論河道水沙變化特征分析的方法

林文博（河南省濟源水文水資源勘測局，河南濟源 454650）

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論河道水沙變化特征分析的方法

林文博
（河南省濟源水文水資源勘測局，河南濟源 454650）

【摘要】我國北方水沙關系不協調情況日益突出，其治理的主要難題在于徑流和泥沙關系的處理。近50年來，由于氣候變化及工程類的開發，許多河流水沙關系加劇惡化，因此，從深層次上揭示水沙關系的機理、特點和工程對水沙的影響是水沙研究的首要任務。對于水沙的時空演變特征的研究，對河流的治理開發意義重大。

【關鍵詞】河流泥沙 水文方法 Mann-Kendall檢驗法 小波分析

1 我國河流泥沙現狀

我國是水土流失最嚴重的國家之一，水土流失面積占我國總面積的38%以上，大量的水土流失不僅造成土壤退化嚴重，而且也使得河流泥沙含量變大，全球多年平均輸沙量大于100×106t的河流有25條，中國就有9條。這些泥沙在中下游江河湖泊的淤積與近年來頻發的大范圍洪澇有直接關系。

近年來.我國各流域洪水災害普遍出現“小流量高水位”的現象，同流量下水位不斷抬升，并呈逐年加重趨勢。小水大災、災害頻率加劇，損失重大。事實說明，除人類活動影響及防洪意識、防洪工程建設和防洪管理等方面依然欠缺外，泥沙問題是加劇洪水災害的直接原因。河流具有輸沙能力，水流、泥沙交織在一起，相互關聯，相互依存，突出表現為大區域內泥沙輸移規律改變引起不適當位置的累積性沖淤。人們通常只認識到洪水災害的嚴重性，卻常常忽視泥沙對洪水等自然災害的影響，其實，泥沙輸移是造成河道行洪能力惡化的主要因素。河流是一個動態的反饋系統，河床和水流以泥沙為中介互相作用，河流局部水沙條件變化時，容易導致泥沙輸移狀態的改變，從而引起河流內更大范圍水沙狀態的調整，甚至促成和加劇洪水災害。而且，泥沙具有累積效應，由于近年來植被破壞、氣候變化等影響，流域生態環境惡化，水土流失嚴重，使得泥沙輸移狀態更容易誘發并加劇洪災。從目前來看，河道、水庫泥沙已經成為制約經濟發展的難題之一，是我們面臨的一大科學難題，因此，要更近一步的揭示水沙關系的特征以及求相應的解決方法是泥沙研究的第一步。對水沙的時空演變特征的研究，對有效應對區域、流域水沙帶來的災害問題有著重要的意義。

2 水文學研究水流沙的方法

水沙關系具有豐富的內涵和外延，涉及到水文學、水力學、地理地貌學及社會經濟學等多學科的交叉問題。由于我國水土流失比較嚴重，近年來因泥沙輸移變化引起江河水沙災害加劇的現象也越發嚴重，開展水沙相關規律研究，無論在理論上還是在實際應用中，對保護生態環境、防洪減災及河道科學利用都具有十分重要的意義。

20世紀后期以來，由于氣候變化、大型水利工程修建、城市工農業生活用水的增加及水土保持措施等因素影響，對水資源利用迅速增加使得許多河道來水來沙變化過程更加復雜。研究河段水沙變化特征及原因，對于揭示該河段水沙變異和河床演變機理十分必要。

首先，使用Mann-Kendall檢驗法分析各站點水沙變化趨勢及突變點，Mann-Kendall檢驗法是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數檢驗方法，該檢驗方法不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，適用于水文、氣象等非正態分布的數據，計算簡便，可分析徑流、輸沙量等要素的趨勢變化；利用線性回歸法進行趨勢分析，并進行顯著性檢驗。

然后，對于變化周期的研究中，水文學研究的對象一般是與時間序列緊密相關的實際觀測資料，如降雨、徑流、蒸發等。水文資料本身具有復雜性和不確定性等特點，同時水文又是一種自然現象，所能觀測搜集到的資料相對較少，信息量十分有限。常規方法很難對其發展變化規律進行細致入微的分析。小波分析的出現，以其多分辨率的特性，擴展了學術研究的范圍，不僅可以大體上把握數據系列的變化趨勢，而且能夠對其細節進行深入分析，充分挖掘其蘊含的信息與規律。2005年，王文圣、黃偉軍、丁晶提出水文時間序列分維數的估計方法，該方法以連續小波變換的理論基礎，研究結果表明該方法是可行的。

總之，小波分析的出現及其與各種現代理論和方法的結合，從多方面揭示水文系統的變化規律，從而為水資源的合理配置、水庫的運行調度、水文分析計算、水文循環規律等提供了更多的指導和依據。

3 兩種方法取得的成果

河流水沙關系的變化是反映流域的生態環境特征、水土流失的程度及人類活動變化的指標，河流水沙變化對流域經濟、社會發展都具有十分重要的影響。通過Mann-Kendall檢驗法可以針對某一條河流分析出輸沙率較大的地段，然后進行調整使水沙關系相協調以及輸沙量的突變時間節點，小波分析方法的應用可以判斷出河流是否有多時間尺度特，輸沙量的長周期比徑流量周期相比較，判斷出水、沙周期的規律和關系，從而科學的處理徑流和泥沙的關系。

總之，河道泥沙也需要從經濟學和管理學方面研究，綜合性的對河道進行科學有效分析，對水沙的時空演變特征的研究，對河道的治理開發意義重大。使河道實現可持續管理，使河道防洪、排澇、灌溉、供水等功能正常發揮，由此產生的經濟效益、生態環境效益和社會效益將是不可估量的，人們的生產條件和居住環境得到有效改善，實現“水清，河暢，岸綠，景美”的美好愿望。

參考文獻：

［1］李義天，鄧金運，孫昭華，等.河流水沙災害及其防治［M］.武漢：武漢大學出版社，2004.3.

［2］王文圣，黃偉軍，丁晶.基于連續小波變換的徑流分維研究［J］.水利學報，2005.

［3］王霞，吳加學.基于小波變換的西、北江水沙關系特征分析［M］.熱帶海洋學報，2009.1.

［4］郭同章.黃河上游水土流失預測模型［M］.科學出版社，1996.11.