大凌河中下游近65a水沙演变及影响因素分析

刘晓哲

(辽宁河库管理服务中心(辽宁省水文局)，辽宁 沈阳 110003)

大凌河是辽宁省西部第一大河流，而辽宁西部属于水土流失相对较为严重的区域，该区域中度侵蚀面积占辽宁全省中度侵蚀面积的66.7%[1]。辽宁西部也是辽宁省水资源相对短缺的区域，水少沙多使得大凌河流域的水沙变化一直是外界关注的热点问题[2]。近些年来，针对大凌河水沙演变分析取得一定的研究成果[3- 10]，但这些研究大都集中在大凌河的中上游。大凌河中上游有宫山嘴、阎王鼻子以及白石水库3座大型水库，受大型水库的调蓄作用影响，河道水沙发生明显变化。但对于大凌河中下游水沙变化的研究还较少，大凌河中下游没有大型水库，因此水库调蓄对河流水沙变化的影响相对较小，而一些研究成果表明大凌河中下游的水沙也发生较为明显的变化[11- 15]，但由于缺少长系列的水沙观测数据，大凌河中下游水沙变化还缺乏系统性研究。为此结合大凌河中下游2个重要控制水文站建站以来近65a的水沙实测数据，对大凌河中下游水沙变化进行分析，从而为大凌河中下游水保措施下的水沙影响提供重要的分析依据。

1 研究方法

采用M-K非线性趋势检验方法对大凌河中下游水沙演变进行趋势检验，该方法假定(x1，x2，…，xn)为独立的时间数据序列，符合变量随机同分布的原则，变量统计方程为：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—统计变量；xi和x—检验的水沙时间数据系列；σ—计算方差；sign—计算符号；n—样本容量；Z—检验值，Z为正值时表示水沙变化呈现递增变化，Z为负值时表示水沙变化呈现递减变化，Z的绝对值大于或等于2.32、1.64、1.28，其对应的显著检验水平分别为99%、95%以及90%。

2 区域及资料概况

2.1 大凌河概况

以大凌河中下游为研究区域，义县和凌海2个水文站为其中下游主要控制水文站，流域总的集水面积为23837km2，其中山区和平原的面积比例分别为98%和2%，主要为山区型地形。流域气候属于温带亚干旱型，降水量多年均值在650mm左右，蒸发量较大，蒸发量多年均值为1700mm，属于典型的干旱半干旱地区。流域植被覆盖稀疏，受地表水流和降水冲刷综合影响，区域水土流失较为严重，据统计辽宁西部中度土壤侵蚀占全省中度土壤侵蚀的面积比例高达66.5%。在大凌河的中上游有宫山嘴、阎王鼻子以及白石3座大型水库，流域内10km2以上的一级支流112条、二级支流206条、三级支流172条、四级支流32条、五级支流4条。流域面积为1000～5000km2的河流有5条，流域面积为100～1000km2的河流有61条，流域面积为50～100km2的河流有55条，流域面积为10～50km2的河流有405条。流域水系如图1所示。

图1 大凌河流域水系图

2.2 资料情况

以大凌河中下游的义县和凌海2个水文站为研究站点，站点概况见表1。根据2个站点1956—2016年近65a的水沙数据，对大凌河中下游水沙演变特征进行分析。在进行分析前，对2个水文站点的流量和含沙量数据进行了一致性、代表性以及可靠性的检验，对于部分年份缺测数据进行了插补处理。

表1 选取的站点概况

3 成果与讨论

3.1 年水沙演变过程

根据大凌河中下游凌海和义县水文站1956—2016年的径流和含沙量数据，统计了其年径流量和年输沙量的变化过程，如图2—3所示。

并采用M-K趋势检验方法对义县和凌海水文站近65a的年径流和年输沙量的变化趋势进行分析，分析结果见表2。

表2 大凌河中下游水沙变化趋势检验结果

从大凌河中下游的义县和凌海水文站年径流量和年输沙量变化过程进行分析，从图2—3中可看出，2个水文站的年径流量和年输沙量呈现明显的递减变化，其中凌海站的水沙下降最为显著，义县和凌海2个站年径流量和年输沙量的下降率均在8%左右。从2个站水沙变化趋势检验结果可以看出，2个站水沙递减的趋势均可通过95%的显著性检验。

