大凌河中下游近65a水沙演變及影響因素分析

劉曉哲

(遼寧河庫管理服務中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

大凌河是遼寧省西部第一大河流，而遼寧西部屬于水土流失相對較為嚴重的區域，該區域中度侵蝕面積占遼寧全省中度侵蝕面積的66.7%[1]。遼寧西部也是遼寧省水資源相對短缺的區域，水少沙多使得大凌河流域的水沙變化一直是外界關注的熱點問題[2]。近些年來，針對大凌河水沙演變分析取得一定的研究成果[3- 10]，但這些研究大都集中在大凌河的中上游。大凌河中上游有宮山嘴、閻王鼻子以及白石水庫3座大型水庫，受大型水庫的調蓄作用影響，河道水沙發生明顯變化。但對于大凌河中下游水沙變化的研究還較少，大凌河中下游沒有大型水庫，因此水庫調蓄對河流水沙變化的影響相對較小，而一些研究成果表明大凌河中下游的水沙也發生較為明顯的變化[11- 15]，但由于缺少長系列的水沙觀測數據，大凌河中下游水沙變化還缺乏系統性研究。為此結合大凌河中下游2個重要控制水文站建站以來近65a的水沙實測數據，對大凌河中下游水沙變化進行分析，從而為大凌河中下游水保措施下的水沙影響提供重要的分析依據。

1 研究方法

采用M-K非線性趨勢檢驗方法對大凌河中下游水沙演變進行趨勢檢驗，該方法假定(x1，x2，…，xn)為獨立的時間數據序列，符合變量隨機同分布的原則，變量統計方程為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—統計變量；xi和x—檢驗的水沙時間數據系列；σ—計算方差；sign—計算符號；n—樣本容量；Z—檢驗值，Z為正值時表示水沙變化呈現遞增變化，Z為負值時表示水沙變化呈現遞減變化，Z的絕對值大于或等于2.32、1.64、1.28，其對應的顯著檢驗水平分別為99%、95%以及90%。

2 區域及資料概況

2.1 大凌河概況

以大凌河中下游為研究區域，義縣和凌海2個水文站為其中下游主要控制水文站，流域總的集水面積為23837km2，其中山區和平原的面積比例分別為98%和2%，主要為山區型地形。流域氣候屬于溫帶亞干旱型，降水量多年均值在650mm左右，蒸發量較大，蒸發量多年均值為1700mm，屬于典型的干旱半干旱地區。流域植被覆蓋稀疏，受地表水流和降水沖刷綜合影響，區域水土流失較為嚴重，據統計遼寧西部中度土壤侵蝕占全省中度土壤侵蝕的面積比例高達66.5%。在大凌河的中上游有宮山嘴、閻王鼻子以及白石3座大型水庫，流域內10km2以上的一級支流112條、二級支流206條、三級支流172條、四級支流32條、五級支流4條。流域面積為1000～5000km2的河流有5條，流域面積為100～1000km2的河流有61條，流域面積為50～100km2的河流有55條，流域面積為10～50km2的河流有405條。流域水系如圖1所示。

圖1 大凌河流域水系圖

2.2 資料情況

以大凌河中下游的義縣和凌海2個水文站為研究站點，站點概況見表1。根據2個站點1956—2016年近65a的水沙數據，對大凌河中下游水沙演變特征進行分析。在進行分析前，對2個水文站點的流量和含沙量數據進行了一致性、代表性以及可靠性的檢驗，對于部分年份缺測數據進行了插補處理。

表1 選取的站點概況

3 成果與討論

3.1 年水沙演變過程

根據大凌河中下游凌海和義縣水文站1956—2016年的徑流和含沙量數據，統計了其年徑流量和年輸沙量的變化過程，如圖2—3所示。

并采用M-K趨勢檢驗方法對義縣和凌海水文站近65a的年徑流和年輸沙量的變化趨勢進行分析，分析結果見表2。

表2 大凌河中下游水沙變化趨勢檢驗結果

從大凌河中下游的義縣和凌海水文站年徑流量和年輸沙量變化過程進行分析，從圖2—3中可看出，2個水文站的年徑流量和年輸沙量呈現明顯的遞減變化，其中凌海站的水沙下降最為顯著，義縣和凌海2個站年徑流量和年輸沙量的下降率均在8%左右。從2個站水沙變化趨勢檢驗結果可以看出，2個站水沙遞減的趨勢均可通過95%的顯著性檢驗。

