基于水文學(xué)方法的南甸水文站近60年水沙演變成因分析

溫笑寒

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)是區(qū)域徑流量和輸沙量變化的主要成因，也是當(dāng)前河流水沙變化研究的熱點(diǎn)[1]。太子河是遼河的重要支流，河流水沙變化對(duì)于流域水資源利用開(kāi)發(fā)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)十分重要，也是影響區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素[2]。近些年來(lái)，對(duì)于太子河流域水沙變化特征分析的成果較多[3- 9]，但對(duì)于其變化成因尤其是定量分析的成果還較少，當(dāng)前水文學(xué)方法在國(guó)內(nèi)許多區(qū)域水沙變化成因定量分析中取得較為成熟的應(yīng)用[10]，但是在太子河流域還未得到具體應(yīng)用，為此本文以太子河流域的南甸水文站為例，結(jié)合該站點(diǎn)近60年徑流量和輸沙量，采用水文學(xué)方法對(duì)其水沙演變成因進(jìn)行定量分解，研究成果對(duì)于太子河流域水沙變化的成因具有重要的參考意義。

1 水沙演變成因分析方法

水文學(xué)方法首先需要確定基準(zhǔn)期，一般認(rèn)為基準(zhǔn)期為天然條件下的水沙變化，首先建立基準(zhǔn)期的降雨量和輸沙量以及與徑流量之間的回歸方程，以降雨量—徑流量回歸方程舉例說(shuō)明：

Rref=aPref+b

(1)

式中，Rref—天然條件下的徑流深，mm;Pref—天然條件下的降雨量，mm;a、b—線性回歸方程的系數(shù)。人類(lèi)活動(dòng)影響下的徑流深采用人類(lèi)活動(dòng)影響其下的降水量代入到方程(1)中進(jìn)行計(jì)算，其徑流深估算方程為：

Rfit=aPfit+b

(2)

式中，Rfit—人類(lèi)活動(dòng)影響下的徑流深，mm;Pfit—人類(lèi)活動(dòng)影響下下的降雨量，mm。則人類(lèi)活動(dòng)影響徑流深變化定量計(jì)算方程為：

ΔRfit=Ro-Rfit

(3)

式中，ΔRfit、Ro—人類(lèi)活動(dòng)影響下徑流深變化量估算值以及實(shí)測(cè)徑流深，mm。基準(zhǔn)期徑流深實(shí)測(cè)值和天然條件下徑流深估算值之間的差值即為徑流深受氣候變化影響值，其計(jì)算方程為：

ΔR=Rfit-RN

(4)

式中，ΔR—徑流深受氣候變化影響值，mm；RN—徑流深在基準(zhǔn)期的實(shí)測(cè)值，mm。

2 南甸站水沙演變特征分析

2.1 南甸水文站點(diǎn)概況

南甸水文站位于本溪縣南甸鎮(zhèn)小峪村，始建于1958年1月，集水面積765km2，為國(guó)家基本水文站。南甸水文站多年降水量均值在800mm左右，降水主要集中在汛期的6—9月份，占全年降水總量的比值在75%左右，多年徑流量均值分別為2.65億m3，多年輸沙量均值為1.74萬(wàn)t。為對(duì)南甸水文站水沙演變特征進(jìn)行系統(tǒng)分析，本文結(jié)合南甸站1959—2019年年徑流量和年輸沙量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，所有的資料均來(lái)源于《遼寧省水文年鑒》，并對(duì)各數(shù)據(jù)資料進(jìn)行可靠性、一致性、代表性的檢驗(yàn)，所用數(shù)據(jù)均通過(guò)了水文資料的三性檢驗(yàn)，可以用來(lái)對(duì)南甸水文站水沙演變特征進(jìn)行分析。

2.2 年水沙演變特征分析

結(jié)合南甸水文站1959—2016年年徑流量和年輸沙量數(shù)據(jù)，對(duì)其年水沙變化特征進(jìn)行分析，如圖1所示。

圖1 南甸水文站年水沙變化

從圖1中可看出，太子河南甸水文站年徑流量和年輸沙量呈現(xiàn)明顯遞減變化，采用M-K非線性變化檢驗(yàn)方法對(duì)南甸水文站年徑流量和年輸沙量變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值分別為-3.759和-5.745，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值絕對(duì)值大于2.32，均達(dá)到99%的顯著性檢驗(yàn)水平。

2.3 年代際水沙演變特征分析

在南甸水文站年水沙演變特征分析基礎(chǔ)上，對(duì)其不同年代際水沙及降雨量演變特征進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 南甸水文站年代際水沙及降雨量演變特征分析

從南甸水文站不同年代際水沙演變特征可看出，年代際輸沙量和徑流量變化具有同步性，即徑流量相對(duì)較低的年代其輸沙量也相對(duì)較低，80年代以及2000年代相比于70年代以前，年代際徑流量變化率均超高60%，而年代際輸沙量超過(guò)80%，從兩個(gè)年代際降雨量可看出，這兩個(gè)年代際降雨量相比于70年代也呈現(xiàn)遞減變化，但遞減幅度遠(yuǎn)超過(guò)降水量的遞減幅度，這主要因?yàn)槿祟?lèi)活動(dòng)對(duì)南甸水文站的影響，南甸水文站以上集水區(qū)域內(nèi)的中小型水庫(kù)的蓄水影響，加之河道取水的綜合影響，使得其年代際徑流量下降明顯，隨著太子河流域90年代開(kāi)始的退耕還林還草措施的影響，其輸沙量下降率明顯增加。

