基于大凌河流域泥沙变化的影响研究

2019-10-15

中国水能及电气化 2019年8期

(辽宁省锦州水文局，辽宁锦州 121000)

土地利用类型和气候环境变化效应研究的重要内容是对河流水沙变化的分析，对于促进流域泥沙治理和水土保持规划具有重大意义[1]。在GWSP、IGBP、WCRP等国际研究计划中，都涉及有植被覆盖率与土地利用形式对河流水文的影响研究，并在水文效应方面取得了理想的研究成果[2-3]。然而，由于应用技术和研究方法存在一定的局限性，使得水文模型法、水保法以及水文法等研究成果无法满足水资源配置、水土保持规划的建设与决策需求。目前，在大凌河流域水资源开发利用过程中，实施了水土保持、引水灌溉、水库建设等一系列工程措施，从而显著改变了流域下垫面条件以及径流、输沙特征，而涉及大凌河流域泥沙变化的影响研究略显不足，不利于该流域水土流失和治理规划以及水土资源的可持续利用[4]。鉴于此，本文依据大凌河流域来水来沙特征以及相关数据资料，对河流水沙变化临界年份以及降水、输沙变化规律进行深入研究，并对不同时段的输沙衰减量及其所占比重运用降水—输沙双累计曲线和时间序列对比分析法进行定量的计算，以期为促进区域经济发展和水土保持规划提供一定的决策依据。

1 大凌河流域概况

大凌河全长为398km，流域总面积2.35万km2，流域内河网密布，主要有忙牛河、老虎山河、凉水河子、西河等支流，在促进区域工农业发展以及居民生活用水等方面具有不可替代的作用[5]；大凌河流域属于半湿润季风气候，四季分明，夏热多雨，冬冷干燥，年均气温为8.0～12.6℃，年降水量在460mm左右。资料显示：每年的7—8月为降雨汛期，其中63%以上降水发生在汛期，并且主要以强降雨和暴雨形式出现。大凌河流域地形为山间河谷平原区、低山丘陵区和下游平原区，并以低山丘陵区为主，流域内农业发展还是以漫灌为主，水资源设施落后且利用效率低，中上游水土流失和水体污染较为严重，并对水文循环和生态环境构成潜在威胁。自20世纪70年代起，大凌河流域实施了大规模的植被措施治理工程，水土保持治理面积占总流域的32%以上[6]。流域内经济发展速度较快，交通运输发达，浅层地下水和地表水资源丰富，光热资源充足，为促进区域农业发展和原材料加工供应提供了有利条件。

2 研究方法

2.1 数据来源

大凌河流域1956—2012年的泥沙、径流、降水等数据资料来源于《中国河流泥沙公报》和大凌河流域水文年鉴，并采用叶柏寿、朝阳、六和城、建陵水文站监测平均值作为流域水面降水量数据。为了获取连续的水文资料，对1958年朝阳站缺测的径流量数值利用年代均值法进行插补计算，并对缺测的年输沙量根据实测径流量和水沙关系进行确定。根据1956—1992年相应序列分析年内输沙和降雨变化特征，选择1956—2012年序列作为年际变化分析依据。

2.2 分析方法

2.2.1 时间序列对比分析法

对比分析法是对不同水土保持措施下的水文效应，利用集水区在非治理期和治理期的实测资料进行分析，主要包括时间序列和集水区的对比分析两个方面[7]。水土保持治理前后临界年份的确定为应用时间序列对比分析法的关键环节，该方法主要是依据相同水文站实测资料对同一流域治理前后的水文要素变化作出评价，从而揭示流域水沙变化与水土保持之间的作用关系。

2.2.2 Mann-Kendall秩相关法

Mann-Kendall秩相关法，是一种不受异常数值干扰和样本不需要服从一定分布的非参数统计检验方法，因具有定量化程度高、人为影响因素少以及趋势检测能力好等优点，广泛应用于水文序列和气象参数的分析方面。对跃变变化的确切时间根据长序列要素均值变化的发生时间来确定为该检验方法的核心内容，其基本理论为[8]：引入x1,x2,…,xn为n个样本量构成的时间序列，从而可建立相应的秩序列：

