近60年来长江入海水沙演变规律及影响因素分析

2019-07-30郭文献王鸿翔

中国农村水利水电 2019年7期

郭文献，李越，王鸿翔

(华北水利水电大学，郑州 450045)

河流入海水沙是海陆互通的重要形式，是连接陆地与海洋系统物质循环的重要环节，是形成河口三角洲的重要控制因素[1,2]。近年来受自然条件和人类活动等因素影响，长江入海水沙通量已严重发生改变，许多学者对此展开了研究，如赵庆英等分析了对长江水沙变化之间的相关性[3]，方娟娟等研究了1946-2009年长江入海径流的变化趋势、突变等特征[4]，余雯等预测了大通站年内和年际变化规律[5]。但这些研究采用数据较为陈旧，且采用的研究方法主要集中在径流泥沙序列资料的长期趋势性变化，对于水沙不同尺度下的变化缺少相应的研究。本文在采用双累积曲线法和Mann-Kendall非参数检验法分析水沙长时间序列趋势变化的基础上，利用小波分析对长江近60年来不同尺度下的水沙变化进行研究，并深入分析影响长江入海水沙变化的影响因素。

1 研究资料

大通站水文站是长江下游最后一个不受潮流影响的控制站，位于安徽省贵池县，在支流九华河入口上游1 km左右，下距淮河入长江口339 km，距长江入海口620 km，是长江入海水沙的参考站。大通水文站通常视为长江干流流量的总控制站，控制流域面积为170.55 万km2，占长江流域面积的94.7%。本文选取大通水文站1953-2015年年径流量、年输沙量和年降雨量数据分析长江入海水沙变化，数据来源于《中国河流泥沙公报》和中国气象数据网。

2 研究方法

根据研究区内径流泥沙资料特点，采用累积曲线法、Mann-Kendall趋势检验法和小波分析法就长江入海水沙控制站径流泥沙变化情况进行分析。

2.1 双累积曲线法

双累积曲线是检验两个参数间关系一致性及变化的方法，通过在直角坐标系中绘制同时期内一个变量连续累积值与另一个变量的连续累积值关系曲线，可用于水文气象要素一致性检验、缺值插补及趋势性变化和强度分析[6,7]。

2.2 Mann-Kendall非参数检验

Mann-Kendall非参数检验通过计算时间序列数据的标准化变量UF，与某一置信水平α(取0.05)下的临界变量对比。当UF为正表示有上升趋势，为负则表示有下降趋势；当UF超出临界值时表明上升或下降趋势显著。同时对原时间序列的逆序列进行同样的统计量计算，使UB=-UF，若两条曲线在95%置信度水平内出现交点，表明在该时间点发生突变，方法具体计算参考文献[8,9]。

2.3 小波分析

小波分析的基本思想是一簇小波函数系来表示或逼近某一信号或函数。因此，小波函数是小波分析的关键，小波分析是指具有震荡性、能够迅速衰减到零的一类函数，即小波函数φ(t)∈L2(T)且满足：

(1)

式中：φ(t)为基小波函数，可通过尺度的伸缩和时间轴上的评议构成一簇函数系：

(2)

式中：φa,b(t)为子小波，若φa,b(t)是由式(2)给出的子小波，对于给定的能量有限信号f(t)∈L2(R)，其连续小波函数为：

(3)

3 径流泥沙演变规律

3.1 径流泥沙趋势性分析

根据长江下游大通水文站1953-2015年年径流量和输沙量数据，绘出径流量、输沙量变化过程线(图1)。从图1中可以看出，在1990s之前年输沙量和年径流量变化规律总体保持较好的一致性，既呈现大水大沙，小水小沙的状态；1990s后输沙量开始出现下降趋势，且下降幅度越来越明显。累积年径流量变化过程线在研究期间内基本保持为一条直线，说明近几十年来长江入海径流量无明显变化；累积年输沙量过程线呈明显上凸形态，主要表现为4个阶段。1970s之前基本呈直线状态，表明输沙量在此期间无明显波动变化，年均输沙量为4.95 亿t；70s后输沙量呈3个阶段的下降趋势，表现为70s到80s中期，年均输沙量为4.42 亿t；80s中期到2000s年，年均输沙量为3.59 亿t；2000s年以后，年均输沙量出现明显转折，表明年均输沙量显著下降，年均输沙量仅为1.56 亿t，与1970s之前相比，年均输沙量减少幅度达到68.48%。

为定量评估年径流量和年输沙量变化趋势，借助Mann-Kendall趋势检验法定量评估长江入海水沙年际变化趋势。经计算，年径流量的Mann-Kendall标准化变量M为-0.01，取显著性水平α=0.05，其对应的临界值为Mα=1.96，而|M|Mα，表明近几十年来长江入海输沙量下降趋势显著，通过95%置信度检验。

图1 大通站年径流量和年输沙量变化过程Fig.1 The annual runoff and sediment transport process of Datong station

