遼寧省典型河流近60年水沙演變特征分析研究

郭向東

(遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115003)

河流水沙演變將直接影響河流的生態(tài)功能，對河流生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不同程度的影響[1]。受人類活動影響，河流水沙特征均出現(xiàn)不同程度的變化，河流過水及輸沙能力均產(chǎn)生不同程度的變化，而徑流和泥沙運移能力是河流生態(tài)功能的主要特征，通過對河流水沙演變特征分析，可以為河流生態(tài)綜合治理提供重要的參考依據(jù)，因此近些年來，對于河流水沙演變特征逐步得到國內(nèi)外許多學(xué)者的研究和關(guān)注[2- 9]，這其中非線性趨勢檢驗方法[10- 12]以及突變特征分析方法[13- 14]，應(yīng)用較為廣泛。為此本文結(jié)合兩種分析方法，對遼寧地區(qū)三大河流近60年水沙數(shù)據(jù)及河流演變特征分析，研究成果對于河流的生態(tài)治理綜合規(guī)劃具有重要參考價值。

1 研究方法

1.1 趨勢檢驗方法

該方法通過設(shè)定檢驗的數(shù)據(jù)變量序列(x1，x2，…，xn)為獨立且來自同一個樣本總體的數(shù)據(jù)，應(yīng)用變量統(tǒng)計方法進行檢驗，其變量統(tǒng)計方程為：

(1)

(2)

(3)

當(dāng)

(4)

式中，S—檢驗的統(tǒng)計變量；xi、xj—來自同一個樣本總體的不同樣本數(shù)據(jù)系列；σs—樣本檢驗的方差值；sign—計算符號；n—總體樣本的個數(shù)；Z—樣本檢驗的水平，如果Z>0，則表示為檢驗樣本數(shù)據(jù)系列呈現(xiàn)遞增變化，Z<0，則表示為檢驗樣本數(shù)據(jù)系列呈現(xiàn)遞減變化，但檢驗水平的絕對值分別大于或者等于2.32、1.64、1.28，表示其檢驗水平分別達(dá)到99%、95%以及90%。

1.2 突變特征分析方法

突變分析方法主要采用一個統(tǒng)計變量對水沙數(shù)據(jù)系列進行統(tǒng)計分析，主要分析方程為：

(5)

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

(6)

σ(ck)=k(k-1)(2k+5)/72

(7)

(8)

式中，m—樣本累積的數(shù)量；E(ck)、σ(ck)—統(tǒng)計變量ck的平均值與標(biāo)準(zhǔn)方差值；UFk—統(tǒng)計變量ck標(biāo)準(zhǔn)化值；不斷重復(fù)計算，使得|UBk|=-UFk，k=n，n-1，…，UB1=0，一旦兩條計算曲線出現(xiàn)交點，則交點為突變特征點。

2 研究方法

2.1 河流概況

遼河、渾河、太子河為遼寧省流域面積前三的河流，主要分布在遼寧中東部地區(qū)，流經(jīng)過的城市分別為沈陽、鞍山、鐵嶺、遼陽、盤錦、營口等地區(qū)，遼河、渾河、太子河分別在東南部入海。近些年來，隨著人類活動的影響，各河流的徑流和泥沙的運移能力受到不同程度的影響，三河8站近60年水沙數(shù)據(jù)系列見表1。

表1 各河選取站點的資料系列年份

(續(xù)表)

2.2 徑流變化概況

結(jié)合各河選取站點的徑流數(shù)據(jù)，對其變化趨勢進行非線性檢驗，檢驗結(jié)果見表2，并對其不同年代的徑流變化進行分析，分析結(jié)果見表3—5。

表2 各河選取站點的徑流非線性趨勢統(tǒng)計值

表3 遼河各站點徑流變化統(tǒng)計結(jié)果

表4 渾河各站點徑流變化統(tǒng)計結(jié)果

表5 太子河各站點徑流變化統(tǒng)計結(jié)果

從表2中可看出，遼河干流典型三站中鐵嶺站呈現(xiàn)較為明顯的遞減變化，從1990年代到2000年代，鐵嶺站由于上游石佛寺水庫的建設(shè)，下游河道水量有所減少，年平均遞減率為5mm/a，進入2000年以后，鐵嶺站的徑流量相比于1970年代，徑流減少64.1%，可見人類活動對遼河鐵嶺站的徑流影響程度較大。從遼河其他兩個站點的徑流變化情況看出，遼中站從1970年—1999年，其徑流量呈現(xiàn)遞增變化，但從2000年以后，受到區(qū)域用水快速增長的影響，遼河站的徑流量呈現(xiàn)一定程度的遞減變化。從渾河3站各年代際的徑流變化結(jié)果可看出，北口前的變化特征較為明顯，邢家窩棚相比于其他兩個站，年代際徑流變化有所減小。從太子河本溪和唐馬寨兩個站點年代際的徑流變化情況可看出，兩個站點的年徑流均呈現(xiàn)遞減變化，但整體遞減變化趨勢性不顯著，年遞減率為3mm/a。

