太子河水沙多年變化規(guī)律及驅(qū)動因素分析

張 陽

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

1 河流概況

太子河發(fā)源于新賓縣紅石砬子山，地處東經(jīng)122°26′～124°53′、北緯40°29′～41°39′，河長413km，總面積為13883km2，主要有小湯河、清河、五道河、細(xì)河、南沙河、三道河、臥龍河等支流，流經(jīng)營口、撫順、鞍山、本溪、遼陽等5個城市。結(jié)合水利普查有關(guān)資料，太子河于海城市三岔河匯入渾河，屬于渾河的一級支流。流域內(nèi)年均降水量為700～800mm，其中70%～80%降水集中于6—9月的汛期；平均濕度為70%；年均氣溫為5～9℃；年均蒸發(fā)量為1100～1700mm，空間尺度上呈現(xiàn)出自東南向西北逐漸上升的趨勢。太子河上的葠窩水庫以上流域具有植被良好、森林茂密、山嶺連綿、地勢陡峭等特征，該河段占全流域的60%；遼陽至葠窩水庫區(qū)間為低山丘陵地帶，此河段植被覆蓋少、人口密集且地勢較緩，土壤侵蝕問題突出；遼陽以下河流坡度緩、斷面淺、河道彎曲，河流泄洪能力差，極易引起洪澇災(zāi)害，該河段地勢低屬于平原區(qū)[1- 6]。

當(dāng)前，對于太子河流域水沙變化及其驅(qū)動原因的研究較少，還沒有形成明確的結(jié)論，但可預(yù)見水沙變化對下游流域及太子河河道產(chǎn)生極大的影響，同時也會改變河流的水生態(tài)條件。鑒于此，文章選取太子河流域為研究對象，對1973—2011年太子河干流遼陽水文站水沙變化規(guī)律運用EMD經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法、Pettitt法、Mann-Kendall檢驗法分析，通過分析人類取水?dāng)r沙、土地利用及氣候變化的影響，探究驅(qū)動太子河水沙變化的因素，為流域水環(huán)境治理、水土保持規(guī)劃、重大水利工程布局及水資源開發(fā)利用提供科學(xué)指導(dǎo)。

2 研究方法

2.1 EMD經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解

文章選擇EMD經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法對徑流泥沙周期規(guī)律進(jìn)行識別，其主要原理是以不同時間尺度的局部特征數(shù)據(jù)序列分解平穩(wěn)化處理后的信號，IMF本征模函數(shù)即為每個分解量。將序列x(t)的局部極小值與極大值利用三次樣條函數(shù)擬合下、上包絡(luò)線，然后從原序列中減掉兩個包絡(luò)線的均值m1(t)，由此可以獲取一個新序列h1(t)，即

h1(t)=x(t)-m1(t)

(1)

IMF本征模函數(shù)應(yīng)滿足局部最大值與最小值包絡(luò)的均值為零以及過零點、極值點數(shù)目相等或最多相差一個的要求，為滿足這兩個條件可以限制標(biāo)準(zhǔn)差SD：

(2)

標(biāo)準(zhǔn)差SD的取值區(qū)間為0.2～0.3，按照以上方法多次反復(fù)運算直至輸出符合條件的c1(t)，從原序列x(t)中分離以上確定的IMF分量，從而構(gòu)造新序列r1(t)，即

r1(t)=x(t)-c1(t)

(3)

根據(jù)以上流程對構(gòu)造的新序列再次處理，由此可以確定新的IMF，多次反復(fù)運算直至剩余序列為單調(diào)函數(shù)或無研究價值，最終輸出一個趨勢項rn(t)和一系列IMF分量ci(t)：

(4)

2.2 能量與權(quán)值計算

引入波動運動的能量概念探究各IMF對數(shù)據(jù)序列的貢獻(xiàn)程度，振幅的平方與能量存在正相關(guān)性，設(shè)定X=Acosωt，對其進(jìn)一步分解后有

(5)

采用公式(5)和前文輸出的各IMF振幅、周期可以求解出能量，各IMF平均能量值等于相加平均后的數(shù)值，各IMF所占的能量權(quán)重即為平均總能量中各IMF平均能量所占的比例。

