遼河水沙態(tài)勢變異特征及其主要影響因素

趙文龍，劉貝貝

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450011)

遼河水沙態(tài)勢變異特征及其主要影響因素

趙文龍，劉貝貝

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450011)

流域人類活動對遼河水沙態(tài)勢變異產(chǎn)生了重要的影響。為了深入探究遼河流域水沙態(tài)勢的變異特征及其主要影響因素，本文利用了累積曲線法、M-K秩次相關檢驗分析法就遼河主要干支流1955—2012年水沙態(tài)勢變化特征進行分析研究。結果表明：水庫攔沙、水土保持、河道沖淤與采砂等是引起遼河流域水沙態(tài)勢變化的主要因素，其中水庫攔沙的影響作用最為明顯。

遼河；水沙；變化；因素;水庫攔沙

遼河發(fā)源于河北省承德市地區(qū)老圖山脈的光頭山，流經(jīng)河北、內(nèi)蒙古、吉林和遼寧4省(區(qū))，全長1345 km，流域面積為22.1萬km2[1],遼河水系分布如圖1。遼河干流以東各支流地區(qū)，植被覆蓋相對較好，是少沙多水地區(qū)。遼河干流西側(cè)各支流地區(qū)，由于氣候干燥，植被覆蓋率較差，地表多為黃土和沙土，水土流失較為嚴重，泥沙含量高。柳河是本流域含沙量最大的河流，由于上游是低山黃土丘陵及漫崗，溝壑密度大，全年多風，蒸發(fā)量大，植被很差，每遇暴雨，大量泥沙下泄；西遼河

圖1 遼河水系圖

上游另一條支流老哈河亦屬于多沙河流，兩岸多為黃土覆蓋丘陵山地，植被差，沖溝發(fā)育，地貌破碎，水土流失嚴重[2]。隨著氣候降水條件的變化和人類活動的加劇，遼河流域產(chǎn)流產(chǎn)沙條件發(fā)生了變化，致使遼河的來水來沙條件發(fā)生了巨大變化。河流水沙變化既關系到遼河本身的發(fā)展，又反應了遼河流域的環(huán)境特性、水土流失程度及人類活動對流域內(nèi)水沙的影響。在水資源保護和利用、防洪減災、水土保持及生態(tài)環(huán)境建設等工作中，河流水沙變化問題是必須考慮的主要因素。因此，全面了解遼河徑流量和輸沙量的變化情況具有十分重要的價值。

1 計算方法原理

以中國河流泥沙公報發(fā)布的遼河主要控制站的水沙資料[2]為基礎，選取遼河上游老哈河興隆坡水文站、支流柳河新民水文站、遼河干流鐵嶺水文站和六間房水文站作為代表站，利用M-K秩次相關檢驗分析法[3-4]和水文累積曲線法，就遼河水沙變化態(tài)勢及其影響因素進行分析研究。

1.1 M-K秩次相關檢驗分析法

Xt(t=1,2,…n)為一時間序列，先確定其序列的對偶數(shù)(Xi

(1)

(2)

(3)

式中：n為時間序列所含樣本個數(shù)，Var(τ)為統(tǒng)計量的方差。

趨勢判斷：如果U>0時，表明有上升的趨勢；如果U<0,表明有下降的趨勢。當|U|>U0.05/2=1.96時，表示序列趨勢變化顯著。

突變點判斷：UFi為標準正態(tài)分布，它是按時間正序列X順序x1,x2,…,xn正序計算出的統(tǒng)計量序列；按時間序列X逆序xn，xn-1，…,x1，再重復上述過程，同時使UBk=UFk，k=n,n-1,…,1,UB1=0[5]。當UBk=UFk且|UBk|、|UFk|<1.96時,交點對應時刻即為突變點。

1.2 累積曲線法

本文采用的累積曲線法包括水文累積曲線法和雙累積曲線法。

水文累積曲線法原理：在直角坐標系中繪制一個時間段內(nèi)某一變量的連續(xù)累積值。通過累積曲線增長趨勢定性分析遼河水沙變化。

雙累積曲線法原理：在直角坐標系中繪制同期內(nèi)一個變量的連續(xù)累積值與另一個變量連續(xù)累積值的關系線。通過建立雙累積曲線，剔除參考變量的影響，顯現(xiàn)出另一個因素是否導致被檢驗量發(fā)生顯著性趨勢變化，在年徑流量與年輸沙量雙累積曲線中累積年徑流量作為參考值，從而分析年輸沙量的變化趨勢。

2 遼河干支流水沙變化態(tài)勢

遼河干流主要水文站多年平均徑流量、輸沙量及變化趨勢見表1，相應主要水文站徑流量和輸沙量的累積曲線見圖2～圖7。結合圖表，對遼河干、支流水文站的水沙變化態(tài)勢進行分析。

