大凌河中下游近65a水沙演變及影響因素分析

劉曉哲

(遼寧河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

大凌河是遼寧省西部第一大河流，而遼寧西部屬于水土流失相對(duì)較為嚴(yán)重的區(qū)域，該區(qū)域中度侵蝕面積占遼寧全省中度侵蝕面積的66.7%[1]。遼寧西部也是遼寧省水資源相對(duì)短缺的區(qū)域，水少沙多使得大凌河流域的水沙變化一直是外界關(guān)注的熱點(diǎn)問題[2]。近些年來，針對(duì)大凌河水沙演變分析取得一定的研究成果[3- 10]，但這些研究大都集中在大凌河的中上游。大凌河中上游有宮山嘴、閻王鼻子以及白石水庫3座大型水庫，受大型水庫的調(diào)蓄作用影響，河道水沙發(fā)生明顯變化。但對(duì)于大凌河中下游水沙變化的研究還較少，大凌河中下游沒有大型水庫，因此水庫調(diào)蓄對(duì)河流水沙變化的影響相對(duì)較小，而一些研究成果表明大凌河中下游的水沙也發(fā)生較為明顯的變化[11- 15]，但由于缺少長系列的水沙觀測數(shù)據(jù)，大凌河中下游水沙變化還缺乏系統(tǒng)性研究。為此結(jié)合大凌河中下游2個(gè)重要控制水文站建站以來近65a的水沙實(shí)測數(shù)據(jù)，對(duì)大凌河中下游水沙變化進(jìn)行分析，從而為大凌河中下游水保措施下的水沙影響提供重要的分析依據(jù)。

1 研究方法

采用M-K非線性趨勢檢驗(yàn)方法對(duì)大凌河中下游水沙演變進(jìn)行趨勢檢驗(yàn)，該方法假定(x1，x2，…，xn)為獨(dú)立的時(shí)間數(shù)據(jù)序列，符合變量隨機(jī)同分布的原則，變量統(tǒng)計(jì)方程為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—統(tǒng)計(jì)變量；xi和x—檢驗(yàn)的水沙時(shí)間數(shù)據(jù)系列；σ—計(jì)算方差；sign—計(jì)算符號(hào)；n—樣本容量；Z—檢驗(yàn)值，Z為正值時(shí)表示水沙變化呈現(xiàn)遞增變化，Z為負(fù)值時(shí)表示水沙變化呈現(xiàn)遞減變化，Z的絕對(duì)值大于或等于2.32、1.64、1.28，其對(duì)應(yīng)的顯著檢驗(yàn)水平分別為99%、95%以及90%。

2 區(qū)域及資料概況

2.1 大凌河概況

以大凌河中下游為研究區(qū)域，義縣和凌海2個(gè)水文站為其中下游主要控制水文站，流域總的集水面積為23837km2，其中山區(qū)和平原的面積比例分別為98%和2%，主要為山區(qū)型地形。流域氣候?qū)儆跍貛喐珊敌停邓慷嗄昃翟?50mm左右，蒸發(fā)量較大，蒸發(fā)量多年均值為1700mm，屬于典型的干旱半干旱地區(qū)。流域植被覆蓋稀疏，受地表水流和降水沖刷綜合影響，區(qū)域水土流失較為嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)遼寧西部中度土壤侵蝕占全省中度土壤侵蝕的面積比例高達(dá)66.5%。在大凌河的中上游有宮山嘴、閻王鼻子以及白石3座大型水庫，流域內(nèi)10km2以上的一級(jí)支流112條、二級(jí)支流206條、三級(jí)支流172條、四級(jí)支流32條、五級(jí)支流4條。流域面積為1000～5000km2的河流有5條，流域面積為100～1000km2的河流有61條，流域面積為50～100km2的河流有55條，流域面積為10～50km2的河流有405條。流域水系如圖1所示。

