北方旱區(qū)典型多沙河流水沙演變規(guī)律探究及成因分析

王晶娥

(遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新 123000)

河流水沙演變規(guī)律分析是河流綜合治理規(guī)劃的重要依據(jù)。北方旱區(qū)河流存在水少沙多的特點，水沙演變規(guī)律分析對此類河流治理更為重要。當前，對水沙演變規(guī)律分析主要是結(jié)合實測數(shù)據(jù)，利用趨勢檢驗[1- 5]及突變檢驗方法[6- 9]進行多尺度的分析。柳河是遼河的一級支流，位于遼寧西北部干旱沙丘地區(qū)，屬于水土流失嚴重區(qū)域，區(qū)域水土流失量高達每年1560萬t，近年來遼寧省開展多沙河流的綜合治理，在綜合治理規(guī)劃時急需對多沙河流水沙演變規(guī)律進行分析。為此本文結(jié)合柳河干流主要控制站彰武水文站1968～2016年實測水沙數(shù)據(jù)，對柳河近49年的水沙演變特征進行定量分析。

1 區(qū)域概況及研究方法

1.1 區(qū)域概況

柳河從西北流向東南，流域內(nèi)水土流失嚴重，洪水過程陡漲陡落，洪水歷時短，河床沖淤變化特別劇烈。彰武水文站水文位于柳河中下游，在上游57km處建有鬧得海大型水利樞紐工程，鬧得海水庫至彰武站區(qū)間面積971km2，區(qū)間有兩條較小支流加入，還有大清溝中型水庫一座。具體見圖1。

圖1 柳河站點分布圖

1.2 研究方法

1.2.1趨勢非線性檢驗方法

該方法假設時間數(shù)據(jù)序列(x1，x2，…，xn)為獨立、隨機同變量分布的樣本序列，檢驗統(tǒng)計變量S計算方程為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—正態(tài)分布的檢驗統(tǒng)計變量；xi和xj—同一樣本中不同分布的兩個系列，其中E(ck)=k(k-1)/4；σs—標準方差；sign—運算符號；n—樣本的總個數(shù)；Z—檢驗值，若Z>0，檢驗的時間序列為上升變化趨勢，Z<0，檢驗的時間序列為上下降變化趨勢；Z的絕對值大于或等于2.32、1.64、1.28，表示通過置信度分別為99%、95%以及90%的顯著性檢驗水平。

1.2.2突變分析方法

突變分定義一個統(tǒng)計量ck來分析n個獨立的、隨機變量同分布的樣本數(shù)據(jù)序列(x1，x2，…，xn)，計算方程分別為：

(5)

E(ck)=k(k-1)/4

(6)

σ(ck)=k(k-1)(2k+5)/72

(7)

(8)

式中，m—第i個樣本xi>xj(1≤j≤i)的累積數(shù)；E(ck)、σ(ck)—ck的均值和方差；UFk—ck的標準化；按逆序列數(shù)據(jù)(xn，xn-1，…，x1)重復上面過程，使|UBk=-UFk，k=n，n-1，…，UB1=0。如果UF和UB兩條曲線在置信區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)交點，即為可能的突變點。

2 水沙演變特征分析

2.1 趨勢特征分析

(1)年尺度趨勢分析

結(jié)合彰武站1968～2016年實測水沙數(shù)據(jù)，分年尺度和汛期尺度對彰武站水沙趨勢演變特征進行分析，如圖2、3，并結(jié)合趨勢統(tǒng)計方法對趨勢特征進行檢驗，檢驗結(jié)果見表1。

圖2 水沙年尺度分析結(jié)果

時間尺度徑流量/108m3輸沙量/106t年尺度-5.49-6.65汛期-4.66-5.82非汛期-5.99-6.99

圖3 水沙月尺度分析結(jié)果

圖5 不同時間尺度的彰武站水沙突變特征結(jié)果

圖2為水沙年尺度趨勢特征分析結(jié)果，從圖2可看出，柳河彰武站在過去的49年中，徑流和輸沙量呈現(xiàn)明顯遞減趨勢，遞減的幅度為-4×106m3/a，輸沙量逐年遞減的幅度為-3×105t/a，年水沙趨勢檢驗統(tǒng)計值為-5.49和-6.65，絕對值均高于趨勢檢驗統(tǒng)計Z達到99%的值，經(jīng)檢驗達到顯著遞減。從汛期和非汛期看，和年水沙變化相似，彰武站汛期和非汛期水沙下降趨勢也十分明顯，檢驗統(tǒng)計值也均通過99%的遞減顯著性檢驗，非汛期水沙遞減幅度分別為-3×105m3/a、3000t/a，而汛期水沙遞減幅度分別為-8×105m3/a、75000t/a。可見，年水沙遞減幅度明顯高于汛期、非汛期，汛期水沙遞減幅度明顯高于非汛期。

