韓江干流潮安站泥沙變化分析

張郁坡

摘 要：研究了1951—2011年韓江干流潮安站泥沙的基本變化特征。結(jié)果表明，潮安站年輸沙量年內(nèi)分配不均，月際變化明顯，輸沙量主要集中在4—9月，且前汛期大于后汛期。1994年以后，由于上游多個(gè)梯級(jí)電站、水庫(kù)和樞紐的建成，年平均含沙量及年輸沙量呈現(xiàn)明顯減少的趨勢(shì)。M-K突變檢驗(yàn)顯示，2001年以后輸沙量快速減少。

關(guān)鍵詞：輸沙量；汛期；河床；水資源

中圖分類號(hào)：P333 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.078

1 流域概況

韓江流域位于粵東、閩西南地區(qū)，地理位置在東經(jīng)115°13′～117°09′，北緯23°17′～26°05′，是廣東省僅次于珠江流域的第二大流域。該流域包括廣東、福建和江西三省，干流全長(zhǎng)470 km（自河源至東溪口），落差920 m，平均坡度為0.4‰，流域面積為30 112 km2。梅江是韓江的主流，發(fā)源于廣東省紫金縣的七星崠，在三河壩與汀江匯合后，經(jīng)潮州市進(jìn)入韓江三角洲，分北、東、西溪出南海。

潮安水文站是國(guó)家重點(diǎn)基本水文站，其控制流域面積為29 077 km2，占總流域面積的96.6%，是韓江干流的控制站。本文通過(guò)1955—2011年潮安站的輸沙量資料，分析了韓江輸沙量的年內(nèi)、年際變化，可以為該流域河床變化、河沙開采及水資源的發(fā)展與合理利用提供一定的參考。

2 泥沙的年內(nèi)變化

2.1 分析方法

2.1.1 不均勻系數(shù)

不均勻系數(shù)Cu（Unevenness Coefficient）又稱變差系數(shù)，是反應(yīng)時(shí)間序列分配不均勻程度的一個(gè)綜合性指標(biāo)，能用于多種性質(zhì)的時(shí)間序列的分析研究，因其具有良好的時(shí)間空間可比性，在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。本文用來(lái)分析輸沙量年內(nèi)分布的不均勻性，其計(jì)算公式為：

式（3）中：Wsi 為第i個(gè)月輸沙量；WS為全年輸沙量。CI取值介于8.33～100.當(dāng)CI=8.33時(shí)，年輸沙量均勻地分配在12個(gè)月內(nèi)；當(dāng)8.3320時(shí)，輸沙量月際變化明顯；當(dāng)CI=100時(shí)，年輸沙量全部集中在一個(gè)月內(nèi)。

2.2 潮安站泥沙年內(nèi)變化情況分析

2.2.1 不均勻性分析和集中指數(shù)分析

通過(guò)式（1）（3）分別計(jì)算逐年Cu和CI值，并點(diǎn)繪逐年變化過(guò)程線，如果圖1所示。從圖1可以看出，潮安站輸沙量年內(nèi)分布的Cu值基本上都大于1，平均值為1.38，最大值為2.43（2007）；CI值均大于10，大部分年份大于20，平均值為25.1，最大值為57.5（2007）。由此可見，輸沙量月際變化明顯。

計(jì)算不同時(shí)間段輸沙量年內(nèi)分配系數(shù)Cu，并點(diǎn)繪逐時(shí)段變化過(guò)程線，如圖2所示。由圖2可知，1975—1984年的Cu值是最小的，之后逐漸變大。由此可見，潮安站輸沙量年內(nèi)分配不均勻現(xiàn)象越來(lái)越明顯。

2.2.2 泥沙月分配分析

圖3為潮安站各月輸沙量和徑流量的分布情況。從圖3中可以看出，與徑流的月分布相同，潮安站的輸沙量主要集中在4—9月，占全年輸沙量的87%以上，表現(xiàn)出該站泥沙年內(nèi)分布集中、極不均衡的特點(diǎn)。但相比徑流量的分布，沙量的分布更加不均勻，且出現(xiàn)了前汛期沙量大于后汛期的情況。

