān)研究成果[7]。因此，本文利用淮河流域蚌埠站的水文監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)水沙變化的短期波動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行分析。

1 研究方法

一般采用時(shí)間序列分析的方法來(lái)研究水和沉積物的短期變化。由于線性傾向估計(jì)法以及平滑預(yù)測(cè)法具有顯著性的優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用，一是能夠揭示出定性的變化趨勢(shì)，二是可以顯著性地檢驗(yàn)結(jié)果[8]。

1.1 線性傾向估計(jì)法

建立xi和ti的回歸方程：

式中：xi為樣本大小n；ti為對(duì)應(yīng)于xi的時(shí)間；a為回歸常數(shù)；b為回歸系數(shù)，變量趨勢(shì)由符號(hào)正負(fù)表示。當(dāng)b>0時(shí)，表示x隨時(shí)間t的增加而增加；而當(dāng)b<0時(shí)，表示x隨時(shí)間t的增加而增加減少趨勢(shì)。a和b可以通過(guò)最小二乘法估計(jì)。

1.2 平滑預(yù)測(cè)法

隨著時(shí)間的推移，變化的趨勢(shì)變得更加明顯，因?yàn)閿?shù)據(jù)通常以平滑的預(yù)測(cè)方式處理，以消除機(jī)會(huì)因素對(duì)變量的影響。

如果時(shí)間序列是y1,y2,…,yn，則下一時(shí)段(t+1)的預(yù)測(cè)值如下：

2 結(jié)果分析

本文涉及的淮河水文觀測(cè)站水沙變化特征的物理定義如下：在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)流域單位面積內(nèi)水量即指徑流量，通常用立方米(m3)為單位；在單位的時(shí)段內(nèi)通過(guò)河流某斷面的泥沙重量稱為該時(shí)段河流的輸沙量，通常以千克(kg)或噸(t)為單位；在一定體積的含有泥沙的渾水中所含的干沙的質(zhì)量即指含沙量，通常以千克/每立方米為單位(kg/m3)，有時(shí)用克/每立方厘米為單位(g/cm3)；河流某斷面以上一定面積上所輸移的泥沙數(shù)量即指輸沙模數(shù)，通常以噸/平方公里·年為單位(t/km2·y)。

2.1 水沙輸運(yùn)通量

根據(jù)目前統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)來(lái)看，淮河蚌埠水文站水沙存在一定的特征變化，見圖1。年徑流量的水量約在180×1012～640×1012m3之間，從局部看來(lái)，年徑流量的起伏變化比較大，其中在2002-2003年之間年徑流量有明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，年徑流量于2003年達(dá)到最大值，但在2003-2011年之間，年徑流量又迅速下降且于2011年降至最低。年輸沙量大約集中在110×104～797×104t之間，且年輸沙量在2011-2013年突然發(fā)生變化。年平均含沙量在0.05～0.21 kg/m3左右，但在2011和2015年平均含沙量突然發(fā)生巨大的變化，在2011年降至歷史最低又于2015年到達(dá)最高峰，最高達(dá)0.24 kg/m3，其余年份的含沙量波動(dòng)較為正常。年輸沙模數(shù)約在10～70 t/y·km2之間，但年輸沙模數(shù)在2011-2013年發(fā)生突變，其中2011年年輸沙模數(shù)達(dá)到最小值。

2.2 水沙變化趨勢(shì)

在線性分析和移動(dòng)平均分析及預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，繪制出淮河流域蚌埠水文站各種水沙變化特征趨勢(shì)曲線，見圖2，它們都具有5年為一個(gè)半周期循環(huán)的趨勢(shì)變化。2005-2010是第一個(gè)5年，2010-2015是第二個(gè)5年。從整體看來(lái)，這些具有代表性的水沙特征量都趨于下降趨勢(shì)。其中，輸沙量隨著時(shí)間的變化呈現(xiàn)較快下降趨勢(shì)，輸沙模數(shù)隨著輸沙量的變化也呈現(xiàn)較快下降趨勢(shì)，而徑流量與含沙量卻呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。究其原因，可能是：①輸沙能力的減弱源于河流的年徑流量下降；②大型水庫(kù)或淤地壩的攔沙效率遠(yuǎn)大于攔水效率；③人為活動(dòng)的影響；④植被覆蓋率增加[9]。