(1)

在假定序列随机独立的条件下，可将统计量定义为如下形式：

UFk=[Sk-E(Sk)]/[Var(Sk)]1/2，(k=2,3,…,n)

(2)

式中，Var(Sk)、E(Sk)分别为累计样本数Sk的方差和均值，其中UF1值为0，在有相同连续分布且相互独立的时间序列x1,x2,…,xn中，可根据下式计算方差与均值：

(3)

UFk随着n的不断增加逐渐收敛于正态分布，UFk值的正、负代表分别代表样本序列的上升与下降趋势[9]。通过对正态分布表的查询，对给定的显著水平α，如果|UFk|>Uα，则代表时间序列具有显著的变化趋势；如果超过α=0.05的临界水平值，则代表具有很大的突变概率。对样本序列的突变利用上述方法检验，不仅要根据正序列x1,x2,…,xn确定相应的统计量UFk，而且还要重复上述过程计算逆序列xn,xn-1,…,x1，通过对计算值取负确定逆序统计量UBk，然后分别绘制UFk与UBk的时间序列曲线，若在信度线之间存在逆序列与正序列统计量曲线交点，则可将该交点作为样本序列发生突变的起始点。

3 结果分析

3.1 降水特征分析

3.1.1 年内降水量分配

查观测资料可知，不同月份大凌河流域降水量具有显著的变化特征(见图1)，其中6—9月份(夏季)为该流域降水集中期，占年降水量的67%；7—8月份为汛期，降水量较大，多年平均值为375mm，降水量最小和最大值分别出现在1月、7月。

图1 大凌河流域多年平均降雨量分布

3.1.2 年际降水量变化

利用线性回归法对1956—2012年大凌河流域年均降水量进行统计分析(见图2)。结果显示该流域降水量主要集中在710～1200mm范围，年际降水量整体表现出微弱上升的变化趋势。大凌河流域年际降水量变化幅度较大的时期主要在20世纪70年代以前，最大降水量发生在1962年，为1129mm，最小降水量发生在1966年，为526mm，降水量极值比为2.14，年均降水量860mm。

图2 大凌河流域年际降水量变化趋势

对大凌河流域1956—2012年降水量变化利用Mann-Kendall秩分析法检验(见图3)。结果显示：在研究期间该流域降水量呈现出剧烈的随机变化特征，并且整体表现出变化趋势，显著性水平未达到α=0.05的临界值。

图3 大凌河流域降水量变化趋势M-K检验

3.2 泥沙变化特性分析

3.2.1 流域年内输沙变化

统计分析大凌河流域年内输沙量变化特征(见表1)，结果显示：每年的6—9月(汛期)为输沙量集中期，占全年的91%，大凌河流域年均输沙量为1272万t，输沙量占比最大和最小值分别为8月的43%、1月的0.1%。由此表明，在年内分布上该流域输沙量变化较为显著，不同月份的输沙量存在较大差异，其原因可能与汛期多暴雨或强降雨的气候特征相关，强降雨条件下雨水冲刷带走大量的泥沙并汇入河流，从而使得河流输沙量急剧增大，因此，汛期为大凌河流域输沙量集中期。

表1 大凌河流域年内输沙量变化

3.2.2 流域年际输沙变化

大凌河流域1956—2012年输沙量统计分析结果(见图4)显示：大凌河流域输沙量多年平均值为1035万t，最大和最小值分别为1958年的4260万t、2007年的186万t，年际输沙量极值比达到22.90。研究期间输沙量呈现出明显的降低趋势，在二十世纪五、六十年代输沙量整体处于4260万～1038万t，到90年代输沙量减低幅度减弱，其原因可能与降水量增加相关。2000年以后，虽然该流域降水量有一定的增大，但是输沙量仍然保持降低趋势。结合该流域实际状况和相关文献资料，大凌河流域自1998年起已实施大量的水土流失治理工程、水土保持措施，水土保持工程建设在拦水蓄沙等方面发挥着显著作用。