3.2 径流泥沙突变性分析

对长江下游大通水文站年径流量和输沙量进行Mann-Kendall非参数检验分析(图2)可见，1956-1991年年径流量基本呈波动减少状态，其中1960年超过95%置信度检验。年输沙量在1953-1955年和1992-2008年呈增加状态，2008年后围绕0值上下波动，但均未超过95%置信度检验。年径流量UF和UB曲线交点出现在1955、1968、1972、1979、2006、2012年附近，且交点均落入0.05显著性水平内，表明这些年份径流量可能发生突变。年输沙量除1955-1958年和1964-1970年表现为增加趋势外，其余各时间段均呈减少状态，1989年后超出95%置信度检验，且下降趋势不断增强。年输沙量UF和UB曲线相交于1997年，并未落入0.05显著水平范围内，但考虑到1988-1996年间长江流域内16座大型水库建成蓄水[11]，拦沙效果显著，因此也将1997年考虑为可能突变年份。

图2 大通站年径流量和年输沙量Mann-Kendall统计值Fig.2 The annual runoff and sediment discharge Mann-Kendall statistics of Datong station

为了检验Mann-Kendall非参数检验法对大通站突变结果的准确性，采用均值差异T检验对上述突变结果进行验证，计算方法参考文献[12,13]。选取显著性水平α为0.01，其对应的临界值tα为2.704，计算结果参见表1。对于年径流量，当M=3时，突变指数为0.86，对应的统计量为3.56>tα，通过99%显著性检验，表明径流量在第3个基准年发生显著性变化，即年径流量在1955年发生突变。对于输沙量，当M=45时，突变指数为1.39，对应的统计量为10.33>tα，通过99%显著性检验，表明输沙量在1997年发生突变。

表1 大通站年径流量和输沙量均值差异T检验Tab.1 The T-test of mean of runoff and sediment at Datong station

3.3 径流泥沙周期性变化

从图3小波分析中可看出径流量存在着明显的年际变化特征，径流量从上至下存在着19～23、7～11、3～5 a的3类尺度周期变化规律。其中在较大尺度的19～23 a周期中，径流量经历了丰→枯→丰→枯→丰→枯→丰→枯→丰的9次循环交替，具体时间为：1956年前、1965-1971年、1980-1986年、1996-2003年、2013-2015年小波系数为正，表示为丰水期；1957-1964年、1972-1979年、1987-1995年、2004-2012年小波系数为负，表示为枯水期。并且该时间尺度的周期变化在研究期间内表现较为稳定，具有全局性。相反，在7～11、3～5 a两类小尺度周期上则有更频繁的丰枯变换。由径流量小波方差图可以看出，年径流量变化的主周期为23、11、5 a，其中以23 a为主周期的小波方差最大，表明该时间尺度上的周期性最为显著。

图3 大通站径流量小波分析等值线图和小波方差Fig.3 Wavelet analysis contours and wavelet variances of runoff at Datong

年输沙量的周期性变化与年径流量的周期性变化既有相似之处但又存在一定差别。从图4可以看出，输沙量主要存在着19～24、10～13、3～5 a的3类尺度周期变化规律。在19～24 a的周期上，输沙量经历了多→少→多→少→多→少→多→少→多的9次变换，表现为：1956年前、1964-1970年、1980-1986年、1995-2003年、2013-2015年小波系数为正，表示为多沙期；1957-1963年、1971-1979年、1987-1994年、2004-2012年小波系数为负，表示为少沙期。在大尺度周期上，年输沙量自1970年后19～24 a的周期性变化上更为稳定，与上述分析中年输沙量自1970年后开始呈下降趋势相一致，说明自1970年以来，受长江上游各种因素的综合影响下，在大时间尺度上年输沙量稳定在19～24 a的周期性变化；在小尺度周期上，年输沙量“多→少”交替循环更为频繁，波动性更强。从小波方差图中可以看出，输沙量变化以24、13、5 a为主周期。

图4 大通站输沙量小波分析等值线图和小波方差Fig.4 Wavelet analysis contours and wavelet variances of sediment at Datong

3.4 径流泥沙双累积分析

双累积曲线法主要利用水沙累积的变化特点研究径流泥沙的变化，当双累积曲线为一条直线时，表明径流泥沙无明显变化；若累积曲线在某点发生明显转折，则表明水沙关系发生显著变化[14]。根据上述径流泥沙趋势性、突变性分析和大通站径流量—输沙量双累计曲线(图5)，将大通站径流泥沙时间序列划分为1953-1970年、1971-1996年、1997-2015年3个阶段。

图5 大通站径流量—输沙量双累积曲线Fig.5 Double mass curve between runoff and sediment at the Datong statin

