辽宁省典型河流近60年水沙演变特征分析研究

2020-04-13郭向东

水利规划与设计 2020年4期

郭向东

(辽宁省营口水文局，辽宁营口 115003)

河流水沙演变将直接影响河流的生态功能，对河流生态环境产生不同程度的影响[1]。受人类活动影响，河流水沙特征均出现不同程度的变化，河流过水及输沙能力均产生不同程度的变化，而径流和泥沙运移能力是河流生态功能的主要特征，通过对河流水沙演变特征分析，可以为河流生态综合治理提供重要的参考依据，因此近些年来，对于河流水沙演变特征逐步得到国内外许多学者的研究和关注[2- 9]，这其中非线性趋势检验方法[10- 12]以及突变特征分析方法[13- 14]，应用较为广泛。为此本文结合两种分析方法，对辽宁地区三大河流近60年水沙数据及河流演变特征分析，研究成果对于河流的生态治理综合规划具有重要参考价值。

1 研究方法

1.1 趋势检验方法

该方法通过设定检验的数据变量序列(x1，x2，…，xn)为独立且来自同一个样本总体的数据，应用变量统计方法进行检验，其变量统计方程为：

(1)

(2)

(3)

当

(4)

式中，S—检验的统计变量；xi、xj—来自同一个样本总体的不同样本数据系列；σs—样本检验的方差值；sign—计算符号；n—总体样本的个数；Z—样本检验的水平，如果Z>0，则表示为检验样本数据系列呈现递增变化，Z<0，则表示为检验样本数据系列呈现递减变化，但检验水平的绝对值分别大于或者等于2.32、1.64、1.28，表示其检验水平分别达到99%、95%以及90%。

1.2 突变特征分析方法

突变分析方法主要采用一个统计变量对水沙数据系列进行统计分析，主要分析方程为：

(5)

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

(6)

σ(ck)=k(k-1)(2k+5)/72

(7)

(8)

式中，m—样本累积的数量；E(ck)、σ(ck)—统计变量ck的平均值与标准方差值；UFk—统计变量ck标准化值；不断重复计算，使得|UBk|=-UFk，k=n，n-1，…，UB1=0，一旦两条计算曲线出现交点，则交点为突变特征点。

2 研究方法

2.1 河流概况

辽河、浑河、太子河为辽宁省流域面积前三的河流，主要分布在辽宁中东部地区，流经过的城市分别为沈阳、鞍山、铁岭、辽阳、盘锦、营口等地区，辽河、浑河、太子河分别在东南部入海。近些年来，随着人类活动的影响，各河流的径流和泥沙的运移能力受到不同程度的影响，三河8站近60年水沙数据系列见表1。

表1 各河选取站点的资料系列年份

(续表)

2.2 径流变化概况

结合各河选取站点的径流数据，对其变化趋势进行非线性检验，检验结果见表2，并对其不同年代的径流变化进行分析，分析结果见表3—5。

表2 各河选取站点的径流非线性趋势统计值

表3 辽河各站点径流变化统计结果

表4 浑河各站点径流变化统计结果

表5 太子河各站点径流变化统计结果

从表2中可看出，辽河干流典型三站中铁岭站呈现较为明显的递减变化，从1990年代到2000年代，铁岭站由于上游石佛寺水库的建设，下游河道水量有所减少，年平均递减率为5mm/a，进入2000年以后，铁岭站的径流量相比于1970年代，径流减少64.1%，可见人类活动对辽河铁岭站的径流影响程度较大。从辽河其他两个站点的径流变化情况看出，辽中站从1970年—1999年，其径流量呈现递增变化，但从2000年以后，受到区域用水快速增长的影响，辽河站的径流量呈现一定程度的递减变化。从浑河3站各年代际的径流变化结果可看出，北口前的变化特征较为明显，邢家窝棚相比于其他两个站，年代际径流变化有所减小。从太子河本溪和唐马寨两个站点年代际的径流变化情况可看出，两个站点的年径流均呈现递减变化，但整体递减变化趋势性不显著，年递减率为3mm/a。

2.3 输沙量变化概况

结合各河选取站点的含沙量数据，对其变化趋势进行非线性检验，检验结果见表6，并对其不同年代的径流变化进行分析，分析结果见表7—9。

表6 各河选取站点的输沙量非线性趋势统计值

表7 辽河各站点输沙量变化统计结果

表8 浑河各站点输沙量变化统计结果

表9 太子河各站点输沙量变化统计结果

从表6中可看出，各站点输沙量变化总体和径流变化较为一致，受到人类活动影响，河道输沙能力整体呈现下降变化趋势，辽河3站输沙量下降趋势性不显著，铁岭站受到上游石佛寺水库影响，进入2000年以后，河道输沙能力得到显著下降，这主要是因为水库的蓄水调沙作用，使得进入水库内的泥沙得到拦截，降低下游河道的输沙量。辽河干流3站输沙量年平均递减率为15t/a。从浑河3站的输沙量可看出，通过非线性趋势检验，其下降趋势均通过90%的显著性变化水平，沈阳站年代际输沙量变化最为明显，其次为邢家窝棚，沈阳站变化的主要原因在于从2000年开始，浑河沈阳站上游加大河道治理，使得其输沙量得到有效减少。太子河本溪站和唐马寨站也同样因为上游河道治理，使得其输沙量呈现较为明显的递减变化。

2.4 径流突变特征

结合突变分析方法，对辽、浑、太3河8站的径流突变特征进行分析，分析结果如图1所示。

图1 各河选取站点径流突变特征分析结果

续图1 各河选取站点径流突变特征分析结果

从辽河3站的径流突变年份可看出，各站点径流突变的年份主要发生在2000年以后，径流发生突变的原因主要有2种，第一种受气候变化影响，第二种受人类活动影响，文献[15]表明辽河干流近60年降水量未发生显著变化，因此径流发生突变主要为人类活动的影响，第一种活动影响为水利工程建设的影响，由于水利工程蓄水，使得下游河道径流发生突变，这一点从辽河铁岭站可以明显看出，2000年以后受上游水库蓄水影响，其径流发生明显突变，而第二种影响主要为取水影响，这点可从辽中站径流突变点分析出，从2010年以后，辽中站受降水偏少影响，河道取水量不断增加，使得河道内的径流量发生明显变化。第三种为城市河道站点，受到上游橡胶坝影响，下游站点径流发生明显变化，这点可从本溪站和沈阳站的突变特征分析出。

2.5 输沙量突变特征

结合突变分析方法，对辽、浑、太3河8站的径流突变特征进行分析，分析结果如图2所示。

输沙量的变化主要受径流变化影响，由于径流量的递减变化，输沙量也呈现明显的递减变化，输沙量和径流量变化较为一致。此外河道综合治理和人类活动的影响，也是各站点输沙量突变的主要原因，铁岭站受到上游水库建设，使得下游河道的含沙量有所减少，因此输沙量发生明显的突变，此外受到河道综合治理后，河道泥沙淤积量明显减少，使得其河道输沙量发生突变，这一点可从本溪和沈阳两个城市站点看出，在2005年以后，随着城市段河流综合整治力度的加大，使得本溪站和沈阳站的输沙量发生较为明显的突变特征变化。而浑河上的北口前和邢家窝棚站则是受到河道内取水影响，使得径流发生明显变化，因为影响其输沙量的变化。