大凌河下游近55年水沙演变趋势及突变特征分析

贾玉娟

(辽宁省水文局，辽宁 沈阳 110003)

大凌河下游主要位于辽宁的西部区域，辽宁西部属于水土流失较为严重的区域，近些年来，随着气候变化以及区域内水土流失治理力度的加大，大凌河下游的水沙关系受到不同程度的影响。对于区域水沙演变进行趋势分析，有流域区域水生态规划和治理措施的制定。国内学者对于流域水沙演变趋势进行了许多相关研究[1-5]，当前水沙演变趋势分析较为成熟的是显著性突变检验方法[6-10]，为此文章根据显著性突变检验方法，结合大凌河下游主要的控制站义县水文站1961—2016年近55年的实测水沙数据，对大凌河下游的从1961—2016年的水沙演变进行趋势分析。

1 区域概况及研究方法

1.1 区域概况

大凌河下游主要位于辽宁省锦州市内。义县水文站位于锦州市义县义州镇东北街，白石水库下游34km处，是大凌河的重要控制站，义县集水面积为18723km2，义县站距离河口的距离为103km。断面保证水位65.12m，保证流量11000m3/s。白石水库至义县水文站洪水传播时间7～10h。

1.2 数据资料概况

文章选用义县站1961—2016年近55年实测日流量和日含沙量数据，数据来源为辽宁省水文年鉴，所有数据都通过了可靠性、一致性、连续性的三性检验，并统计了义县站1961—2016年逐年和逐月的径流量和输沙量，用于分析不同时间尺度的水沙演变和突变特征的分析。

1.3 研究方法

1.3.1 趋势非线性检验方法

采用M-K非线性趋势检验方法对年和季节尺度的气象要素进行检验，该方法假设时间数据序列(x1，x2，…，xn)为独立、随机同变量分布的样本序列，检验统计变量S计算方程为：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—正态分布的检验统计变量；xi和xj—同一样本中不同分布的两个系列，其中1≤j≤i≤n；σs—标准方差；sign—运算符号；n—样本的总个数；Z—检验值，若Z>0，检验的时间序列为上升变化趋势，若Z<0，检验的时间序列为上下降变化趋势。Z的绝对值大于或等于2.32、1.64、1.28，表示通过置信度分别为99%，95%以及90%的显著性检验水平。

1.3.2 突变分析方法

突变分析是定义一个统计量ck来分析n个独立的、随机变量同分布的样本数据序列(x1，x2，…，xn)，计算方程分别为：

(5)

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

(6)

σ(ck)=k(k-1)(2k+5)/72

(7)

(8)

式中，m—第i个样本xi>xj(1≤j≤i)的累积数，E(ck)和σ(ck)—ck的均值和方差，UFk—ck的标准化。按逆序列数据(xn，xn-1，…，x1)重复上面过程，使|UBk|=-UFk，k=n，n-1，…，UB1=0。如果UF和UB两条曲线在置信区间内出现交点，即为可能的突变点。

2 水沙演变趋势分析

2.1 趋势演变分析

文章结合义县站实测流量和含沙量数据，统计了大凌河下游义县站1961—2016年年径流和年输沙量的变化趋势，分析结果如图1和图2所示。

从图1中可以看出，大凌河下游的年径流量总体呈现下降趋势，经计算，其M-K统计为-1.62，通过95%的显著性检验，大凌河下游年径流呈现较为明显的递减趋势。从年代际的径流变化过程可以看出，在20世纪70年代和80年代大凌河下游年径流量呈现一定上升趋势，其他年代年径流都呈现递减趋势。从图3中可以看出，大凌河下游的年输沙量也呈现较为明显的递减趋势，其M-K统计值为-1.85，也通过95%的显著性检验。从输沙量年代际的变化趋势可以看出，70年代大凌河下游输沙量递减，而径流递增，表明水土保持措施(退耕还林)起到较为明显的效果。而80年代大凌河下游输沙量递增的原因主要是受到径流递增的影响。

2.2 水沙相关性分析

在水沙趋势演变分析的基础上，对大凌河下游义县站各个季节的水沙相关关系进行分析，分析结果如图3所示。

图1 大凌河下游径流量年变化趋势

图2 大凌河下游输沙量年变化趋势

图3 大凌河下游不同季节水沙年相关性分析

从图3中可以看出，大凌河下游在夏季、秋季、冬季的水沙相关性均较高，相关系数均高于0.6，呈现高度相关性，而在春季，由于出现奇异点，使得春季大凌河下游的水沙相关性低于其他几个季节。可见，大凌河下游的环境变化未对区域水沙相关关系造成影响。区域水沙关系较好。基于该相关关系，可以建立大凌河下游水沙相关方程，结合气候变化模式对未来水沙演变进行预测分析。

3 水沙突变特征分析

3.1 突变分析

结合显著突变分析方法对大凌河下游年径流和年输沙量的突变特征进行分析，分析结果如图4所示。

图4 大凌河下游水沙突变特征分析

从大凌河下游年径流和年输沙量的突变特征分析结果可以看出，大凌河下游年径流变化突变年份出现在1985年，而输沙量突变的年份出现在1994年，而对义县水沙关系有影响的水利工程为白石水库，白石水库运行年份为2000年，可见水利工程对大凌河下游水沙突变基本没有产生影响，大凌河下游年径流和年输沙量突变原因主要是受气候变化影响。

3.2 水沙关系突变分析

为分析人类活动对大凌河下游水沙关系的影响，结合径流和输沙量的双累积曲线分析大凌河下游水沙关系的突变特征，分析结果如图5所示。

图5 大凌河下游汛期和非汛期的水沙双累积曲线

水沙双累积曲线综合反映水沙变化的特征，当受降水影响，水沙双累积曲线的斜率不发生变化，而当受到人类活动影响，水沙双累积曲线的斜率发生偏移。从大凌河下游汛期和非汛期水沙双累积曲线可以看出，汛期水沙累积曲线斜率发生偏移的年份为1994年，这主要是在1994年辽宁省颁发了水土保持条例，加强了辽宁西部水土保持的力度，使得在1994年水沙累积曲线出现斜率的偏移。从图6可以看出在非汛期斜率偏移较为不明显，这是由于非汛期水量和输沙量较少，人类活动对水沙累积曲线的影响较弱。

4 结论

文章结合显著突变检验方法对大凌河下游近55年的水沙演变趋势进行特征分析，得出以下结论。

(1)受变化环境影响，大凌河下游径流和输沙量出现较为显著的递减趋势，20世纪70年代受退耕还林的水保措施影响，大凌河下游输沙量在径流增加的情况下出现明显的递减。

(2)除春季外，其他季节水沙呈现高度正相关，可建立大凌河下游水沙相关方程，结合气候变化模式对未来水沙演变进行预测分析。

(3)水利工程对大凌河下游水沙变化影响较弱，下游水沙变化主要受气候变化影响。