松花江水沙变化态势与影响因素

隋高阳,于莉,隋栋梁,李雪梅



松花江水沙变化态势与影响因素

隋高阳1,于莉2,隋栋梁3,李雪梅4

1. 山东省水利勘测设计院, 山东 济南 250010 2. 济南市水文局, 山东 济南 250015 3. 山东省诸城市水利水产局, 山东 诸城 262200 4. 山东省泰安市水利和渔业局, 山东 泰安 271000

松花江流域的水沙变化将在很大程度上影响流域内人类的活动。本文利用累积曲线法、M-K次序分析法和有序聚类法就松花江各主要支流1955~2013年的水沙变化特征进行研究，结果表明：松花江干流及嫩江的年径流量显著减少，主要支流第二松花江没有明显的变化趋势；第二松花江年输沙量明显减少，干流和嫩江有显著的变化趋势。结合松花江各支流水沙变化的特征，分析了松花江气候降雨、植被覆盖与水土保持、水库建设和过度建设对水沙变化的影响。

松花江; 水沙变化; 态势; 影响因素

松花江位于中国东北地区北部，是黑龙江最大的支流，属我国七大江河之一。松花江有南北两源，北源嫩江与南源第二松花江，有头道江、二道江、辉发河、饮马河、嫩江、牡丹江等大小数十条河流汇入。江水从南源长白山天池出发，流向西北在吉林省扶余市三岔河镇附近与北源嫩江汇合，后转向东流，形成松花江干流，全长1927 km。河长、水资源总量均位居第三，总流域面积55.72万km2。多年平均径流量和输沙量分别为626.1×108m³、1244.7×104t。松花江流域上游嫩江、第二松花江分别由大赉、扶余水文站控制，干流由佳木斯站控制。

图1 松花江水系图

近年来，不少研究分析松花江流域的水沙变化[1,2]，研究水沙输移规律变化趋势，对于松花江的合理开发和综合治理有着重要意义。但松花江河道水沙变化的研究不够全面，而且对于水沙变化的成因分析较少。因此，本文结合中国河流泥沙公报提供的资料，利用累积曲线法、M-K分析法和有序聚类法，就松花江主要水文控制站的水沙变化特征开展研究，具有重要的应用价值。

松花江水沙变化特征，表1为各站水沙标准化变量和不同年代的特征值。结合这些分析图表，以下就各主要河流水文站的水沙变化态势进行分析。

表 1 松花江主要测站各年代径流量与输沙量及其变化趋势（单位:亿m3）

1 松花江主要支流水沙变化态势

1.1 嫩江

嫩江为松花江北源和最大支流，发源于伊勒呼里山，自北向南流，全长1370 km，流域面积29.7万km2。其控制水文站大赉的多年平均径流量和输沙量分别为207.9亿m3和165.2万t。大赉站径流量的标准化变量值为-2.871，其绝对值大于1.96，而其径流量的单累积曲线呈上凸的波动状态，表明嫩江的径流量总体呈明显的减小趋势，如50至70年代平均径流量分别为306.4亿m3、242.3亿m3、136.4亿m3，持续减少，到90年代又增至260.0亿m3，2000年代大幅减为138.0亿m3。嫩江大赉站输沙量的标准化变量值为-1.027，其绝对值小于1.96，同时输沙量单累积曲线基本为直线状态，表明嫩江来沙量总体变化不大，年输沙量在多年平均值上下波动，其中1998年大洪水引起沙量突然增大。大赉站输沙量从50年代的144.7万t增至60年代的149.7万t，至70年代减为94.5万t，1990年增加为226.9万t，2000年代又减少为203.1万t。

大赉站径流量和输沙量双累积曲线在80年代前呈直线状态，至90年代中后期向下偏离，90年代末又偏向上。说明沙溪来水含沙量在80年代前趋势基本不变，随后经历一个先减小后增加的波动。

