沂河流域水沙變化趨勢及成因分析

賈 運 崗

(山東省臨沂市水利勘測設計院, 山東 臨沂 276000)

沂河流域水沙變化趨勢及成因分析

賈 運 崗

(山東省臨沂市水利勘測設計院, 山東 臨沂 276000)

為了揭示變化環境下沂河流域徑流量和輸沙量減少的原因，選取反映該流域水沙變化趨勢的代表水文站——臨沂站，利用50余年來的實測年徑流量及年輸沙量資料，采用滑動平均法、Mann-Kendall非參數秩次相關檢驗法，對該流域水沙變化趨勢進行了研究。結果表明：在一定顯著性水平下，沂河流域徑流量與輸沙量在多年變化中均呈明顯下降趨勢。最后，針對影響水沙變化的降水與人類活動因素，應用不同時段的雨—水—沙關系，定量計算了不同時段的水沙衰減量以及由于雨水衰減影響和水土保持影響的減沙量所占比重。針對臨沂的實際情況，應繼續加強水土保持工作，實施流域綜合治理。

水沙年際變化; 趨勢檢驗; 成因分析; 沂河流域

沂河是淮河流域沂沭泗水系中較大的河流。近年來，由于氣候變化和人類活動的影響，沂河流域徑流量和輸沙量呈減少趨勢，為了揭示變化環境下沂河流域徑流量和輸沙量減少的原因，不少學者從水沙和徑流等方面開展了研究。史紅玲等利用50余年來的實測年徑流量及年輸沙量資料，提出淮河支流及沂、沭、泗水系各站年徑流量減小趨勢明顯；淮河流域來沙量呈現顯著減少的趨勢[1]。陸建宇等通過43 a的天然月徑流資料提出沂河臨沂站天然年徑流量、汛期徑流量存在顯著的減少趨勢[2]。宋曉猛等以沂河臨沂站以上流域為研究對象，對1951—2002年的水文時間序列資料進行分析，研究流域徑流演變特征及其驅動力因子。結果表明，降雨量變化不明顯，多年平均徑流量變化很大，呈下降趨勢[3]。陸建宇等以沂沭河流域為研究區，根據流域內7個代表性雨量站進行分析，得出結論：各站年、汛期、非汛期降水多呈不同程度的減少趨勢[4]。薛麗芳等以沂河流域為研究區，運用水文特征參數時間序列法，通過臨沂站50 a來天然徑流過程的回歸模擬及其與實測徑流的比較，定量分析氣候變化和人類活動對徑流的影響。結果表明：近50 a來沂河流域年徑流量和各月徑流量顯著減少[5]。鞏燦娟通過土地利用/覆被數據和近50 a氣候、水文資料運用SWAT模型分析沂河流域地區的土地類型變化引起的水文效應，得出人類活動方面，流域徑流變化主要與水土保持、水利工程建設、工農業及生活用水量變化、土地利用/覆被變化四個方面有關的結論[6]。這些研究雖對沂河水沙及沂河徑流做了一些研究，但是沒有對沂河流域水沙變化趨勢及成因分析進行專門研究。本文對沂河流域降水量、徑流量和輸沙量進行分析研究,初步估算水土保持(水利工程)措施對徑流量和輸沙量的影響，為進一步提高沂河流域水土保持減沙的有效性和持續性提供決策依據。

1 沂河流域概況

沂河是臨沂市最大的山洪河道，屬于淮河水系，沂河發源于沂蒙山的魯山南麓，南流經山東省的沂源、沂水、沂南、蘭山、河東、羅莊、蘭陵、郯城8縣區，在郯城縣吳道口入江蘇省，至新沂苗圩入駱馬湖；1953年在江蘇省開挖新沂河后，沂、沭河洪水經駱馬湖入新沂河，東流在燕尾港入黃海。沂河全長333 km，控制流域面積11 820 km2。下游由于開辟新沂河、“分沂入沭”等河道整治工程，流域界限破壞，本文研究區為臨沂站以上相對完整的流域。沂河臨沂站以上河道長223 km，集水面積10 315 km2，占全流域面積的87.3%。河流域屬溫帶季風區大陸性氣候，雨熱同期，四季變化明顯。沂河屬雨源性山洪河道，徑流在時間上的變化特點與降雨相似，年內、年際變化大，枯季流量較小，洪水主要集中在主汛期，源短流急，一次洪水過程一般1～4 d。河床組成為中砂及細砂。沂河屬多泥沙推移質造床為主的山洪河道，流域內山嵐起伏，溝壑縱橫，支流河短，坡陡流急，加上流域內植被較差，降雨匯流時間較短，河水暴漲暴落。