表1 遼河主要水文測站多年平均徑流量、

注：遼河干流六間房水文站實測數(shù)據(jù)不滿足M-K秩次相關檢驗分析法突變分析條件

2.1 老哈河興隆坡水文站

老哈河興隆坡水文站多年平均徑流量和輸沙量分別為4.87億m3和1347.41萬t。如圖2所示，老哈河興隆坡水文站徑流量累積曲線呈上凸形式，興隆坡站徑流量標準化變量為-4.149，其絕對值遠大于1.96，表明興隆坡水文站的年徑流量具有顯著減少的趨勢，對應的單累積曲線在1979年之前近似呈直線增長趨勢,1980年之后有向下偏離趨勢，1989—1998年呈直線狀態(tài)增長，1998年之后增長趨勢下降明顯。興隆坡水文站輸沙量標準變化量為-5.563，其絕對值遠大于1.96，表明興隆坡水文站的年輸沙量有顯著的減少趨勢，對應的單累積曲線1979年之前總體呈直線趨勢增長，1980—1981年、1989年泥沙輸移量明顯減小，1994年之后增長趨勢明顯放緩。

圖2 老哈河興隆坡水文站累積徑流量和累積輸沙量

2.2 柳河新民水文站

柳河新民水文站多年平均徑流量和多年平均輸沙量為2.16億m3和376.37萬t。如圖3所示，柳河新民水文站徑流量累積曲線基本成上凸趨勢，徑流量標準化變量為-5.573，其絕對值遠大于1.96，對應的單累積曲線1998年之前基本呈直線增長趨勢，1998年之后增長趨勢下降明顯。新民水文站輸沙量的標準變化值為-6.826，其絕對值遠大于1.96，相應的單累積曲線1969年之前總體呈直線狀態(tài)，1969年之后增長趨勢下降，呈下凹狀，1994年之后增長趨勢下降明顯。

圖3 柳河新民水文站累積徑流量和累積輸沙量

2.3 干流鐵嶺水文站

遼河干流鐵嶺水文站多年平均徑流量和多年平均輸沙量分別為29.36億m3和1113.04萬t。鐵嶺水文站徑流量標準化變量為-3.117，其絕對值遠大于1.96，如圖4所示，單累積曲線在1964年之前近似呈直線增長趨勢,1964—1976年增長趨勢放緩，1977—1984年增長趨勢明顯下降，1985—1998年基本呈直線趨勢增長，1998—2012年增長趨勢下降明顯；鐵嶺水文站輸沙量的標準變化值為-4.905，其絕對值遠大于1.96，單累積曲線1964年之前總體呈直線狀態(tài)，1964年之后增長趨勢明顯下降，1986—1995年基本呈直線趨勢增長，1995年之后增長趨勢下降明顯。如圖5雙累積曲線所示，雙累積曲線開始基本先呈直線趨勢增長，然后增長趨勢顯著放緩，說明遼河含沙量先趨于穩(wěn)定然后出現(xiàn)明顯減少，其變化過程與單累積曲線圖變化過程趨于一致。

圖4 遼河干流鐵嶺水文站累積徑流量和累積輸沙量

圖5 鐵嶺水文站徑流量、輸沙量雙累積曲線

2.4 干流六間房水文站

遼河干流六間房水文站多年平均徑流量和輸沙量分別為29.09億m3和399.00萬t。六間房站徑流量標準化變量為-1.543，其絕對值略小于1.96。如圖6，對應的單累積曲線在1995年之前近似呈直線增長趨勢，1995年之后開始有向下偏離趨勢，1997年后又呈直線狀態(tài)增長，1998—2004年增長趨勢下降明顯，2009—2012年增長趨勢明顯。六間房水文站輸沙量的標準變化值為-2.381，其絕對值大于1.96，相應的單累積曲線1995年之前總體呈直線狀態(tài)，1995年之后有向下偏離趨勢，1997年之后增長趨勢變快，1998年之后增長趨勢明顯下降。如圖7所示，雙累積曲線增長趨勢逐漸放緩而且放緩幅度逐漸變大，說明遼河干流含沙量存在逐漸減少趨勢并且減少趨勢逐漸加劇。