图 2 大赉站水沙量累积曲线

2.2 第二松花江

松花江南源第二松花江，发源于长白山脉白头山的天池，全长958 km，流域面积7.34万km2。其控制水文站扶余的多年平均径流量和输沙量分别为149.2亿m3和20345万t。扶余站径流量的标准化变量值为-1.210，其绝对值小于1.96，且径流量的单累积曲线基本上呈直线状态，表明第二松花江的径流量略有减小，但变化不大，如50年代平均径流量为177.0亿m3，70年代减为127.6亿m3， 80年代增至154.1亿m3，2000年代又减为147.1亿m3。扶余站输沙量的标准化变量值为-2.975，其绝对值大于1.96，同时输沙量单累积曲线为明显的上凸状态，表明第二松花江来沙量总体呈现明显的减少趋势。扶余站输沙量从50年代的263.3万t增至60年代的272.7万t，70年代后持续减少，2000年代仅为145.9万t。

扶余站径流量和输沙量双累积曲线总体呈现上凸的态势，70年前呈直线，80年代后向下偏转，说明第二松花江来水含沙量70年代前基本不变，80年代后扶余站输沙量减小幅度明显。

图 3 扶余站水沙量累积曲线

2 松花江干流水沙变化态势

松花江干流长939 km，流域面积18.64万km2。主要支流有拉林河、蚂蚁河、牡丹江、倭肯河、呼兰河及汤旺河。其控制水文站佳木斯站的多年平均径流量和输沙量分别为635.0亿m3和1258.7万t。其径流量标准化变量值为-2.936，远大于1.96，对应的单累积曲线总体表现为波动的上凸状态，表明松花江干流的径流量明显减少，但呈一定的周期性，其径流量从上世纪50年代的831.9亿m3减少至70年代的496.7m3，80年代增加至712.7亿m3，至2000年代又减为484.0亿m3。松花江干流输沙量标准化变量值0.177，其绝对值小于1.96，且单累积曲线基本上呈直线状态，表明输沙量总体趋势变化不大，其年输沙量在多年平均值上下波动。在上世纪50年代至70年代呈减小趋势，输沙量分别为1411.0万t、1264.9万t、710.3万t，80年代开始增加，至90年代增为1811.7万t，2000年代又减小为1154.6万t。

松花江干流水沙量双累积曲线在70年前呈直线状态，1970年至1980年双累积曲线向下偏离，80年代后向上偏转，2000年后基本不变。表明其来水含沙量1970年前基本不变，70年代略有减小，1980年后开始增加，2000年后基本不变。

图4 佳木斯站水沙量累积曲线

松花江干流水沙变化不一致的主要原因是，松花江为少沙河流，水库拦沙效果并不显著，且河流经过松嫩平原，下游河道发生冲刷，输沙量恢复。因而虽径流量明显减小，但没有影响到输沙量的大小，水沙变化趋势不一致。

3 松花江水沙态势变化成因

松花江流域自然条件优越，资源丰富，其径流量、输沙量主要取决于气候降雨、植被覆盖与水土保持、水库建设和过度建设等因素的影响。

3.1 气候降雨

气候变化引起降水量变化，直接导致径流量发生变化，从而影响输沙量的变化趋势。根据资料显示[3]，嫩江流域汛期降水变化过程与年降水变化过程基本一致，两者相关关系较好，相关系数尺2=0.891；嫩江流域径流随降水减少而减少，但径流量减少幅度远大于降水减少幅度，说明径流的减少除降水的影响外，还有其他因素，如蒸发，流域蒸发越强烈，径流量越小。

图 5 嫩江流域年降水和年径流的年际变化

松花江干流佳木斯1960~2010年各年代降水量分别为554.08 mm、487.98 mm、566.72 mm、559.92 mm、505.19 mm，而佳木斯水文站相应各年代的年径流量分别为751.9亿m3、496.7亿m3、712.7亿m3、691.6亿m3、428.3亿m3，降水量和径流量都呈减少-增加-减少的趋势，说明流域降水量在一定程度上影响径流量的变化。另外，根据松花江干流佳木斯站降水量与径流量的关系，可知径流量与降水量之间的相关系数为0.832，说明径流量的变化与降水量之间存在着显著的相关关系，降水量决定径流量；输沙量与降水量之间的相关系数为0.649，说明输沙量与降水量的关系密切。