2 數據資料與研究方法

2.1 資料選取

臨沂水文站是沂河主要控制站，也是分析沂河河川徑流演變規律的重要源頭站點。沂河臨沂站的實測水沙系列資料較齊全，代表性強。因此，為反映沂河流域水沙總體變化，以臨沂水文站的水沙量代表沂河流域來水來沙量。統計了臨沂站1954—2007年的年徑流量和年輸沙量連續資料。其中1954—2001年的數據由臨沂市水文局提供，2002—2007年的數據摘自《中國河流泥沙公報》[7]。

2.2 水沙趨勢研究方法

對于統計分析法中的Mann-Kendall法、線性趨勢回歸檢驗、Spearman秩次相關檢驗和累加濾波器法，Mann-Ken-dall等方法在水沙態勢變化分析過程中簡單有效，使用較為普遍[8-10]。

Mann-Kendall(M-K)秩相關檢驗法是一種非參數統計檢驗方法，常用來評估有關氣候要素的時間序列趨勢，其優點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，更適用于類型變量和順序變量，以適用范圍廣、人為性少、定量化程度高而著稱。基于上述優點，同時沂河流域臨沂站水沙資料系列較齊全，故選用Mann-Kendall(M-K)秩相關檢驗法來分析流域水沙變化趨勢[11]。

方法為：對序列Xt=(x1,x2,…，xn),其趨勢檢驗的統計量為

(1)

式中:

(2)

(3)

(4)

式中：U(dl)=0；E(dl),Var(dl)分別是累計數dl的均值和方差。

當n增加時，U(dl)很快收斂于標準化正態分布，在給定顯著性水平α下，在正態分布表中查得臨界值Uα/2，當|U(d)|Uα/2，則拒絕原假設，即認為趨勢顯著。當統計量U(dl)為正值，說明序列有上升趨勢；U(d)為負值，則表示有下降趨勢。對于顯著水平α=0.05，U(d)的臨界檢驗值為±1.96。

2.3 水沙變化影響因素分析方法

影響流域產流產沙的主要因素包括降雨、流域下墊面條件以及人類活動等3大方面，另外，沂河流域面積大，水沙量也大。就同一流域而言，由于地質地貌條件相對穩定，年際間流域面積也相對穩定，故產水產沙量的多少主要取決于降水和人類活動影響。流域降水是地表產沙的動力條件，其時空(包括時間、落區、強度、歷時等)分布，對流域產水產沙有直接影響；而水土保持、雨水集蓄、土地利用等人類活動改變了流域下墊面，使產流機制發生了變化[12]。因此，水土保持和降雨的變化是導致水沙量變化的根本和直接原因。為了消除降雨的影響,令

E=WS/P

(5)

令相鄰時段的平均值分別為WS1，WS2，P1，P2及E1，E2。對WS=E·P取全微分，并以差分形式表示為

(6)

同理，令D=W/P

則W=D·P。令相鄰時段的平均值各為W1，W2，P1，P2及D1，D2。對W=D·P取全微分,并以差分形式表示為

(7)

式中:D表示徑流率；W表示徑流量；P表示降雨量；E稱為侵蝕率(或產沙系數)(t/mm)；ΔWs為輸沙量。

3 沂河流域水沙變化趨勢初步分析

3.1 滑動平均法檢驗

對于臨沂站的徑流量和輸沙量取5 a進行滑動平均，使序列高頻震蕩(水沙特別年份)對水沙變化趨勢分析的影響得以弱化，結果見圖1。可以看出臨沂站水沙變化過程基本對應，二者均呈明顯的下降趨勢。

3.2 Mann-Kendall (M-K)趨勢分析檢驗

采用Mann-Kendall(M-K)趨勢分析檢驗方法對沂河臨沂站1954—2007年的徑流量資料進行統計分析發現，沂河年徑流量在20世紀50年代中期—60年代中期為豐水期時段，從70年代末開始，沂河河徑

流量呈明顯減小趨勢。根據Mann-Kendall檢驗，Zs=-6.506，其絕對值大于Uα/2，表明流域徑流量呈顯著減小趨勢。20世紀90年代以來，平均流量只有16.01億m3/s，較多年平均流量減少32.4%。

圖1臨沂水文站年徑流和輸沙量

沂河流域地處多沙粗沙區,輸沙量的多少很大程度上取決于降水量、降雨強度及其變化特性。根據Mann-Kendall檢驗，Zs=-2.689,其絕對值大于Uα/2,表明輸沙量呈顯著減小趨勢。