圖1 大凌河流域水系圖

2.2 資料情況

以大凌河中下游的義縣和凌海2個(gè)水文站為研究站點(diǎn)，站點(diǎn)概況見表1。根據(jù)2個(gè)站點(diǎn)1956—2016年近65a的水沙數(shù)據(jù)，對(duì)大凌河中下游水沙演變特征進(jìn)行分析。在進(jìn)行分析前，對(duì)2個(gè)水文站點(diǎn)的流量和含沙量數(shù)據(jù)進(jìn)行了一致性、代表性以及可靠性的檢驗(yàn)，對(duì)于部分年份缺測數(shù)據(jù)進(jìn)行了插補(bǔ)處理。

表1 選取的站點(diǎn)概況

3 成果與討論

3.1 年水沙演變過程

根據(jù)大凌河中下游凌海和義縣水文站1956—2016年的徑流和含沙量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了其年徑流量和年輸沙量的變化過程，如圖2—3所示。

并采用M-K趨勢檢驗(yàn)方法對(duì)義縣和凌海水文站近65a的年徑流和年輸沙量的變化趨勢進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表2。

表2 大凌河中下游水沙變化趨勢檢驗(yàn)結(jié)果

從大凌河中下游的義縣和凌海水文站年徑流量和年輸沙量變化過程進(jìn)行分析，從圖2—3中可看出，2個(gè)水文站的年徑流量和年輸沙量呈現(xiàn)明顯的遞減變化，其中凌海站的水沙下降最為顯著，義縣和凌海2個(gè)站年徑流量和年輸沙量的下降率均在8%左右。從2個(gè)站水沙變化趨勢檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，2個(gè)站水沙遞減的趨勢均可通過95%的顯著性檢驗(yàn)。

3.2 年代際水沙演變過程

在大凌河中下游年水沙變化分析的基礎(chǔ)上，對(duì)義縣和凌海水文站1956—2016年各年代際的徑流和輸沙量變化過程進(jìn)行分析，結(jié)果見表3—5。

從大凌河中下游義縣和凌海水文站的各年代際徑流量和輸沙量的變化情況可看出，2個(gè)站點(diǎn)年代際水沙變化和年水沙變化具有相似性，總體均呈現(xiàn)遞減變化，2個(gè)站點(diǎn)各年代水沙變化也具有一定的同步性，均從20世紀(jì)80年代后遞減率顯著增加，相比于20世紀(jì)70年代，20世紀(jì)80年代后年代沙水沙遞減率高于15%。此外輸沙量的變化率要明顯高于各站點(diǎn)徑流量的變化率，大凌河中下游進(jìn)入2000年后，義縣和凌海站的年代際輸沙量遞減率高于40%。從表5各年代際降水量可看出，大凌河中下游降水量年代際變化幅度要明顯低于徑流量和輸沙量的變化幅度，各年代際義縣和凌海2個(gè)站降水量遞減率低于10%。因此人類活動(dòng)對(duì)于大凌河中下游水沙演變的影響要明顯高于降水的影響。

圖2 大凌河中下游年徑流量變化

圖3 大凌河中下游年輸沙量變化

表3 大凌河中下游不同年代際徑流量變化分析結(jié)果 單位：108m3

表4 大凌河中下游不同年代際輸沙量變化分析結(jié)果 單位：104t

表5 大凌河中下游不同年代際降水量變化分析結(jié)果 單位：mm

圖4 大凌河中下游徑流-輸沙量雙累積曲線

3.3 水沙演變突變特征分析

根據(jù)義縣和凌海站的徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)，對(duì)其徑流量-輸沙量的雙累積曲線進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖4所示。

河流水沙的系統(tǒng)變化特征可由站點(diǎn)的水沙累積曲線進(jìn)行反映，當(dāng)水沙演變的影響因素為降水時(shí)，曲線的斜率不發(fā)生變化，而當(dāng)水沙演變影響因素為人類活動(dòng)時(shí)，水沙累積曲線將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)折年份一般為受人類活動(dòng)影響的年份。從圖4中可看出，義縣站和凌海站水沙累積曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)均為1980年，大凌河中下游從20世紀(jì)70年代開始進(jìn)行退耕還林(草)的水土流失治理，流域下墊面的變化使得大凌河中下游水沙累積曲線有所偏轉(zhuǎn)。