3 水沙變化規(guī)律及周期識別

3.1 年際變化趨勢

太子河干流遼陽水文站水沙量統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。由表1可知，太子河大部分時段的年來沙量、年來水量變化具有較好的同步性，除個別年份外其變化趨勢比較統(tǒng)一。來沙量與來水量的多年平均值分別為1.96×104t、12.15×108m3，變化幅度依次為0.35×104～5.12×104t、3.15×108～20.58×108m3，多年來呈非平穩(wěn)波動態(tài)勢，序列具有較大的變化。結(jié)合M-K檢驗可知，來沙量與來水量的變化斜率分別為-0.04、-0.12，二者均表現(xiàn)出減少趨勢，并且呈顯著減少趨勢的為來沙量；根據(jù)變差系數(shù)值，來沙量的年際變化相對于來水量更加劇烈。

表1 1973—2011年遼陽水文站水沙量統(tǒng)計數(shù)據(jù)

來水量與來水量的突變檢測值如圖1所示。由圖1可知，太子河流域遼陽站1999年、2001年的來沙量與來水量統(tǒng)計值最大，變化趨勢達(dá)到顯著性水平；通過分析距平累積圖發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)90年代中后期來沙量和來水量達(dá)到峰值后，經(jīng)歷了較長時期的下降趨勢，由此可認(rèn)為導(dǎo)致徑流泥沙突變的主要原因為20世紀(jì)90年代中后期水沙的大幅度變化。突變前后兩個時段的來沙量多年均值分別為5.71×104、3.68×104t，來水量多年均值分別為12.03×108、8.96×108m3。

圖1 太子河來沙量與來水量突變檢測值

3.2 周期識別

通過能量權(quán)重計算以及對太子河遼陽水文站1973—2011年來沙量、來水量的EMD分解，最終可以輸出一個Res項和4個IMF分量如表2、圖2所示。結(jié)果顯示：①IMF1波動周期下年來沙量與年來水量的主周期均為2年，能量權(quán)重依次為32%、36%，兩者權(quán)重占據(jù)主導(dǎo)地位；相對于IMF1的波動IMF2變得較為緩和，年來沙量、年來水量的波動周期以3年和6年為主，年來水量波動出現(xiàn)了短暫的3年周期。年來沙量和年來水量的IMF3、IMF4波動周期分別以11、18年和15、35年為主。②結(jié)合Res項輸出結(jié)果，研究期間年來水量總體呈減少趨勢，20世紀(jì)90年代之前年來沙量出現(xiàn)小幅度的上升，而在后期出現(xiàn)顯著的下降。③相對于20世紀(jì)90年代中期之前年來沙量、年來水量的IMF波動幅度均發(fā)生改變，年來沙量的IMF1、IMF2和年來水量的IMF1振幅呈下降趨勢，從IMF3、IMF4振幅的角度來看，年來水量呈增大趨勢，研究時區(qū)內(nèi)周期尺度未發(fā)生改變。

圖2 EMD分解量與原始數(shù)據(jù)

表2 年來沙量和來水量能量權(quán)重及IMF周期

3.3 徑流泥沙演變驅(qū)動因素

(1)氣候變化。統(tǒng)計整理太子河干流遼陽氣象站的蒸散發(fā)、氣溫及降水?dāng)?shù)據(jù)，如圖3所示。根據(jù)圖3可知，1973—2018年太子河流域年均降水量為508.20～843.81mm，年均蒸發(fā)量為1022.85～1740.28mm，年均氣溫為5.26～9.06℃。5年滑動年降水量曲線未出現(xiàn)明顯的改變，變化過程較為平緩，通過M-K檢驗計算出相應(yīng)的統(tǒng)計值為-0.105，可見太子河流域1973—2018年的降水呈波動減少趨勢，且降低幅度不顯著。1990年后蒸發(fā)量與氣溫均呈上升趨勢，其中1973—1990年、1990—2018年的平均氣溫分別為5.26～7.04℃和7.51～9.06℃，年均蒸發(fā)量依次為1022.85～1392.77mm、1165.71～1740.28mm，1990年前后的年均蒸發(fā)量和氣溫均明顯增大；通過M-K檢驗計算，蒸發(fā)量、氣溫的統(tǒng)計值分別為0.81、5.12，由此表明，太子河流域1973—2018年的氣溫明顯上升，而蒸發(fā)量上升趨勢不顯著。因此，泥沙明顯減少受降水因素的影響較低，而與徑流減少和氣溫上升帶動蒸發(fā)量增加密切相關(guān)[7- 8]。

