大洋河沙里寨水文站水沙变化与驱动因素分析

2020-09-25杨永利

水利技术监督 2020年5期

杨永利

(辽宁省丹东水文局，辽宁丹东 118001)

大洋河发源于辽宁省岫岩县偏岭乡，全长230.2km，流域面积为1968.4km2，主要支流有哨子河、牤牛河、连河水、雅河等，属于辽东半岛最大的独流入海河流。近年来，随着经济的高速发展以及各行业用水量的急剧增加，大洋河及其支流开发建设了罗圈背、土门子、三大步、古龙等水电站，在满足供水发电、防洪排涝、旅游观光等社会经济效益的同时，这些水利工程也在很大程度上改变了下游径流泥沙的演变规律[1]。目前，长江的水沙关系变化逐渐成为学术界密切关注的热点和广泛争论的问题，为揭示其水沙变化规律，诸多学者开展了大量研究[2- 5]。针对大洋河的实际状况，考虑到径流泥沙变化易受多种非线性较强的随机变量的影响，运用传统的统计学方法无法难以精准地揭示其内在变化规律，因此文章以大洋河沙里寨站1956—2019年降水量、输沙量、径流量等长时间序列资料为依据，采用M-K检验、小波分析、T检验等时间序列法揭示大洋河径流泥沙演变规律，以期为深入探究大洋河水沙变化的驱动因素及其演变规律提供科学指导。

1 研究方法

1.1 数据来源

大洋河设立了7处水文站，建成的23处雨量站有8处为汛期站，其中沙里寨、岫岩、文家街水文站的观测资料序列较长，且数据精准度高。由于水文站可以直接反映大洋河上游的来水来沙情况，为准确揭示大洋河径流泥沙演变过程及其驱动因素，选用沙里寨水文站1956—2019年的降水量、输沙量和径流量等数据资料。其中，大洋河流域水文年鉴和中国气象数据网提供径流泥沙数据、降水量数据，部分数据来源于长时间序列气象站[6- 8]。

1.2 研究方法

(1)M-K检验。该方法是以某一置信水平α(取0.5)下的临界变量为基准对比某一时间序列数据的标准化变量UF，UF值的正、负代表该时间序列数据的上升和下降趋势；若UF值大于临界值，则序列数据呈明显上升或下降趋势。

(2)均值差异T检验。对于充分统计的存在显著差异性的两个不同时段序列的平均值，该方法认为突变现象发生在给定的信度区间内，即突变性检验的判别依据为临界值与某一基准点统计量t的对比值，详见文献[9]。

(1)

式中，φa，b(t)—输出的子小波，连续小波函数在能量有限信号f(t)∈L2R给定的情况下可以表示为

(2)

2 径流泥沙的演变规律分析

2.1 趋势性分析

绘制的沙里寨站1956—2019年输沙量、径流量变化过程线(图1)，揭示了大洋河近60年水沙变化趋势。由图1可知，2004年之前，沙里寨站的年径流量、年输沙量总体呈现出小水小沙、大水大沙的变化规律；输沙量在2006年后开始大幅下降，除了2009年外，其余年份的输沙量均低于1×108t。研究期间内累积年径流量变化过程线未呈现出明显的偏差，可见多年来大洋河流域的年径流量变化趋势并不显著；累积输沙量在1995年之前总体处于直线状态，多年平均值为4.16×108t，而在1995后总体呈波动减少的变化趋势，1995—2005年期间的年输沙量减少幅度达到25.05%，2005年以后的减少幅度达到92.25%[10- 11]。

图1 大洋河沙里寨站年输沙量和年径流量变化过程

由于沙里寨站的年际输沙量和径流量存在较强的波动性，对其变化规律进行直观观察往往存在一定的局限，为更好地揭示其趋势性变化特征，利用M-K检验法定量评估。结果显示，输沙量和径流量的UF值分别为-6.15、-1.82，取α=0.5，则标准化变量UF所对应的临界值UFα=1.96，可以判定|UF|径流量<|UF|α、|UF|输沙量>|UF|α。由此可见，大洋河沙里寨站近60年的年输沙量存在显著下降趋势，而年径流量的下降趋势不明显。

2.2 突变性分析

将年输沙量与年径流量利用有序聚类法作突变分析，由此揭示大洋河沙里寨站的径流泥沙突变特征，结果如图2所示。由图2可知，1959年、1972年、2004年、2009年径流量发生了突变，而2006年输沙量发生突变。为进一步检验该分析方法的准确性和可靠性，以各突变年份为基准利用均值差异T检验法评判其科学合理性[12]。临界值tα在显著性水平α=0.001情况下取2.705，检验结果见表1。从年径流量的角度看，突变指数AIj在M=54的情况下输出为0.207，统计量2.766大于临界值tα，因此在该显著性水平下通过检验，可见在第54个基准年径流量的变化较为显著，即径流量突变节点为2009年；从输沙量的角度看，突变指数AIj在M=51的情况下输出为2.891，统计量11.588大于临界值tα，所以在该显著性水平下通过检验，可见在第51个基准年输沙量量的变化较为显著，即输沙量量突变节点为2006年。