2.4 降雨-徑流量和降雨-輸沙量回歸方程的確定

為對(duì)南甸站水沙變化原因進(jìn)行定量評(píng)估，按照水沙演變的分析方法，需要結(jié)合各年代際南甸水文站年降水量及年徑流量數(shù)據(jù)，對(duì)其不同年代際的降雨-徑流量以及降雨-輸沙量的回歸方程進(jìn)行確定，結(jié)果見(jiàn)表2、如圖2所示。

從南甸各年代際降雨-徑流量以及降雨-輸沙量回歸方程的決定系數(shù)可看出，各年代際降雨-徑流量的決定系數(shù)均高于0.5，具有較好的線性回歸性，這主要是因?yàn)槟系樗恼疚挥谶|東地區(qū)，遼東地區(qū)屬于典型的蓄滿(mǎn)產(chǎn)流機(jī)制，使得其降雨-徑流量相關(guān)度較好，從其檢驗(yàn)水平可看出，除去2000年代外，其他年代際顯著水平P均小于0.005，通過(guò)90%的顯著檢驗(yàn)水平。除70年代外，其他年代際降雨-輸沙量回歸方程的決定系數(shù)均低于降雨-徑流量的決定系數(shù)，這主要是因?yàn)榻涤?輸沙量之間的總體相關(guān)度不高，遼東地區(qū)產(chǎn)沙機(jī)制較為復(fù)雜，降雨是其土壤侵蝕主因外，坡面徑流也對(duì)其土壤侵蝕產(chǎn)沙一定程度的影響，因而降低了其回歸方程的決定系數(shù)，但其各年代際降雨-輸沙量決定系數(shù)總體高于0.3，基本滿(mǎn)足回歸方程決定系數(shù)高于0.3以上的要求，其回歸方程的顯著水平均低于90%。

圖2 南甸子水文站各年代際降雨-徑流量及降雨-輸沙量相關(guān)圖

表2 南甸水文站不同年代際降雨-徑流量及降雨-輸沙量回歸方程

3 南甸水沙演變成因定量分解

采用水文學(xué)方法，在各年代際水沙演變及降雨-徑流量、降雨-輸沙量回歸方程建立的基礎(chǔ)上對(duì)其不同年代際水沙演變的成因進(jìn)行定量分解，分解結(jié)果見(jiàn)表3—4所示。

從南甸子水文站徑流量影響定量分解結(jié)果可看出人，各年代際人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流影響比例均超過(guò)降雨影響比例，從80年代開(kāi)始，人類(lèi)活動(dòng)影響比例總體呈現(xiàn)遞增變化，到2000年代人類(lèi)活動(dòng)影響比例相比于90年代有所下降，這主要是因?yàn)橄啾扔?0年代，2000年代的降雨量相對(duì)較大，使得該年代際降雨影響比例增加。80年代開(kāi)始隨著區(qū)域內(nèi)中小型水庫(kù)的投入運(yùn)行后，南甸水文站的年徑流量呈現(xiàn)逐年下降變化，加之區(qū)間來(lái)水量較少，使得80年代開(kāi)始人類(lèi)活動(dòng)對(duì)其影響比例逐年代際增加。從南甸水文站年代際輸沙量影響比例定量分解結(jié)果可看出，和徑流量影響較為一致，從80年代開(kāi)始，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)南甸子水文站輸沙量影響比例明顯高于降水影響比例，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)南甸水文站輸沙量影響比例均超過(guò)60%，一部分原因是南甸水文站徑流量的減少，一部分原因是從90年代開(kāi)始太子河河流域退耕還林還草水土保持治理措施的加大，使得區(qū)域水土流失量減少，使得南甸水文站的輸沙量也明顯減少。

表3 南甸水文站徑流量影響定量分解

表4 南甸水文站輸沙量影響定量分解

4 結(jié)論

(1)南甸水文站年代際輸沙量和徑流量變化具有同步性，即徑流量相對(duì)較低的年代其輸沙量也相對(duì)較低，80年代以及2000年代相比于70年代以前，年代際徑流量變化率均超高60%，而年代際輸沙量超過(guò)80%；

(2)南甸水文站以上集水區(qū)域?qū)儆诘湫偷男顫M(mǎn)產(chǎn)流機(jī)制，使得其降雨-徑流量相關(guān)度較好，而區(qū)域產(chǎn)沙機(jī)制較為復(fù)雜，降雨是其土壤侵蝕主因外，坡面徑流也對(duì)其土壤侵蝕產(chǎn)沙一定程度的影響，使得降雨-輸沙量相關(guān)度相對(duì)較低。

(3)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)南甸水文站輸沙量影響比例均超過(guò)60%，一部分原因是南甸水文站徑流量的減少，一部分原因是從90年代開(kāi)始太子河流域退耕還林還草水土保持治理措施的加大，使得區(qū)域水土流失量減少。