颍河干流水沙特性及其变化研究

陈晓成

(安徽省阜阳水文水资源局，安徽 阜阳 236000)

颍河是淮河最大一级支流，是淮河沙源的主要河流，发源于河南省登封县嵩山，经周口市、安徽省阜阳市，在寿县正阳关入淮河，全长620km，流域面积36728km2。阜阳闸站位于颍河干流的中下游，控制面积35246km2，1955年起开始降水量、流量和悬移质输沙等项目监测。由于1960年以前的水沙资料部分年份不连续，本次分析采用阜阳闸站的1961—2020年共60年的实测水沙资料系列。

受人类活动和气候变化等因素的影响，近年来颍河的水沙特征发生了显著的变化，颍河阜阳闸站的年均输沙量由上世纪60年代的1500万t左右，减少至2000年之后的190万t左右，减少了87.6%，最近10年(2011—2020)年平均输沙量为31.6万t，比多年平均减少了96.1%。颖河输沙量变化如此之大，是气候变化所致还是人类活动影响？为更深入地了解颍河水沙变化特性和规律，本文依据阜阳闸站的水沙实测成果资料，通过数理统计、相对极差、变异系数、双累积曲线、相关性分析等方法对水沙历史变化趋势和原因进行分析探讨，为颍河“十四五”规划治理提供参考依据。

1 水沙变化分析

1.1 水沙年内变化

径流量、输沙量年内变化大，5—9月的径流量占全年70%，输沙量占全年的97%。最大月均径流量10.34亿m3(7月)，最小月均径流量1.020亿m3(2月)，相差10.14倍。最大月均输沙量36.6万t(7月)，最小月均输沙量0.24万t(11月)，输沙量主要集中在主汛期的洪水过程期间。

1.2 水沙年际变化及趋势

绘制阜阳闸站1961—2020年年平均径流量、输沙量、含沙量过程线，如图1所示，按10a时段统计计算年均径流量、输沙量、含沙量平均值、相对极差和变异系数，见表1。从图1(a)和表1可知：近60年阜阳闸站多年平均径流量为39.31亿m3，各年代平均径流量呈现交替曲线，总体趋势在减少。多年平均径流量的相对极差小于输沙量相对极差，多年平均径流量的变异系数小于输沙量和含沙量的变异系数，表明径流量年际均值变化幅度小。

从图1(b)—(c)和表1统计表明：多年平均输沙量810万t，含沙量0.415kg/m3。各年代平均输沙量及含沙量随时间推移均呈明显减小趋势，历年趋势线的下降幅度进行比较，年径流量最小，年含沙量最大，年输沙量次大。2000年以来，年输沙量和年含沙量减少至多年均值以下。1970年前10年含沙量均值为0.916kg/m3，2020年前10年含沙量均值为0.044kg/m3，相差20.82倍。1970年前10年年均输沙量为1530万t，到2020年的前10年减少到31.6万t，减少了96.1%。

2 水沙关系分析

2.1 水沙集中度比较

根据降水、径流、输沙量年内集中度统计表见表2，集中度及其出现时段的特点为：集中度依降水、径流、输沙量次序增大。最大3个月降水出现时间为6—8月，径流、输沙量出现时段为7—9月，滞后于降水1个月；最大4个月、5个月降水、输沙同时出现在5—9月，但径流量滞后于降水1个月。这与颍河干流各级节制闸的建成及调度运行，改变了天然径流与泥沙特性，致使径流、输沙量年内分配较降水更为集中。

表1 颍河阜阳闸站不同年代水沙含量实测特征值统计

图1 颍河阜阳闸站径流量、输沙量和含沙量逐年变化趋势图

表2 阜阳站降水、径流、输沙量集中程度分析表

2.2 水沙双累积曲线分析

采用双累积曲线的方法，点绘阜阳闸站1961—2020逐年累积径流量与累计输沙量关系如图2所示。流域水沙特性如发生突变，在水量、沙量双累计曲线图上将表现出转折，即累积曲线斜率增大或减小。从图2可以看出，阜阳闸站水沙双累积曲线斜率从世纪60年代以来发生两次变化，1980年左右第一次变化、2000年左右第二次变化，每次变化都是逐渐向径流轴偏转，2000年以后斜率变化更大，输沙量呈明显减小趋势。

图2 颍河阜阳闸站年径流量与年输沙量累计曲线

2.3 水沙相关性分析

径流量和输沙量在一定程度上具有相似的变化特性，分析两者之间的相关性，可以看出人类活动对其影响到程度。5—9月阜阳站输沙量占全年的97%，径流量占全年的70%，分时段分析水沙相关性，见表3。1961—1980年段，水沙相关性汛期各月均为高度相关(︱r|∈(0.7，1.0)，称为高度相关)；1981—2000年段，汛期5个月有3个月为高度相关，2个月为显著相关(︱r|∈(0.4，0.7)，称为显著相关)；2001—2020年段5个月均为显著相关。总体而言，下一时段的相关关系较上一时段的相关关系减弱，水沙相关性随年代逐渐减弱。

表3 阜阳闸站(5—9月)分阶段水沙相关性分析表

3 结语

(1)径流量、输沙量年内分配不均，主要集中在5—9月；年代径流量变化不显著，总体有减少趋势；年代输沙量及含沙量随时间推移均呈明显减小趋势，变化显着，输沙量、含沙量年际递减速度比径流量快，沙量的年际变异系数大于径流量变异系数。这是由于在颍河上游先后修建大、中型水库，干支流建有多座节制闸，水利工程拦蓄拦沙作用明显，同时颍河流域不断治理，加强水土保持等，导致颍河干流沙量随年代持续减小。

(2)水沙集中度依降水、径流、输沙量次序增大。这与颍河干支流水利工程建成及调蓄调度，改变了天然径流与泥沙特性，致使径流、输沙量年内分配较降水更为集中。

(3)径流量、输沙量双累积曲线斜率60年来发生两次变化，一次是1980年前后，一次是2000年前后，每次变化都是逐渐向径流轴偏转，2000年以后斜率变化更大。第一次突变时间点是改革开放后，区域耕作方式和种植结构发生了变化，地面裸土面积减小，下垫面环境得到修复，水土流失逐年改善。第二个突变时间点2000年前后，颍河治理力度加大，进行河道疏浚，堤防内居民住户全部迁移出颍河滩地，沿颍河城市建成多处公园，硬化绿化面积扩大，堤防进行加固和绿化，水生态环境进行一步好转，平均来沙量逐年减少趋势更为明显。

(4)水沙相关性分析显示，受人类活动影响，下一时段的相关关系较上一时段的相关关系逐渐减弱。