图2 沙里寨站有序聚类分析

表1 均值差异T检验的沙里寨站输沙量与径流量

2.3 周期性分析

采用小波分析法绘制的径流量周期性变化特征如图3(a)所示，从上至下径流量的周期变化规律存在四类尺度，即4～5、7～8、11～13、20～23年，不同尺度的周期变化总体呈现出明显的波动性。从较大尺度20～23年的角度分析，研究期间径流量丰枯交替共经历了8次；小波系数在1960—1967年、1976—1982年、1993—2006年、2007—2015年为负值，由此表明除这4个时期外其余各时段均为多水期。小径流量变化的小波方差共有4个峰值，所对应的变化主周期为5、8、13、23年，变化最为显著的第一主周期为23年。输沙量与径流量周期性变化基本呈相同变化趋势，但也存在一定的差异，输沙量的周期变化规律存在4～5、11～13、20～24年三类尺度，在时间尺度上20～24年的输沙量变化周期较为稳定，总体呈现出4次“少—多”交替变化特征。周期波动性变化在小尺度上显著增强，波动性随着尺度的减少而增强。从图3(b)可知，5、13、24年为输沙量变化主周期，其中小波方差最大的主周期为24年。该分析结果与相关研究资料保持较好的一致性，可见所选取的时间尺度和数据资料长度可以满足合理性要求。

图3 沙里寨站小波方差

2.4 阶段性分析

为了能够直接反映径流泥沙的阶段性变化趋势，引入累积距平法分析，其表达式为

(3)

将沙里寨站径流时间序列依据其年径流量阶段性特征(图4)划分为6个阶段：丰水期为1956—1959年、1965—1972年、1983—2005年，枯水期为1960—1964年、1973—1982年、2006—2019年，各个阶段所对应的年均径流量依次为4.56×1011、4.70×1011、4.37×1011、4.02×1011、4.12×1011、4.00×1011m3，相对于丰水期，枯水期的径流量降低了12.10%；同理，将沙里寨站输沙时间序列依据其输沙量划分为4个阶段：多沙期为1956—1997年、2002—2006年，少沙期为1998—2001年、2007—2019年，各个阶段所对应的年均输沙量依次为5.10×108、4.16×108、3.13×108、0.42×108t3，2007年以后输沙量呈急剧下降趋势，相对于1956—1997年降低了92.%。

图4 沙里寨站径流泥沙累计距平百分数

3 径流泥沙演变影响因素

3.1 降水对沙里寨站径流泥沙演变影响

文章以大洋河近60年输沙量、径流量和降水量数据为基础，绘制径流量与降雨量、输沙量之间的关系曲线，如图5所示。

图5 沙里寨站径流量泥沙与降水量变化关系

由图5可知，大洋河流域的年降水量与年径流量变化趋势保持较好的一致性，然后对流域内年降雨量利用M-K法检验分析，其标准化变量UF值为-0.45，在α=0.05的显著性下有|UF|α>|UF|降水量，说明研究期间大洋河流域的年降水量的下降趋势并不明显。人类取水在一定程度上降低了流域内年径流量，随着各类用途用水的增大以及城市化进程的加快，沿河取水量呈不断上升趋势，这对河流径流量的减少产生了一定的作用。大洋河输沙量与年降水量的变化趋势存在一定偏差，20世纪90年代末这种偏差更加明显，考虑到近几十年大洋河径流量与降水量存在较好的相关性，且降水量下降趋势不明显，认为人类活动是导致输沙量大幅下降的主要因素。

3.2 人类活动对沙里寨站径流泥沙演变影响

1956—2019年，大洋河沙里寨站年输沙量呈显著下降趋势，在径流量与降水量未出现显著变化的条件下，认为大洋河上游的人类活动是导致输沙量显著下降的主要原因。其一，大洋河及其支流开发建设了一些水电工程，这在很大程度上改变了流域径流泥沙的时空分布特征。为进一步探究沙里寨站年输沙量与水库蓄水拦沙工程建设的关系，绘制了沙里寨站年输沙量与上游水库建设总库容之间的关系曲线，如图6所示。由图6可以看出，1995年以前大洋河开发建设的水库工程，由于大多数位于主支流且累积库容较少，其影响沙里寨站输沙量的程度较低，年输沙量总体在5.10×108t左右。1995年之后，受新建水电站建成蓄水和大洋河流域水土保持工程等影响，输沙量下降趋势逐渐显现，水库蓄水工程拦截了大量泥沙，水电工程的投入使用显著降低了沙里寨站的年输沙量。其二，经济的高速发展使得建筑用水量急剧增大，相应的采砂量也在不断增大，这在一定程度上进一步减少了年输沙量。此外，大洋河流域从1992年以来逐渐实施了一系列的水土保持治理工程，截至目前已完成的各类小流域治理有1000余条，大大减少了坡耕地和荒山荒坡的土壤侵蚀率。总体而言，大洋河沙里寨站输沙量减少与水土保持措施、河道采砂和水库拦蓄等因素相关[13]。