3.2 年代際水沙演變過程

在大凌河中下游年水沙變化分析的基礎上，對義縣和凌海水文站1956—2016年各年代際的徑流和輸沙量變化過程進行分析，結果見表3—5。

從大凌河中下游義縣和凌海水文站的各年代際徑流量和輸沙量的變化情況可看出，2個站點年代際水沙變化和年水沙變化具有相似性，總體均呈現遞減變化，2個站點各年代水沙變化也具有一定的同步性，均從20世紀80年代后遞減率顯著增加，相比于20世紀70年代，20世紀80年代后年代沙水沙遞減率高于15%。此外輸沙量的變化率要明顯高于各站點徑流量的變化率，大凌河中下游進入2000年后，義縣和凌海站的年代際輸沙量遞減率高于40%。從表5各年代際降水量可看出，大凌河中下游降水量年代際變化幅度要明顯低于徑流量和輸沙量的變化幅度，各年代際義縣和凌海2個站降水量遞減率低于10%。因此人類活動對于大凌河中下游水沙演變的影響要明顯高于降水的影響。

圖2 大凌河中下游年徑流量變化

圖3 大凌河中下游年輸沙量變化

表3 大凌河中下游不同年代際徑流量變化分析結果 單位：108m3

表4 大凌河中下游不同年代際輸沙量變化分析結果 單位：104t

表5 大凌河中下游不同年代際降水量變化分析結果 單位：mm

圖4 大凌河中下游徑流-輸沙量雙累積曲線

3.3 水沙演變突變特征分析

根據義縣和凌海站的徑流量和輸沙量數據，對其徑流量-輸沙量的雙累積曲線進行分析，分析結果如圖4所示。

河流水沙的系統變化特征可由站點的水沙累積曲線進行反映，當水沙演變的影響因素為降水時，曲線的斜率不發生變化，而當水沙演變影響因素為人類活動時，水沙累積曲線將發生偏轉，其轉折年份一般為受人類活動影響的年份。從圖4中可看出，義縣站和凌海站水沙累積曲線的轉折點均為1980年，大凌河中下游從20世紀70年代開始進行退耕還林(草)的水土流失治理，流域下墊面的變化使得大凌河中下游水沙累積曲線有所偏轉。

3.4 年降水量-年徑流量以及年降水量-年輸沙量相關分析

根據義縣和凌河水文站實測流量和輸沙量數據，建立不同年代際降水-徑流以及降水-輸沙量的回歸方程，并對回歸方程進行顯著性檢驗，結果如圖5—6所示，見表6—7。

表6 大凌河中下游不同年代際年降水量-年徑流量回歸方程

從大凌河中下游義縣和凌海2個水文站點年降水量-年徑流量和年降水量-年輸沙量不同年代的散點圖可以看出，在相同降水條件下各年代的徑流量和輸沙量明顯減少，各站點年降水量-年徑流量和年降水量-年輸沙量的散點主要分布在1979年基準期以下，表明同一降水量下，大凌河中下游從20世紀80年代開始水沙能力有所遞減。降水對大凌河中下游的徑流量和輸沙量的影響度降低，使得1980年以后不同年代際的年降水量-年徑流量和年降水量-年輸沙量回歸方程的斜率有所減小。

圖5 大凌河中下游年降水量-年徑流量相關散點圖

圖6 大凌河中下游年降水量-年輸沙量相關散點圖

表7 大凌河中下游不同年代際年降水量-年輸沙量回歸方程

從建立的義縣站和凌海站的不同年代的年降水量-年徑流量和年降水量-年輸沙量回歸方程中可看出，從20世紀80年代開始，各回歸方程的決定系數隨著年份的增加而逐步遞減，顯著性水平也有所減弱。通過以上分析表明大凌河中下游水沙變化主要受水保退耕還林(草)措施的影響。

3.5 演變原因探討

在前面的研究中可看出，水土保持措施是大凌河水沙演變變化的主要因素，為此根據大凌河中下游水土保持措施治理面積(見表8)，對大凌河水沙演變的原因進行探討。

從表8中可以看出，大凌河中下游從1980年開始其水土保持治理面積每5a的遞增比例可達到65%左右。大凌河流域從1995年起成為全國水土流失治理試點流域，水土治理的面積逐步擴大。2000年開始大凌河中下游流域水土流失治理的面積比例相比于20世紀90年代增幅高達105.2%。據統計大凌河中下游水土流失治理面積在2000—2015年達到29.2萬hm2，大規模的退耕還林還草以及淤地壩的建設是大凌河中下游水沙銳減的主導因素。上游白石和閻王鼻子2座大型水庫的調蓄作用也是其水沙演變的一個重要因素。此外，2000年

表8 大凌河中下游水土保持措施治理面積 單位：hm2

以后大凌河中下游人口經濟的發展也使得流域內的用水量增多、河道內的水量有所減少。

4 主要結論

(1)由于植被覆蓋度的增加，大凌河中下游相同降水條件下的產水產沙能力明顯減弱， 使得其進入河道的水量和沙量銳減，此外上游大型水庫的調蓄影響，也是其水沙下降變化的一個因素。

(2)由于河道內水量的減少，因此建議盡量減少直接取用河道內的水量，增加開發中水回用和外調水的取用水方案的實施，從而滿足流域內的用水需求。

(3)在后續的研究中還需要對不同類型水土保持治理措施下的水沙影響度進行定量分析，從而為優化區域水土保持措施提供依據。