蒲河流域近60年水沙演变特征分析

袁 鑫

(辽宁生态工程职业学院，辽宁 沈阳 110122)

蒲河属于浑河右岸的一级支流，主要流经沈阳地区，属于沈阳地区流域面积最大的中型河流。近些年来随着蒲河生态长廊的建设规划，蒲河流域的生态综合治理至关重要，也将成为辽中地区经济发展的新增长点[1]。流域水生态保护规划重要内容在于对其水生态演变特征进行分析，而水沙是水生态演变特征分析的重要要素之一，尤其是径流变化，是流域水循环变化的重要组成部分[2]。系统分析流域水沙演变，对于流域水资源保护、水生态规划的合理、科学制定至关重要[3]。近些年来，蒲河流域水沙演变分析取得一定研究成果[4-13]，但这些研究成果均未对蒲河流域水沙变化特征进行系统分析，且研究的资料序列相对较多。为提高蒲河流域水沙演变分析的系统性和科学性，结合蒲河流域主要控制水文站大河泡站1960—2020年径流和泥沙观测数据，对其近60年水沙变化特征进行分析，并结合目前国内水文变量特征分析应用较为成熟的M-K趋势显著性检验法[14]和线性倾向率计算方法[15]对其水沙变化特征进行分析，研究成果对于气候变化下蒲河流域水生态演变分析具有参考价值。

1 蒲河流域概况

蒲河流域面积2496km2，河流全长250km，流域暴雨天气系统主要为华北气旋和低压冷风作用，7—8月是流域暴雨主要集中月份，夏季降水量占全年降水量的80%左右，多年平均降水量为500～600mm，多年平均径流深在350～450mm之间。流域内地形主要以平原为主，丘陵区占流域总面积的比重为12.5%。流域内植被覆盖相对较好，植被覆盖率总体可达到30%左右。棋盘山水库、东陵、裕国、大河泡、辽中为其主要控制水文站，其中棋盘山水库、东陵站、辽中站径流受水利工程影响较为明显，使得资料的代表性和一致性相对较差，裕国站资料序列相对较短，不能满足蒲河流域水沙演变系统分析的要求，因此大河泡为理想研究站点。大河泡建站时间较长，为此结合大河泡水文站1960—2020年径流和泥沙观测数据，对其近60年水沙变化特征进行分析，并结合一致性、可靠性、代表性对水沙数据系列进行检验，检验均满足水文数据分析要求，建立的水沙数据系列可用来进行蒲河流域水沙变化特征的分析。

2 研究方法

径流、泥沙变化趋势采用Mann-Kendall方法进行显著性检验，该方法主要通过对年和月尺度径流、泥沙数据系列进行特征统计，其统计变量计算方程为：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—水沙观测数据系列趋势检验特征统计变量；xi、xj—水沙观测数据系列正向、反向样本统计数据系列；σs—观测数据数据系列标准方差；sign—变量计算符号；n—水沙统计数据序列样本总数；Z—不同检验水平下的变量特征值，当Z>0表示水沙变化总体呈现递增变化，反之则表示水沙变化总体呈现递减变化。99%置信检验水平下|Z|高于2.32，95%置信检验水平下|Z|在1.64～2.32之间，90%置信检验水平下|Z|在1.28～1.64之间。此外对水沙变化倾向率采用一元线性回归方程进行计算：

(5)

3 径流演变分析

3.1 年尺度演变特征

结合蒲河流域大河泡水文站1960—2020年径流观测数据，对各年代际径流变化的距平值、离差累积值、极差值进行统计，并结合M-K非线性显著性检验方法对其各年代际径流变化趋势进行检验，年尺度径流演变特征统计结果见表1。

表1 蒲河流域大河泡水文站1960—2020年年径流变化特征统计结果

从蒲河流域大河泡水文站1960—2020年年径流变化特征统计结果可看出，近60年大河泡水文站径流总体呈现递减变化，但递减趋势不显著，年尺度递减趋势检验值为-0.43，未通过90%的M-K非线性显著性检验水平。不同年代径流线性倾向率为-13.5×104m3/10a，各年代中除2000年代和2010年代呈现递增变化外，其他年代际径流均呈现递减变化，80年代蒲河流域径流变化递减趋势较为明显，其递减趋势检验值为-1.77，通过90%的变化趋势显著性检验，并分析其80年代为蒲河流域较枯年份，年代际降水量远低于距平值。经对不同年代际离差累积值和极差值统计分析，各年代际径流变化相对较为稳定，未出现明显的丰枯周期变化。

3.2 月尺度演变特征

在蒲河流域大河泡水文站年尺度径流变化特征分析的基础上，对其汛期(6—9月)和非汛期(1—5月及10—12月)径流变化特征进行统计，并对各年代际汛期和非汛期径流变化趋势进行检验，月尺度径流演变特征统计结果见表2—3。