3.2 年代际水沙演变过程

在大凌河中下游年水沙变化分析的基础上，对义县和凌海水文站1956—2016年各年代际的径流和输沙量变化过程进行分析，结果见表3—5。

从大凌河中下游义县和凌海水文站的各年代际径流量和输沙量的变化情况可看出，2个站点年代际水沙变化和年水沙变化具有相似性，总体均呈现递减变化，2个站点各年代水沙变化也具有一定的同步性，均从20世纪80年代后递减率显著增加，相比于20世纪70年代，20世纪80年代后年代沙水沙递减率高于15%。此外输沙量的变化率要明显高于各站点径流量的变化率，大凌河中下游进入2000年后，义县和凌海站的年代际输沙量递减率高于40%。从表5各年代际降水量可看出，大凌河中下游降水量年代际变化幅度要明显低于径流量和输沙量的变化幅度，各年代际义县和凌海2个站降水量递减率低于10%。因此人类活动对于大凌河中下游水沙演变的影响要明显高于降水的影响。

图2 大凌河中下游年径流量变化

图3 大凌河中下游年输沙量变化

表3 大凌河中下游不同年代际径流量变化分析结果 单位：108m3

表4 大凌河中下游不同年代际输沙量变化分析结果 单位：104t

表5 大凌河中下游不同年代际降水量变化分析结果 单位：mm

图4 大凌河中下游径流-输沙量双累积曲线

3.3 水沙演变突变特征分析

根据义县和凌海站的径流量和输沙量数据，对其径流量-输沙量的双累积曲线进行分析，分析结果如图4所示。

河流水沙的系统变化特征可由站点的水沙累积曲线进行反映，当水沙演变的影响因素为降水时，曲线的斜率不发生变化，而当水沙演变影响因素为人类活动时，水沙累积曲线将发生偏转，其转折年份一般为受人类活动影响的年份。从图4中可看出，义县站和凌海站水沙累积曲线的转折点均为1980年，大凌河中下游从20世纪70年代开始进行退耕还林(草)的水土流失治理，流域下垫面的变化使得大凌河中下游水沙累积曲线有所偏转。

3.4 年降水量-年径流量以及年降水量-年输沙量相关分析

根据义县和凌河水文站实测流量和输沙量数据，建立不同年代际降水-径流以及降水-输沙量的回归方程，并对回归方程进行显著性检验，结果如图5—6所示，见表6—7。

表6 大凌河中下游不同年代际年降水量-年径流量回归方程

从大凌河中下游义县和凌海2个水文站点年降水量-年径流量和年降水量-年输沙量不同年代的散点图可以看出，在相同降水条件下各年代的径流量和输沙量明显减少，各站点年降水量-年径流量和年降水量-年输沙量的散点主要分布在1979年基准期以下，表明同一降水量下，大凌河中下游从20世纪80年代开始水沙能力有所递减。降水对大凌河中下游的径流量和输沙量的影响度降低，使得1980年以后不同年代际的年降水量-年径流量和年降水量-年输沙量回归方程的斜率有所减小。

图5 大凌河中下游年降水量-年径流量相关散点图

图6 大凌河中下游年降水量-年输沙量相关散点图

表7 大凌河中下游不同年代际年降水量-年输沙量回归方程

从建立的义县站和凌海站的不同年代的年降水量-年径流量和年降水量-年输沙量回归方程中可看出，从20世纪80年代开始，各回归方程的决定系数随着年份的增加而逐步递减，显著性水平也有所减弱。通过以上分析表明大凌河中下游水沙变化主要受水保退耕还林(草)措施的影响。

3.5 演变原因探讨

在前面的研究中可看出，水土保持措施是大凌河水沙演变变化的主要因素，为此根据大凌河中下游水土保持措施治理面积(见表8)，对大凌河水沙演变的原因进行探讨。

从表8中可以看出，大凌河中下游从1980年开始其水土保持治理面积每5a的递增比例可达到65%左右。大凌河流域从1995年起成为全国水土流失治理试点流域，水土治理的面积逐步扩大。2000年开始大凌河中下游流域水土流失治理的面积比例相比于20世纪90年代增幅高达105.2%。据统计大凌河中下游水土流失治理面积在2000—2015年达到29.2万hm2，大规模的退耕还林还草以及淤地坝的建设是大凌河中下游水沙锐减的主导因素。上游白石和阎王鼻子2座大型水库的调蓄作用也是其水沙演变的一个重要因素。此外，2000年

表8 大凌河中下游水土保持措施治理面积 单位：hm2

以后大凌河中下游人口经济的发展也使得流域内的用水量增多、河道内的水量有所减少。

4 主要结论

(1)由于植被覆盖度的增加，大凌河中下游相同降水条件下的产水产沙能力明显减弱， 使得其进入河道的水量和沙量锐减，此外上游大型水库的调蓄影响，也是其水沙下降变化的一个因素。

(2)由于河道内水量的减少，因此建议尽量减少直接取用河道内的水量，增加开发中水回用和外调水的取用水方案的实施，从而满足流域内的用水需求。

(3)在后续的研究中还需要对不同类型水土保持治理措施下的水沙影响度进行定量分析，从而为优化区域水土保持措施提供依据。