給定顯著性水平a，查正態(tài)分布表得到臨界值Ua，如果|UFk|>Ua，則表明序列存在明顯的趨勢(shì)變化。將所有UFk組成一條曲線C1，通過(guò)信度檢驗(yàn)可知其是否具有趨勢(shì)。同理，將此方法引用到反序列，將反序列Xn，Xn-1，…，X1表示為X1，X2，…，Xn，重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程，并使計(jì)算值乘以-1，得到UBk，其在圖中表示為C2。分析繪出的UF和UB曲線圖，如果UF或UB>0，則表明序列呈上升趨勢(shì)；如果UF或UB<0，則表明序列呈下降趨勢(shì)。當(dāng)其超過(guò)臨界值線（信度線）時(shí)，表明上升或下降的趨勢(shì)明顯。超過(guò)臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域。如果UF和UB出現(xiàn)兩線相交，且交點(diǎn)在臨界區(qū)域之內(nèi)，則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變開始的時(shí)間。

3.2 潮安站泥沙年際變化情況分析

3.2.1 年際變化趨勢(shì)分析

用M-K趨勢(shì)分析了1955—2011年泥沙序列。趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果表明，潮安站年平均含沙量和年輸沙量的Z值分別為-5.14和-3.91，Z的絕對(duì)值均大于2.32，表示通過(guò)了置信度99%的顯著性檢驗(yàn)。由此可見，潮安站年平均含沙量和年輸沙量減少的趨勢(shì)十分明顯。具體如表1所示。

繪制了潮安站年平均含沙量差積累計(jì)曲線，如圖4所示。在圖4中可以看出，1987年以前呈上升趨勢(shì)，1994年以后呈下降趨勢(shì)，原因?yàn)?0年代以后，韓江中上游多個(gè)梯級(jí)電站、水庫(kù)和樞紐建成，使上游來(lái)沙在區(qū)間沉積，大量泥沙被攔截，因此，韓江中下游含沙量及年輸沙量明顯減少。

3.2.2 年際變化突變檢測(cè)

利用Mann-Kendall法對(duì)潮安站的年輸沙量數(shù)據(jù)進(jìn)行了突變檢驗(yàn)，趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，潮安站的年輸沙量從1994年以來(lái)有明顯的減少趨勢(shì)，20世紀(jì)末，這種減少的趨勢(shì)通過(guò)了a=0.05的顯著性檢驗(yàn)，甚至通過(guò)了a=0.001的檢驗(yàn)。這表明潮安站的年輸沙量的減少趨勢(shì)是十分明顯的，再通過(guò)UFk和UBk兩條曲線的交點(diǎn)位置，可以確定年輸沙量的減少屬于突變現(xiàn)象，具體是從2001年開始的。其原因?yàn)?000年以后潮州供水樞紐的建設(shè)改變了水的流速，進(jìn)而影響了含沙量和年輸沙量。

3.2.3 輸沙量徑流量累積分析

水沙累積關(guān)系線表示的是徑流量與輸沙量的關(guān)系。如果流域的水沙關(guān)系發(fā)生系統(tǒng)變化，則水沙累積關(guān)系線上將出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折，即累積曲線斜率發(fā)生變化。潮安站徑流量輸沙量累積關(guān)系線點(diǎn)如圖6所示。

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，潮安站在1993年以前的累積關(guān)系線基本呈一條直線，表明輸沙量與徑流量的關(guān)系未發(fā)生系統(tǒng)變化；1994年以后，累積線偏向徑流量軸，表明1994年以后潮安站年輸沙量相比于徑流量出現(xiàn)了系統(tǒng)減少。

4 結(jié)論

河流泥沙的產(chǎn)生是降水徑流、自然地理因素和人類活動(dòng)等綜合作用的結(jié)果，泥沙的變化過(guò)程也是極其復(fù)雜的。通過(guò)本文的分析，韓江干流潮安站的年輸沙量月際變化顯明顯，輸沙量主要集中在4—9月，且前汛期大于后汛期。1994年以前，輸沙量與徑流量的關(guān)系是相對(duì)穩(wěn)定的；1994年以后，年輸沙量相比于徑流量出現(xiàn)了系統(tǒng)減少，這是因?yàn)?0年代以后，上游多個(gè)梯級(jí)電站、水庫(kù)和樞紐的建成攔截了部分泥沙。此外，上游河段的水土保持工作減少了泥沙的沖刷量，使潮安站年平均含沙量及年輸沙量呈現(xiàn)明顯減少的趨勢(shì)。M-K突變檢驗(yàn)顯示，2001年以后年輸沙量快速減少。

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〔編輯：張思楠〕