3.4 年降水量-年徑流量以及年降水量-年輸沙量相關(guān)分析

根據(jù)義縣和凌河水文站實(shí)測流量和輸沙量數(shù)據(jù)，建立不同年代際降水-徑流以及降水-輸沙量的回歸方程，并對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如圖5—6所示，見表6—7。

表6 大凌河中下游不同年代際年降水量-年徑流量回歸方程

從大凌河中下游義縣和凌海2個(gè)水文站點(diǎn)年降水量-年徑流量和年降水量-年輸沙量不同年代的散點(diǎn)圖可以看出，在相同降水條件下各年代的徑流量和輸沙量明顯減少，各站點(diǎn)年降水量-年徑流量和年降水量-年輸沙量的散點(diǎn)主要分布在1979年基準(zhǔn)期以下，表明同一降水量下，大凌河中下游從20世紀(jì)80年代開始水沙能力有所遞減。降水對(duì)大凌河中下游的徑流量和輸沙量的影響度降低，使得1980年以后不同年代際的年降水量-年徑流量和年降水量-年輸沙量回歸方程的斜率有所減小。

圖5 大凌河中下游年降水量-年徑流量相關(guān)散點(diǎn)圖

圖6 大凌河中下游年降水量-年輸沙量相關(guān)散點(diǎn)圖

表7 大凌河中下游不同年代際年降水量-年輸沙量回歸方程

從建立的義縣站和凌海站的不同年代的年降水量-年徑流量和年降水量-年輸沙量回歸方程中可看出，從20世紀(jì)80年代開始，各回歸方程的決定系數(shù)隨著年份的增加而逐步遞減，顯著性水平也有所減弱。通過以上分析表明大凌河中下游水沙變化主要受水保退耕還林(草)措施的影響。

3.5 演變?cè)蛱接?/h3>

在前面的研究中可看出，水土保持措施是大凌河水沙演變變化的主要因素，為此根據(jù)大凌河中下游水土保持措施治理面積(見表8)，對(duì)大凌河水沙演變的原因進(jìn)行探討。

從表8中可以看出，大凌河中下游從1980年開始其水土保持治理面積每5a的遞增比例可達(dá)到65%左右。大凌河流域從1995年起成為全國水土流失治理試點(diǎn)流域，水土治理的面積逐步擴(kuò)大。2000年開始大凌河中下游流域水土流失治理的面積比例相比于20世紀(jì)90年代增幅高達(dá)105.2%。據(jù)統(tǒng)計(jì)大凌河中下游水土流失治理面積在2000—2015年達(dá)到29.2萬hm2，大規(guī)模的退耕還林還草以及淤地壩的建設(shè)是大凌河中下游水沙銳減的主導(dǎo)因素。上游白石和閻王鼻子2座大型水庫的調(diào)蓄作用也是其水沙演變的一個(gè)重要因素。此外，2000年

表8 大凌河中下游水土保持措施治理面積 單位：hm2

以后大凌河中下游人口經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也使得流域內(nèi)的用水量增多、河道內(nèi)的水量有所減少。

4 主要結(jié)論

(1)由于植被覆蓋度的增加，大凌河中下游相同降水條件下的產(chǎn)水產(chǎn)沙能力明顯減弱， 使得其進(jìn)入河道的水量和沙量銳減，此外上游大型水庫的調(diào)蓄影響，也是其水沙下降變化的一個(gè)因素。

(2)由于河道內(nèi)水量的減少，因此建議盡量減少直接取用河道內(nèi)的水量，增加開發(fā)中水回用和外調(diào)水的取用水方案的實(shí)施，從而滿足流域內(nèi)的用水需求。

(3)在后續(xù)的研究中還需要對(duì)不同類型水土保持治理措施下的水沙影響度進(jìn)行定量分析，從而為優(yōu)化區(qū)域水土保持措施提供依據(jù)。