因此，在一定顯著性水平下，沂河流域徑流量與輸沙量在多年變化中均呈明顯下降趨勢。

4 沂河流域水沙變化原因分析

應用式(6)，(7) 對不同階段的各項變化量計算結果見表1和表2。由表1,2可知，流域1954—2007年水沙變化過程中，各時段的影響因素也有異同。表現為：

表1 沂河流域泥沙衰減分析

表2 沂河流域徑流衰減分析

(1) 1954—1962年至下1963—1978年：此時段內輸沙量的降雨影響為75.5萬t、水土保持影響為355.8萬t，二者之和為431.3萬t，降雨影響和水土保持影響各占17.5%和82.5%。而對于此時段內的徑流，降雨影響為26 032.4萬m3，水土保持影響為56 787.5萬m3，二者之和為82 819.8萬m3，降雨影響和水土保持影響分別占31.4%和68.6%。

可以看出，在70年代以前，由于沂河流域開發利用率低，受人類活動影響較弱，故流域此時段內水沙的變化受降雨影響和水土保持影響相差不是很大。

(2) 1963—1978—1979—1996年:對于輸沙量，此時段內降雨影響明顯減弱，僅為3.5萬t，而水土保持影響則高達294.3萬t，二者所占比例分別為1.2%和98.8%。而對于同時期的徑流量，降雨影響也明顯減弱，僅為2 301.7萬m3，而水土保持影響則高達68 787.3萬m3，二者所占比例分別為3.3%和96.7%。

這充分說明在這一階段中，水土保持(包括水利工程)發揮了很大的減水攔沙作用。經調查流域水利工程建設情況可知，臨沂站以上流域自1964年至今，共建有大中型水庫12座，其中大型水庫5座(跋山水庫、岸堤水庫、田莊水庫、許家崖水庫、唐村水庫)、中型水庫22座(高湖水庫、黃仁水庫、黃土山水庫等)，以及一系列水土保持工程的實施，產生了明顯的效益，發揮了很大的作用。

(3) 1979—1996年，1996—2007年，此時段對于輸沙量，水土保持影響高達36.4萬t，降水影響為0.6萬t，二者所占比例分別為98.3%，1.7%，對于徑流量，水土保持影響高達24 376.1萬m3，降水影響為1 903.1萬m3，二者所占比例分別為92.2%和7.8%，相比上一階段水土保持對水沙影響程度有所下降。這一方面肯定了近年來的水土保持工作的成效，但同時也說明隨著時間的推移，原有水保措施已不能滿足新的要求，必須結合新的形勢，實施流域綜合治理。

5 結 論

(1) 沂河流域多年平均降水量863.9 mm；多年平均徑流量23.7億m3；多年平均輸沙量246.5萬t。沂河流域徑流量與輸沙量近50 a來均呈下降趨勢。

(2) 對臨沂水文系列應用Mann-Kendall非參數秩次相關檢驗法表明，在一定顯著性水平下，臨沂流域徑流量與輸沙量在多年變化中均呈明顯下降趨勢。

(3) 針對影響流域水沙變化的降水和人類活動兩大因素，應用不同時段的雨—水—沙關系，定量計算了4個時段的水沙衰減量以及由于降水衰減影響和水土保持(水利工程)影響的減沙量所占比重，分析了不同時段水沙變化的原因，結果表明，近年來水土保持(水利工程)是水沙衰減的主要原因。針對臨沂的實際情況，應繼續加強水土保持工作，實施流域綜合治理。

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AnalysisofVariationTrendsandCauseofRunoffandSedimentinYiheRiverBasin

JIA Yungang

(LinyiInstituteofWaterConservancySurvey&Design,Linyi,Shandong276000,China)

In order to reveal the cause for reduction of runoff and sediment in the changing environment, bases on the observed data in the past 50 years at Linyi hydrologic sation that reflects the hydrological variation trends of runoff and sediment in the Yihe River Basin, through several non-parameter statistical methods such as the moving average check and the Mann-Kendall test, we analyzed the trends of runoff and sediment in the river basin. The results showed that the runoff evolvement and sediment transport at the Linyi Hydrologic station presented the significant decrease trend. In view of the major factors correlated with the runoff and sediment transport changes such as the rainfall, soil conservation, the sediment descending proportions caused by the reduction of rainfall and soil conservation were valuated based on the relationships between rainfall, water and sediment. According to the actual situation of Linyi City, the work of soil conservation and implement comprehensive management in the river basin should be continued to strengthen.

inter-annual variability of runoff and sediment; trends test; cause analysis; Yihe River Basin

2016-02-22

：2016-03-30

賈運崗(1979—),男,山西孝義人,高級工程師,碩士,主要從事水工、水保等方面設計。E-mail:jiayungang79@163.com

P332.4；P332.5

：A

：1005-3409(2017)02-0142-04