圖3 太子河干流遼陽站蒸散發(fā)、氣溫和降雨量年際變化

(2)土地利用變化。1990、2005、2018年太子河流域土地利用類型變化見表3，由表3可知，草地與耕地為太子河流域主要用地類型，耕地與草地面積在1990、2005、2018年占比依次為87.29%、87.61%、86.72%。在土壤保持方面，耕地利用類型的效果極差，研究期間耕地面積呈小幅下降趨勢，減少了77.75km2，草地面積總體呈先增加后減少的趨勢，2005年較1999年增加了55.54km2，但總體未發(fā)生明顯的改變。在經(jīng)過兩個時期變化后，蓄水保土能力較好的林地面積增加了97.18km2。研究期內(nèi)，人類用地面積表現(xiàn)出先急劇增大后緩慢下降的趨勢，總體增大了148.55km2，而未利用土地面積呈不斷下降趨勢，水域面積變化幅度較少[9- 11]。

表3 1990—2018太子河流域土地利用類型

自1990年建設(shè)實施的退耕還林工程對太子河流域來沙量、來水量產(chǎn)生了不同程度的影響。較徑流量而言，泥沙減少幅度更加顯著，隨著沿河退耕還林面積的增加，太子河泥沙含量不斷減少，退耕還林面積相比降水侵蝕對泥沙量的影響更加顯著。

(3)人類活動用水變化。根據(jù)收集的統(tǒng)計資料、水資源公報、水利發(fā)展統(tǒng)計公報以及水資源開發(fā)利用調(diào)查評價等，在扣除地下水量的條件下計算出太子河遼寧省境內(nèi)人類活動耗水量，結(jié)果見表4。由表4可知，1973—2018年人類活動所消耗的太子河流域水資源量呈不斷增大趨勢，總耗水量從1973年的0.98×108m3逐漸增大至2000年的2.75×108m3，年均增長量為0.07×108m3。太子河來水量的減少進(jìn)一步增大了耗水量占水資源總量的比例，由于2004年、2012年社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使得耗水量持續(xù)顯著增大，最終達(dá)到4.12×108m3，較最初值增加了3.14×108m3，由此表明，太子河來水量減少受人類活動而引起的耗水量增加的影響較為顯著。

表4 不同年代遼陽站以上流域總耗水量

(4)淤地壩工程。借鑒水利建設(shè)相關(guān)資料，整理統(tǒng)計太子河流域具有攔沙功能的淤地壩的攔沙量見表5。根據(jù)表5可以看出，截至2018年，太子河流域具有攔沙功能的中小型壩有720座、骨干壩有385座，其中骨干壩中已經(jīng)淤積的庫容有8246×104m3，因此這些淤地壩將進(jìn)一步對太子河流域泥沙發(fā)揮攔截作用，骨干壩、中小型壩的年攔沙量達(dá)到0.072×108t和0.040×108t，由于計算過程中未考慮淤滿的壩地，所以實際攔截的泥沙量較計算值更大；同時，針對淤地壩的控制范圍內(nèi)的溝坡滑塌、溝床下切等現(xiàn)象，未來將進(jìn)一步得到改善，在不出現(xiàn)潰壩的情況下淤滿的淤地壩還是可以發(fā)揮抗蝕功能。所以，在減少太子河泥沙方面淤地壩也發(fā)揮著一定的作用。

表5 太子河淤地壩攔沙量

4 結(jié)論

(1)多年來太子河來沙量、來水量均呈現(xiàn)除波動下降的變化特征，突變時間點分別為1999年和2001年，在數(shù)量上突變前后的來水來沙量的減少幅度交代。

(2)通過分析降水與水沙變化差異發(fā)現(xiàn)，徑流量減少主要受上游人類耗水量增大的影響，而水沙明顯下降受降水變化的影響較低，此外，淤地壩建設(shè)及退耕還林工程的實施也在一定程度上減少泥沙量。