从图5中可以看出，3个阶段的线性拟合方程斜率表现为减小趋势，1971-1996年线性拟合方程斜率减少相对平稳，而1997-2015年线性拟合方程斜率明显降低，说明大通在年输沙量在近十多年来迅速减少。通过大通站径流量—输沙量双累积曲线的线性拟合方程估算各阶段累积输沙量的减少量，具体计算方法参见文献[15]。分别将1996年和2015年大通站累积径流值(390.88×1011m3和558.92×1011m3)分别代入公式y=0.572 4x-3.294 5和y=0.470 4x+14.454，可得1996年和2015年在曲线转折前的累积输沙量分别为220.45和277.37 亿t。将1996年和2015年大通站累积径流值分别代入y=0.470 4x+14.454和y=0.204 1x+118.85，可得1996年和2015年在曲线转折后的累积输沙量分别为198.32和232.93 亿t，即1971-1996年和1997-2015年两个阶段的累积减沙量分别为22.13和44.44 亿t。

4 径流泥沙演变影响因素

4.1 自然因素

流域产水产沙是流域降水和下垫面共同作用的结果，而降水是影响流域水沙量最直接的因素[16]，故本文主要考虑降水对径流泥沙的影响。根据1953-2015年长江入海控制站大通站径流、泥沙和降水量数据，点绘降水与径流、泥沙年际变化过程线。由图6可见，研究期间内大通站年径流量、年降水量基本上没有大的波动变化，两者变化趋势基本保持一致，保持较好的相关性。而年降雨量和年输沙量在1998年前变化趋势基本保持一致，1998年后年输沙量显著下降，而降水量在此期间并无明显变化，年降水量和年输沙量变化出现明显偏差。进一步采用Mann-Kendall趋势检验法对年降雨量进行分析，结果表明年降雨量的Mann-Kendall的标准化变量M为0.56，小于1.96，表明降雨量变化趋势不明显。大通站降水量变化不明显，而年输沙量显著减少，与降水变化出现偏差，可以认为降水量对长江入海泥沙量无明显影响，主要是由人类活动造成的。

图6 大通站年降雨量与径流泥沙的变化关系Fig.6 Relationship between rainfall and runoff, sediment at Datong

4.2 人类活动

4.2.1 水库拦沙的影响

长江流域干支流水利工程众多，其中以水库为主，这些水利工程为社会带来经济效益的同时也会对河流调蓄及泥沙运输产生影响。长江流域干支流典型水库如表2所示，水库有关资料摘自于相关文献及网站[17-20]。从表中可以看出，长江流域自20世纪70年代之前开始建立一系列的水利工程，但是水库库容较小，且大多处于支流流域，对干流水沙影响较小，故70年代之前输沙量基本无明显变化；随着水利水电工程不断开发，水库拦沙效应逐渐增大，80年代长江流域累积库容达到476.2 亿m3；2000年累积库容为808.3 亿m3；截止到2015年，特别是三峡水库建成蓄水后，大通站上游水库累积库容已达到1 840.2 亿m3。随着大型水库的不断建成蓄水，拦截上游来沙，直接造成长江入海输沙量显著减少。

表2 长江流域典型大型水库及建设情况Tab.2 Typical reservoirs and their conditions in the Yangtze River

4.2.2 河道采砂的影响

河道采砂造成河道下切，河道局部过水面积增大，致使采砂河段发生泥沙淤积，直接减小了下游河道的输沙量[21]。长江河道采砂始于20世纪70年代后期，到80年代逐步形成大规模开采之势[22]，随着建筑用砂需求不断增加，90年代滥采乱挖现象严重。自2002年实施《长江河道采砂管理条例》以来，长江河道采砂开始有序解禁，河道采砂主要集中在长江中下游(图7)，2004-2012年长江中下游河道年均采砂量可达3 550 万t，2004-2009年度实际采砂总量逐年增加，其中仅2009年采砂量达到7 020 万t，而大通站2009年年输沙量仅为11 000 万t，实际采砂总量占到大通站年输沙量的63.82%。2010年后长江中下游河道年均实际采砂量为4 680 万，2011年实际采砂总量占大通站年输沙量比例最高，达到58.98%。近年来长江河道采砂量还有不断增加的趋势，预计年均采砂量可达4 500 万t。人为采砂破坏了河流生态系统平衡状态，造成上游来沙淤积在采挖坑内，进一步减少下游河道泥沙含量。

图7 长江中下游年度实际采砂量与大通站年输沙量变化Fig.7 The changes of annual practical volume of sand mining and annual sediment at Datong

4.2.3 水土保持的影响

流域水土保持措施对流域泥沙输移的影响体现在对输沙量的减小上，水土保持工程是河流输沙量减少的主要原因之一[23]。自1989年长江流域实施“长治”工程实施以来，上游水土流失最为严重的“四大片”(金沙江下游及贵州毕节地区、嘉陵江中下游、陇南陕南地区和三峡库区)水土流失面积减少了40%～60%，坡耕地减少近80%，荒山荒坡基本消失，小流域土壤减侵率超过70%，截止2008年长江上游累计治理小流域5 000 余条，完成水土流失治理面积9.58 万km2[24,25]。根据《2006-2015年长江流域水土保持公报》调查显示，2006-2015年长江流域累计治理水土流失面积达14.73 万km2。水土保持工程措施提高了河流拦沙能力，同时也对下游河流输沙量减少有着直接影响。