淮河流域蚌埠站水沙短周期变化趋势分析

黄宇靖，张云峰,b，徐 雅,b

(盐城师范学院 a.城市与规划学院; b.江苏沿海开发研究院,江苏 盐城 224007)

0 引 言

重要的地表过程主要表现有流域水沙的变化，其中陆海相互作用研究的重要组成部分是河口三角洲的响应以及河流沉积物的产生和运移。自上世纪60年代后，我国河流面临的主要问题是沉积物的减少，趋势下降得尤为显著[1-2]。由于气候、地理环境和人类活动等因素，淮河流域经常发生洪涝灾害，对国家经济发展具有重要影响。淮河流域覆盖河南、湖北、安徽、江苏和山东5个省，流域面积约27×104km2。水资源安全问题关系到一个国家和社会的发展与稳定，当前我国对外合作进行的“一带一路”建设需要确保水资源安全[3]。淮河流域中下游的江苏省在生态文明建设的指引下，不断探索区域统筹协调的流域综合治理[4]。蚌埠站和临沂站的水量和沉积量是分析淮河流域水沙变化趋势的代表站点[5-6]。基于临沂站的水沙变化趋势已有相关研究成果[7]。因此，本文利用淮河流域蚌埠站的水文监测统计数据，对水沙变化的短期波动趋势进行分析。

1 研究方法

一般采用时间序列分析的方法来研究水和沉积物的短期变化。由于线性倾向估计法以及平滑预测法具有显著性的优点而得到广泛的应用，一是能够揭示出定性的变化趋势，二是可以显著性地检验结果[8]。

1.1 线性倾向估计法

建立xi和ti的回归方程：

式中：xi为样本大小n；ti为对应于xi的时间；a为回归常数；b为回归系数，变量趋势由符号正负表示。当b>0时，表示x随时间t的增加而增加；而当b<0时，表示x随时间t的增加而增加减少趋势。a和b可以通过最小二乘法估计。

1.2 平滑预测法

随着时间的推移，变化的趋势变得更加明显，因为数据通常以平滑的预测方式处理，以消除机会因素对变量的影响。

如果时间序列是y1,y2,…,yn，则下一时段(t+1)的预测值如下：

2 结果分析

本文涉及的淮河水文观测站水沙变化特征的物理定义如下：在单位时间内通过流域单位面积内水量即指径流量，通常用立方米(m3)为单位；在单位的时段内通过河流某断面的泥沙重量称为该时段河流的输沙量，通常以千克(kg)或吨(t)为单位；在一定体积的含有泥沙的浑水中所含的干沙的质量即指含沙量，通常以千克/每立方米为单位(kg/m3)，有时用克/每立方厘米为单位(g/cm3)；河流某断面以上一定面积上所输移的泥沙数量即指输沙模数，通常以吨/平方公里·年为单位(t/km2·y)。

2.1 水沙输运通量

根据目前统计的数据来看，淮河蚌埠水文站水沙存在一定的特征变化，见图1。年径流量的水量约在180×1012～640×1012m3之间，从局部看来，年径流量的起伏变化比较大，其中在2002-2003年之间年径流量有明显的增长趋势，年径流量于2003年达到最大值，但在2003-2011年之间，年径流量又迅速下降且于2011年降至最低。年输沙量大约集中在110×104～797×104t之间，且年输沙量在2011-2013年突然发生变化。年平均含沙量在0.05～0.21 kg/m3左右，但在2011和2015年平均含沙量突然发生巨大的变化，在2011年降至历史最低又于2015年到达最高峰，最高达0.24 kg/m3，其余年份的含沙量波动较为正常。年输沙模数约在10～70 t/y·km2之间，但年输沙模数在2011-2013年发生突变，其中2011年年输沙模数达到最小值。

2.2 水沙变化趋势

在线性分析和移动平均分析及预测的基础上，绘制出淮河流域蚌埠水文站各种水沙变化特征趋势曲线，见图2，它们都具有5年为一个半周期循环的趋势变化。2005-2010是第一个5年，2010-2015是第二个5年。从整体看来，这些具有代表性的水沙特征量都趋于下降趋势。其中，输沙量随着时间的变化呈现较快下降趋势，输沙模数随着输沙量的变化也呈现较快下降趋势，而径流量与含沙量却呈现缓慢下降趋势。究其原因，可能是：①输沙能力的减弱源于河流的年径流量下降；②大型水库或淤地坝的拦沙效率远大于拦水效率；③人为活动的影响；④植被覆盖率增加[9]。

图1 淮河流域蚌埠站水和沉积物变化量Fig.1 Water and sediment changes in the Huaihe River Basin

图2 淮河蚌埠站水沙变化线性倾向估计分析和平滑预测Fig.2 The linear regression and smoothing forecasting method about water-sediment variation based on Bengbu hydrologic in Huaihe River basin

2.2.1 含沙量变化趋势

根据蚌埠站的水文数据来看，该站的年平均含沙量常年达到0.1 kg/m3以上，并且在个别年份达到0.2 kg/m3以上，在2015年的数据上，该站的年平均含沙量达到历年以来的最高，达到0.24 kg/m3的危险含沙量。这些数据引起蚌埠水文站的高度注意，当地政府也采取了相应措施，在接下来的几年里，将含沙量重新控制到一个安全的水平。不过蚌埠的水体含沙量仍然处于一个较高的水平，对于含沙量的检测仍然是重点控制对象[10-11]。蚌埠的水体含沙量呈现出波动下降趋势，大体为每5年一个半周期。由于水土流失等原因，含沙量在2010-2015年间出现上升现象。虽然含沙量整体是下降趋势，但如果不进行人为的把控，那么很可能在未来的某一年就会出现降雨量与含沙量同时大幅上涨的情况产生。因此，要控制好蚌埠水体含沙量的上涨趋势，及时测算水利工程的抗压程度，做好万全的打算，不要让水体出现无法预料的危险局面[10]。

2.2.2 输沙量变化趋势

根据输沙量数据图来看，蚌埠的总体输沙量还是呈现一个整体下降的趋势，这也得益于当地政府的管控措施，使得近十几年来该流域的水体含沙量不断减少。但即使这样，该河的水体含沙量也不能说就一定会处于安全的状态，个别年份的含沙量极端变化仍然需要我们去注意。年平均输沙量的逐年降低也说明沿河地区的水土流失的预防取得了长足的进步，同时也应该注意到在水体含沙量降低后，河内水生生物的生存情况。因为在某些情况下，水土流失的多少也代表着该河流域内水生生物摄入营养的多少，不能一味地关注水土流失而忽视了流域内的生态平衡[12]。

3 结 论

1) 从水和沉积物输送通量的角度来看，年径流量、年输沙量、含沙量和输沙模数整体变化不大，趋于平稳。但年输沙量在2011-2013年发生变化，含沙量在2011和2015年发生变化，输沙模数在2011-2013年发生变化。

2) 从水和沉积物的变化趋势可以看出，这些特征量都呈下降趋势。但其中输沙量和输沙模数随时间变化呈较快下降趋势，而径流量与含沙量呈较慢下降趋势。

3) 在水沙周期性方面，年平均输沙量、径流量、泥沙浓度和输沙系数均为5年半周期。河流水沙的变化受到地理环境的影响，尤其是气候和降水的影响。但是随着人类活动日趋频繁，对河流水沙的影响越来越大。