表2 松花江径流量、输沙量和降水量各年代特征值

图 6 松花江水沙量与降水量关系

3.2 植被覆盖与水土保持[4]

近几十年来，嫩江流域土地利用活动强烈地改变了地表的性质，进而改变了流域水文过程。由图6可见，降水与径流的变化并不完全一致，可见径流在很大程度上受外在因素的影响。沼泽、湖泊、林地和草地面积与流域的年降水量、年径流量等关系密切，其中径流与沼泽面积的关系最为密切，其次为林地。主要表现在1986~1996年沼泽由194.8万hm2增加到197.0万hm2，林地面积由926.0万hm2增加到987.0万hm2，都略有增加，径流量减少；1996~2000年沼泽减少到177.0万hm2，、林地到2000年减少到951.0万hm2，面积大幅度减少，径流量增加明显。综上所述，嫩江流域总降水减少的同时，地表径流有增加的阶段，主要是受土地覆被各类型面积变化的影响。

1985~1995年，吉林省开展以荒山荒地植树造林为主的水土流失综合治理；1999年，国家决定“北大荒”全面停止开荒，实行退耕还“荒”(还林、还草、还湿地)；2000年，国家实施天然林保护工程[5]；2003年正式启动了东北黑土区水土流失综合治理试点工程[6]。根据第一次全国水利普查水土保持情况公报，截至2011年吉林省、黑龙江省的水力侵蚀总面积分别为34744 km2、73251 km2，两省水土保持面积分别为14954.5 km2、26562.6 km2。这一系列的措施使得松花江干流的输沙量在90年代中期开始持续减小。

3.3 水库建设

为了充分利用松花江的水能资源，在松花江主要支流已修建或在规划很多水库，水库修建后将调节河流水沙过程，拦蓄了部分径流和泥沙，水库泥沙淤积，减小了进入下游的输沙量。据统计，目前松花江流域已建成大型水库26座，总库容397.42亿m³。其中，嫩江流域9座，总库容121.93亿m³；第二松花江3座，总库容175.44亿m³；松花江干流及中下游支流14座，总库容100.05亿m³。对比输沙量减小幅度明显的支流第二松花江，可以看出：第二松花江扶余站80年代末期开始输沙量持续减少，与1982年、1985年分别建成的白山水库和红石水库不无关系，总库容为67.51亿m³。受这些水库的综合影响，第二松花江的泥沙1988年后持续减少，这与水文控制站的年输沙量变化过程是一致的。

表 3 松花江流域大型水库状况

应用流域水库调控系数和输沙模数，来检算各支流水库建设与输沙量变化的相关性，计算结果见表4。

嫩江、第二松花江、松花江干流的-相关系数分别为0.1128、0.7136、0.2583，表明水库的修建是河流输沙量变化的重要影响因素。其中第二松花江的相关系数最大，为0.7136，说明其输沙量的变化是由流域上修建的水库决定的。图7为松花江流域各支流以及干流的水库调控系数-输沙模数关系曲线。第二松花江的-曲线趋势与松花江干流的趋势较为一致。其原因是建设的水库累积库容沿程增加，拦截的沙量越大，输沙模数就越小，因而佳木斯站的输沙模数较小。

表 4 流域水库调控系数x-输沙模数y相关性检验

嫩江、第二松花江、松花江干流的来沙系数与流域水库调节系数如图8所示，嫩江和松花江的来沙系数随着流域水库调节系数的增加而增加。这是由于累计库容随着时间增加，而其径流量减小明显、输沙量变化不显著，因而河流含沙量增加，导致来沙系数增大。另外，第二松花江的来沙系数与流域水库调控系数的相关关系不明显，说明该支流上水库建设对来沙系数的大小并无直接影响。