2.2 水沙相關性特征

在水沙趨勢特征分析的基礎上，對柳河彰武水文站汛期和非汛期的水沙相關特征進行分析，如圖4所示。

圖4 彰武站水沙汛期、非汛期相關性特征

柳河汛期和非汛期水沙關系均在0.5以上，汛期受水量影響，其相關系數(shù)低于非汛期，在汛期，彰武站受上游水庫控制影響，水沙影響較大，致使水沙相關性較差。而在非汛期，由于上游來水量的減少，上游水庫對下游彰武站水沙關系影響較弱，水沙相關性逐步增強。

3 水沙突變特征分析

結(jié)合突變分析方法對柳河干流彰武水文站1968～2016年水沙突變特征進行分析，如圖5所示。

從彰武站各時間尺度突變特征分析可看出，彰武站年水沙突變年份較為一致，主要發(fā)生在2006年，經(jīng)過調(diào)查分析，突變原因在于2006年擴大城市引供水量后，水庫供水量增加，使得下游彰武站的徑流出現(xiàn)突變。徑流的變化也直接導致了彰武站輸沙量的突變。從汛期和非汛期水沙突變可看出，汛期徑流突變和年突變較為一致，突變原因主要在于人類活動的影響。而汛期水沙未出現(xiàn)突變，主要是汛期沙量較大，一部分輸沙量由于上游水庫供水影響，沉積在了水庫內(nèi)，而后在水庫放水后又重新進入河道，使得汛期總體輸沙量為出現(xiàn)明顯突變。

4 水沙演變成因分析

為對柳河水沙演變的成因進行分析，首先結(jié)合水沙雙累積曲線分析人類活動對彰武站水沙演變影響，結(jié)果如圖6所示。

水沙雙累積曲線綜合反映水沙變化的特征，受降水影響，水沙雙累積曲線的斜率不發(fā)生變化，而當受到人類活動影響，水沙雙累

圖6 彰武水沙雙累積曲線分析結(jié)果

積曲線的斜率發(fā)生偏移。從圖6可看出，非汛期柳河主要控制站彰武站的水沙雙累積曲線斜率較為一致，為發(fā)生偏移。因此在非汛期水沙演變主要原因在于區(qū)域徑流量的遞減，而區(qū)域徑流量的遞減一部分在于氣候變化，另外由于近些年來，阜新地區(qū)加大了水保措施的治理，增加流域蓄水能力，使得區(qū)域徑流量出現(xiàn)明顯的遞減趨勢。而在汛期，其雙累積曲線各散點變化十分紊亂，無法定線，可見在汛期人類活動對彰武站水沙關系影響十分顯著。彰武水文站上游有鬧德海水庫，該水庫除防洪功能外，重要的一項功能就是供水，在汛期水量較大的時候，供水量增加，使得下游河道水量和輸沙量呈現(xiàn)明顯變化，另一方面，由于水土保持措施治理影響，流域下墊面發(fā)生較為明顯的變化，使得彰武站的汛期水沙變化較大。

5 結(jié)論

(1)柳河水沙呈現(xiàn)顯著遞減趨勢，年水沙遞減幅度分別為-4×106m3/a、-3×105t/a，汛期遞減幅度小于年遞減幅度，但明顯高于非汛期的遞減幅度。

(2)汛期柳河受上游水庫控制影響，水沙相關性較弱，水沙非線性特點顯著，非汛期水沙相關性較好，呈現(xiàn)一定的線性變化關系。

(3)人類活動是柳河汛期水沙演變的主因，氣候變化是非汛期水沙演變的主因。

(4)本文只定性的探討了北方典型多沙河流的水沙演變成因，在以后還需結(jié)合新方法定量探討多沙河流水沙演變的成因。

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