图4 大凌河流域年际输沙量变化特征

分别对朝阳、叶柏寿和建陵水文站的径流变差系数进行计算，并对年际输沙与径流变化差异进行综合对比分析，见表2。研究表明：各水文站径流的CV,Q值均低于泥沙的CV,S，其中CV,S/CV,Q值处于2.4～3.8范围；大凌河流域径流的年际变化程度远远低于泥沙的年际变化。自大凌河流域上游至下游泥沙的CV,S呈现出逐渐降低的变化趋势，而径流的CV,Q值呈现出增大趋势，各水文站点的CV,S值处于0.85～0.96范围。

表2 大凌河流域各水文站点的年输沙量变化特征

3.3 水土保持措施对流域输沙的影响分析

人类活动、流域下垫面特征以及气候环境等为影响流域泥沙变化的主要因素[10]，对于同一流域其年际面积变化保持相对稳定，而人类活动与降雨因素通常可发生变化。地表产沙的主要驱动力为流域降水，地表产水产沙与流域的时空分布状态密切相关，而流域下垫面特征在土地利用、水土保持等人类活动下可发生显著变化，从而改变了流域产汇流机制，因此可认为导致流域水沙量变化的直接与根本原因为降雨和人类活动。

人类活动对大凌河流域的影响较为单一，自20世纪80年代起该流域就开始实施大规模的水土流失治理，因此其治理程度较高并可认为处于天然状态。林草措施面积在大凌河流域水土流失治理中的占比较高，而坝地域梯田措施的面积比例相对较少，由此表明该区域治理类型以植被为主。流域范围内的水利工程建设，如大坝、水库的修建相对于林草措施面积可忽略不计，因此可认为降水与水保措施的变化是引起该流域泥沙改变的主要因素。

3.3.1 输沙变化临界年份

大凌河流域1956—2012年期间的多年平均输沙量变化趋势(见图5)显示：根据UFk与UBk的时间序列曲线确定输沙量趋势性跃变临界年份。结果表明：在多年变化中和95%的信度水平下，大凌河流域输沙量表现出较快的下降趋势，并且在1978年出现突变。年均输沙量在临界年份前主要为1280万t，而且发生突变以后主要为820万t，突变后的年均输沙量与前期相比降低了约36.0%。结合前面降水量降低幅度分析结果，可初步认为水土流失治理可促进流域输沙量的降低。

图5 大凌河流域输沙量变化趋势

3.3.2 不同时段流域输沙变化

为了消除雨量对输沙量变化的影响，可引入参数E：流域产沙系数[11-12]，单位为t/mm。据此，可有WS=EP，将研究期间相邻时段的平均值分别用WS1、WS2，P1、P2，E1、E2表示，则可对上式进行全微分，其表达式为

(4)

表3 不同时段内大凌河流域输沙量衰减因素分析

根据表3计算结果，在第Ⅰ～Ⅱ阶段，水土保持和降雨对大凌河流域输沙衰减量分别为75.28万t、745.50万t，水土保持对输沙衰减的影响比例明显低于降雨，由此表明在1975年以前人类活动对流域的影响较低，降水是引起输沙衰减的主要因素；在第Ⅱ～Ⅲ阶段，水土保持和降雨对大凌河流域输沙衰减量分别为1715.40万t、44.80万t，由此表明在该阶段发挥主导作用的为水土保持措施，降雨的影响作用显著降低；在第Ⅲ～Ⅳ阶段，水土保持和降雨对大凌河流域输沙衰减量分别为1131.03万t、36.18万t，降雨引起的输沙衰减影响程度显著低于水土保持，虽然该阶段降雨量也增大，但是相对于水土保持措施其所占比重较低，由此可认为水土保持是驱动该流域20世纪70年代输沙衰减的主要因素，由此进一步说明了水土流失治理在近年来取得的明显成效。

3.3.3 年内输沙变化特征

对临界年份之后输沙序列利用上述ΔP进行修正，从而分析输沙变化与降水之间的影响关系，并探讨流域年内输沙量在水土保持治理前后的变化(见表4)。