图 7 松花江水库调控系数-输沙模数

图 8 来沙系数与流域水库调节系数的关系

3.4 过度建设

由于人类在社会、文化、经济等因素制约下，违背自然规律，进行不合理的生产活动等，将引起严重的水土流失。主要表现为人口增加、开垦规模增大，开矿规模扩大，交通及其他基本建设发展迅速。过度粗暴的开矿修路、开荒、开工厂等人类活动，由于忽视了生态环境和水土保持工程的实施，使得流域水土流失面积增加，相应的土壤侵蚀量也会大量增加。1958~1961年大跃进期间爆发“北大荒”运动，进行了大规模不合理地毁林毁草开荒、陡坡开垦活动，造成草场退化、沙化和水土流失加剧；另外全国大量修建水库，松花江流域3年期间修建了大型水库9座，总库容达33.69亿m³。在改革开放初期，修路、开矿、办工厂等快速发展的同时，没有充分重视水土保持措施，造成流域水土流失加重，松花江在80年代输沙量明显增。

4 结论

（1）除第二松花江径流量减少不明显外，嫩江和松花江干流的年径流量有明显减小的趋势；

（2）松花江干流的年输沙量没有显著的变化趋势，主要支流嫩江沙量减小趋势不显著，而由于流域内人类活动频繁，进行了修建水库、实施水土保持工程等人类活动，第二松花江扶余站的年输沙量具有明显的减少趋势；

（3）影响水沙变化的主要因素是气候降雨、植被覆盖与水土保持、水库建设和过度建设等人类活动，其作用也有很大的差异。流域内80年代的水库建设是持续调水拦沙的重要突变时点，水土保持工程具有长期的保水拦沙效益，过度建设会增加河道输沙量。

[1] 王双银,谢萍萍,穆兴民,等.松花江干流输沙量变化特征分析[J].泥沙研究,2011(4):67-72

[2] 吴亚楠,李鸿雁,王玉新,等.第二松花江流域近75年降水量变化特征分析[J].安徽农业科学,2012,40(4):2257-2259,2263

[3] 陆志华,夏自强,于岚岚,等.松花江流域年降水和四季降水变化特征分析[J].水文,2012,32(2):62-71

[4] 徐东霞,章光新,尹雄锐.近50年嫩江流域径流变化及影响因素分析[J].水科学进展,2009,20(5):416-421

[5] 李林育,焦菊英,李锐,等.松花江流域河流泥沙及其对人类活动的响应特征[J].泥沙研究,2009(2): 62-70

[6] 鄂竞平.加强领导明确重点全力搞好东北黑土区水土流失综合防治试点[J].中国水土保持,2003(11):1-3

Changing Trend and Influencing Factors of Water and Sand in Songhua River

SUI Gao-yang1, YU Li2, SUI Dong-liang3, LI Xue-mei4

1.250010,2.250015,3.262200,4.271000,

The variation of water and sand in Songhua River Basin will affect human activities to a great extent. In this paper, the variation characteristics of water and sediment in the main tributaries of Songhua River from 1955 to 2013 were studied by using the cumulative curve method, M-K sequence analysis method and ordered clustering method. the annual runoff of Songhua River and Nenjiang River was significantly reduced. Songhua River No.2, the main tributary, has no obvious change trend. The annual sediment discharge of Songhua River No.2 is obviously reduced, and the main stream and Nenjiang River have a marked trend of change. Based on the characteristics of runoff and sediment variation in each branch of Songhua River, the effects of climate rainfall, vegetation cover, soil and water conservation, reservoir construction and excessive construction on the changes of water and sediment were analyzed.

Songhua River; water and sediment variation; situation; influencing factor

P333

A

1000-2324(2018)05-0819-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.05.019

2017-10-22

2017-11-25

山东省省级科研与推广项目:水利现代化标准体系研究(SDSLKY201709)

隋高阳(1990-),男,本科,助理工程师,研究方向:河道治理. E-mail:423636050@qq.com