圖1 淮河流域蚌埠站水和沉積物變化量Fig.1 Water and sediment changes in the Huaihe River Basin

圖2 淮河蚌埠站水沙變化線性傾向估計(jì)分析和平滑預(yù)測(cè)Fig.2 The linear regression and smoothing forecasting method about water-sediment variation based on Bengbu hydrologic in Huaihe River basin

2.2.1 含沙量變化趨勢(shì)

根據(jù)蚌埠站的水文數(shù)據(jù)來(lái)看，該站的年平均含沙量常年達(dá)到0.1 kg/m3以上，并且在個(gè)別年份達(dá)到0.2 kg/m3以上，在2015年的數(shù)據(jù)上，該站的年平均含沙量達(dá)到歷年以來(lái)的最高，達(dá)到0.24 kg/m3的危險(xiǎn)含沙量。這些數(shù)據(jù)引起蚌埠水文站的高度注意，當(dāng)?shù)卣膊扇×讼鄳?yīng)措施，在接下來(lái)的幾年里，將含沙量重新控制到一個(gè)安全的水平。不過(guò)蚌埠的水體含沙量仍然處于一個(gè)較高的水平，對(duì)于含沙量的檢測(cè)仍然是重點(diǎn)控制對(duì)象[10-11]。蚌埠的水體含沙量呈現(xiàn)出波動(dòng)下降趨勢(shì)，大體為每5年一個(gè)半周期。由于水土流失等原因，含沙量在2010-2015年間出現(xiàn)上升現(xiàn)象。雖然含沙量整體是下降趨勢(shì)，但如果不進(jìn)行人為的把控，那么很可能在未來(lái)的某一年就會(huì)出現(xiàn)降雨量與含沙量同時(shí)大幅上漲的情況產(chǎn)生。因此，要控制好蚌埠水體含沙量的上漲趨勢(shì)，及時(shí)測(cè)算水利工程的抗壓程度，做好萬(wàn)全的打算，不要讓水體出現(xiàn)無(wú)法預(yù)料的危險(xiǎn)局面[10]。

2.2.2 輸沙量變化趨勢(shì)

根據(jù)輸沙量數(shù)據(jù)圖來(lái)看，蚌埠的總體輸沙量還是呈現(xiàn)一個(gè)整體下降的趨勢(shì)，這也得益于當(dāng)?shù)卣墓芸卮胧沟媒畮啄陙?lái)該流域的水體含沙量不斷減少。但即使這樣，該河的水體含沙量也不能說(shuō)就一定會(huì)處于安全的狀態(tài)，個(gè)別年份的含沙量極端變化仍然需要我們?nèi)プ⒁狻Ｄ昶骄斏沉康闹鹉杲档鸵舱f(shuō)明沿河地區(qū)的水土流失的預(yù)防取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，同時(shí)也應(yīng)該注意到在水體含沙量降低后，河內(nèi)水生生物的生存情況。因?yàn)樵谀承┣闆r下，水土流失的多少也代表著該河流域內(nèi)水生生物攝入營(yíng)養(yǎng)的多少，不能一味地關(guān)注水土流失而忽視了流域內(nèi)的生態(tài)平衡[12]。

3 結(jié) 論

1) 從水和沉積物輸送通量的角度來(lái)看，年徑流量、年輸沙量、含沙量和輸沙模數(shù)整體變化不大，趨于平穩(wěn)。但年輸沙量在2011-2013年發(fā)生變化，含沙量在2011和2015年發(fā)生變化，輸沙模數(shù)在2011-2013年發(fā)生變化。

2) 從水和沉積物的變化趨勢(shì)可以看出，這些特征量都呈下降趨勢(shì)。但其中輸沙量和輸沙模數(shù)隨時(shí)間變化呈較快下降趨勢(shì)，而徑流量與含沙量呈較慢下降趨勢(shì)。

3) 在水沙周期性方面，年平均輸沙量、徑流量、泥沙濃度和輸沙系數(shù)均為5年半周期。河流水沙的變化受到地理環(huán)境的影響，尤其是氣候和降水的影響。但是隨著人類活動(dòng)日趨頻繁，對(duì)河流水沙的影響越來(lái)越大。