表2 蒲河流域大河泡水文站1960—2020年汛期径流变化特征统计结果

表3 蒲河流域大河泡水文站1960—2020年非汛期径流变化特征统计结果

从蒲河流域大河泡水文站1960—2020年汛期和非汛期径流变化特征统计结果可看出，汛期径流变化和年径流变化较为一致，主要是因为大河泡水文站径流主要集中在汛期的6—8月，汛期径流量占全年径流量的比重超过70%，从汛期不同年代际的变化趋势检验值可看出，其总体趋势检验值为-0.48，递减趋势显著性要高于年尺度，而非汛期径流变化趋势检验为-0.11，总体也呈现弱递减变化。汛期各年代际径流变化的离差累积值和极差值也表明汛期径流丰枯变化周期性不明显，而非汛期的径流变化的离差累积值和极差值总体要高于汛期，其各年代际丰枯变化周期性要高于汛期尺度。对于非汛期而言，在各年代际中除90年代和2000年代呈现递减变化外，其他各年代际均呈现递增变化，2010年代递增趋势最为明显。不同年代际汛期和非汛期径流线性倾向率分别为为-10.8×104m3/10a和-2.7×104m3/10a。

4 输沙量演变分析

4.1 年尺度演变特征

在蒲河流域大河泡水文站1960—2020年年径流变化特征分析的基础上，对其不同年代际输沙量变化特征进行统计分析，并结合M-K非线性显著性检验对其各年代际输沙量变化趋势进行检验，分析结果见表4。

表4 蒲河流域大河泡水文站1960—2020年年输沙量变化特征统计结果

从蒲河流域大河泡水文站1960—2020年年径流变化特征统计结果可看出，其各年代际输沙量变化和径流变化较为一致，主要因为径流作为泥沙主要运移的载体，其进入河道内的沙量主要是径流量的影响，径流量较大其输沙量一般较高。不同年代际输沙量变化总体呈现递减变化，递减趋势检验值为-0.94，未通过90%的递减趋势显著性检验。各年代际输沙量线性倾向率为-35.2×104t/10a。在各年代际中除2000和2010年代外，其他年代际输沙量均呈现递减变化，2000和2010年代输沙量递减趋势较为明显，均通过90%的显著性检验。从蒲河流域大河泡水文站年输沙量变化的离差累积值和极差值分析可看出，和年径流变化具有一致性，近60年以来蒲河流域大河泡水文站年输沙量的丰枯变化较为稳定，周期变化不明显。

4.2 月尺度演变特征

结合蒲河流域大河泡水文站1960—2020年输沙量观测数据，对其汛期和非汛期输沙量的变化特征进行统计分析，结果见表5—6。

表5 蒲河流域汛期尺度降水量变化特征统计结果

表6 蒲河流域非汛期尺度降水量变化特征统计结果

从汛期和非汛期蒲河流域大河泡水文站输沙量变化特征可看出，汛期输沙量和年输沙量变化具有一致性，各年代际中年尺度输沙量递增下其汛期输沙量也呈现递增变化，汛期输沙量总体呈现递减变化，递减趋势检验值为-0.23，递减趋势不显著，未通过90%的显著性检验。近些年来蒲河流域加大生态治理，流域植被覆盖率提升明显，使得进入河道内的输沙量也明显减少，各年代际输沙量递减倾向率为-28.2×104t/10a。非汛期蒲河流域大河泡水文站输量也呈现弱递增变化，非汛期各年代际输沙量递减倾向率为-7.04×104t/10a。从汛期和非汛期输沙量变化的离差累积值和极差值变化可看出，汛期和非汛期输沙量变化较为稳定，相比于年尺度，其丰枯变化周期性更为显著。

5 水沙变化成因分析

结合参考文献[15]的分析方法对蒲河流域各年代际水沙变化影响进行分析，其分析成果见表7—8。

表7 蒲河流域大河泡水文站各年代际径流影响成因分析

表8 蒲河流域大河泡水文站各年代际输沙量影响成因分析

从蒲河流域大河泡水文站各年代际水沙成因分析可看出，水沙变化主要是降水变化影响较大，降水变化影响相对贡献率超过50%，是近60年蒲河流域水沙递减变化的主要影响因子，主要受降水减少影响较为明显。人类活动对水沙影响占比低于50%，对输沙量影响相对贡献率要高于对径流的影响。尤其是近些年来，蒲河流域生态综合治理后，其植被覆盖率提升降低了流域的水土流失量，使得河道内的输沙量有所减少。

6 结论

(1)蒲河流域2000、2010年代流域生态需水量得到有效补充，利于蒲河流域水生态保护，应进一步增强汛期水利工程调蓄功能，加大生态泄流。

(2)人类活动对输沙量影响相对贡献率要高于对径流的影响，尤其是近些年来，蒲河流域生态综合治理后，其植被覆盖率提升降低了流域的水土流失量。

(3)本文研究的水文站点相对较少，存在不足，在后续研究中还应增加更多站点资料进行蒲河流域水沙变化的分析。