2.3 輸沙量變化概況

結(jié)合各河選取站點的含沙量數(shù)據(jù)，對其變化趨勢進行非線性檢驗，檢驗結(jié)果見表6，并對其不同年代的徑流變化進行分析，分析結(jié)果見表7—9。

表6 各河選取站點的輸沙量非線性趨勢統(tǒng)計值

表7 遼河各站點輸沙量變化統(tǒng)計結(jié)果

表8 渾河各站點輸沙量變化統(tǒng)計結(jié)果

表9 太子河各站點輸沙量變化統(tǒng)計結(jié)果

從表6中可看出，各站點輸沙量變化總體和徑流變化較為一致，受到人類活動影響，河道輸沙能力整體呈現(xiàn)下降變化趨勢，遼河3站輸沙量下降趨勢性不顯著，鐵嶺站受到上游石佛寺水庫影響，進入2000年以后，河道輸沙能力得到顯著下降，這主要是因為水庫的蓄水調(diào)沙作用，使得進入水庫內(nèi)的泥沙得到攔截，降低下游河道的輸沙量。遼河干流3站輸沙量年平均遞減率為15t/a。從渾河3站的輸沙量可看出，通過非線性趨勢檢驗，其下降趨勢均通過90%的顯著性變化水平，沈陽站年代際輸沙量變化最為明顯，其次為邢家窩棚，沈陽站變化的主要原因在于從2000年開始，渾河沈陽站上游加大河道治理，使得其輸沙量得到有效減少。太子河本溪站和唐馬寨站也同樣因為上游河道治理，使得其輸沙量呈現(xiàn)較為明顯的遞減變化。

2.4 徑流突變特征

結(jié)合突變分析方法，對遼、渾、太3河8站的徑流突變特征進行分析，分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 各河選取站點徑流突變特征分析結(jié)果

續(xù)圖1 各河選取站點徑流突變特征分析結(jié)果

從遼河3站的徑流突變年份可看出，各站點徑流突變的年份主要發(fā)生在2000年以后，徑流發(fā)生突變的原因主要有2種，第一種受氣候變化影響，第二種受人類活動影響，文獻[15]表明遼河干流近60年降水量未發(fā)生顯著變化，因此徑流發(fā)生突變主要為人類活動的影響，第一種活動影響為水利工程建設(shè)的影響，由于水利工程蓄水，使得下游河道徑流發(fā)生突變，這一點從遼河鐵嶺站可以明顯看出，2000年以后受上游水庫蓄水影響，其徑流發(fā)生明顯突變，而第二種影響主要為取水影響，這點可從遼中站徑流突變點分析出，從2010年以后，遼中站受降水偏少影響，河道取水量不斷增加，使得河道內(nèi)的徑流量發(fā)生明顯變化。第三種為城市河道站點，受到上游橡膠壩影響，下游站點徑流發(fā)生明顯變化，這點可從本溪站和沈陽站的突變特征分析出。

2.5 輸沙量突變特征

結(jié)合突變分析方法，對遼、渾、太3河8站的徑流突變特征進行分析，分析結(jié)果如圖2所示。

輸沙量的變化主要受徑流變化影響，由于徑流量的遞減變化，輸沙量也呈現(xiàn)明顯的遞減變化，輸沙量和徑流量變化較為一致。此外河道綜合治理和人類活動的影響，也是各站點輸沙量突變的主要原因，鐵嶺站受到上游水庫建設(shè)，使得下游河道的含沙量有所減少，因此輸沙量發(fā)生明顯的突變，此外受到河道綜合治理后，河道泥沙淤積量明顯減少，使得其河道輸沙量發(fā)生突變，這一點可從本溪和沈陽兩個城市站點看出，在2005年以后，隨著城市段河流綜合整治力度的加大，使得本溪站和沈陽站的輸沙量發(fā)生較為明顯的突變特征變化。而渾河上的北口前和邢家窩棚站則是受到河道內(nèi)取水影響，使得徑流發(fā)生明顯變化，因為影響其輸沙量的變化。

圖2 各河選取站點輸沙量突變特征分析結(jié)果

續(xù)圖2 各河選取站點輸沙量突變特征分析結(jié)果

3 結(jié)論

(1)遼、渾、太三河各站徑流遞減的原因主要為水庫蓄水和橡膠壩的攔蓄作用，尤其在進入2005年以后，因此要加大水庫放水和適時降低橡膠壩的攔蓄作用，保持河流正常生態(tài)功能的水量；

(2)遼、渾、太三河輸沙量下降的原因不是河道輸沙能力的降低，而是水庫攔沙以及近些年河道綜合整治力度的加大，使得進入下游河道的沙量有明顯減少，因此在生態(tài)修復(fù)階段不用過多考慮增加其輸沙能力的影響；

本文未對遼、渾、太三河水沙演變原因進行定量分解，在以后的研究中還應(yīng)對其影響因素進行定量分析。