圖6 遼河干流六間房水文站累積徑流量和累積輸沙量

圖7 六間房水文站徑流量、輸沙量雙累積曲線

3 主要成因分析

3.1 水庫攔沙

遼河干、支流上大量水庫樞紐的建設，最終影響遼河干流的輸沙量變化。以鐵嶺水文站為例，結合鐵嶺水文站上游干支流水庫的建設情況，如表2所示。遼河干、支流共修建大、中型水庫9座，總庫容41.112億m3。水庫修建后，水庫調(diào)蓄了年內(nèi)徑流過程，攔截了大量泥沙，水庫泥沙淤積，減少了出庫的泥沙量，明顯地改變了進入干支流下游河道的水沙過程。尤其是1959年莫力廟水庫和1960年清河水庫的修建，使得鐵嶺水文站的年輸沙量驟減至1960年的3580萬t、1961年的257萬t，見圖8。圖8為遼河鐵嶺水文站輸沙量與流域累積庫容的變化關系，綜合 M-K秩次相關檢驗分析法的水沙趨勢突變分析結果與表2水庫建設的實際狀況，分析遼河鐵嶺水文站流輸沙量與水文站上游水庫建設情況之間的關系，得出鐵嶺水文站輸沙量的突變年份與水庫蓄水運用時間基本一致。具體變化情況如下，遼河鐵嶺水文站上游先后于1960年、1962年和1963年修建了清河水庫、紅山水庫和柴河水庫等大、中型水庫，累積庫容從1959年的5.352億m3增加到1960年的15.062億m3，1962年增至31.252億m3，1963年增至37.612億m3，相應的鐵嶺水文站年均輸沙量從1954—1959年的4813.33萬t減至1960—1963年的2714.25萬t，1964—2012年進一步減至529.231萬t，表明鐵嶺水文站年輸沙量減少的突變點為1959年、1960年、1962年、1963年。

表2 遼河流域鐵嶺水文站上游主要水庫

圖8 鐵嶺水文站輸沙量與流域累積庫容的關系

3.2 水土保持

遼河流域水土流失的典型代表是柳河，柳河在鐵嶺下游匯入遼河干流，由于上游是低山黃土丘陵及漫崗，溝壑密度大，全年多風，蒸發(fā)量大，植被很差，水土流失非常嚴重，每遇暴雨，大量泥沙下泄，輸沙量占遼河流域的70%多，是遼河流域含沙量最高的河流。建國以來，國家對柳河的治理非常重視，作了很多工作，20世紀80年代以來，以小流域治理為主，收到良好的效果。1983年柳河被國務院列入國家水土保持八大重點治理區(qū)，全區(qū)統(tǒng)一規(guī)劃，堅持對山、水、林、田、路綜合治理，實行工程措施和生物措施相結合，使治理范圍內(nèi)的水土流失狀況大為好轉(zhuǎn)，柳河上游水、沙得到一定控制。截止2010年底，柳河流域先后開展了4期水土保持重點建設工程，涉及遼寧省的阜蒙縣、彰武縣，內(nèi)蒙古自治區(qū)的舍曼縣、庫倫旗，共投資25 128.50萬元，完成水土流失治理面積2389.03 km2，其中，耕地治理692.31 km2，封育治理484.94 km2，林草工程1147.08 km2，修建谷坊15 369座[6]。

3.3 其它原因

遼河水沙趨勢的影響原因除了上面提到的水庫攔沙和水土保持兩個因素還包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活引水，及河道采砂等人為因素；氣候變化、降雨量變化、河道沖淤等自然因素。如圖 9，1995年、2004年、2010年、2011年遼河鐵嶺干流水文站驗測斷面主河槽不斷沖淤變化，尤其是在起點距1300～1650 m變化明顯。圖10為遼河流域2004—2011年降雨量變化。降雨量的變化直接影響徑流量的變化，從而影響河道沖淤變化，河道輸沙量隨之改變。

圖9 鐵嶺水文站測驗斷面沖淤變化

圖10 遼河流域2004—2011年降雨量

4 結 論

(1)經(jīng)M-K秩次相關檢驗分析法與累積曲線法分析，興隆坡、鐵嶺、新民、六間房四個水文站的年徑流量和輸沙量的M-K值統(tǒng)計量均超過檢驗標準，呈明顯的下降趨勢，其中新民水文站的徑流量和輸沙量減少趨勢最為明顯，同時四個水文站年徑流量、年輸沙量單累積曲線圖和雙累積曲線在M-K相應突變年份出現(xiàn)明顯減少趨勢，說明遼河流域來水量、來沙量均存在減小趨勢。

(2)通過對遼河干、支流主要控制斷面的徑流量和輸沙量進行突變點分析可知，興隆坡水文站發(fā)生突變的年份是1965年、1989年、2000年；新民水文站發(fā)生突變年份是1988年；鐵嶺水文站發(fā)生突變年份是1959年、1960年、1962年、1963年，六間房水文站不滿足M-K秩次相關檢驗分析法突變分析條件。

(3)除受遼河干、支流上游水沙條件的影響外，流域水庫攔沙、水土保持、河道沖淤，及采砂等都是遼河流域水沙變異的主要影響因素,其中水庫攔沙是影響遼河流域水沙變化的主要因素。

[1] 張燕青,胡春宏,王延貴.遼河流域水沙變化特征及影響因素分析[J].人民長江,2014,5(1):32-35.

[2] 中華人民共和國水利部.《中國河流泥沙公報》[M].北京：中國水利水電出版社,2002-2012.

[3] 周芬.Kendall檢驗在水文序列趨勢分析中的比較研究[J].人民珠江,2005(1)：35-37.

[4] 魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計診斷與預測技術[M].第二版.北京：氣象出版社,2008.

[5] 武娟,邢磊.Mann-Kendall方法在長江漢口站水沙特性變化分析中的應用[DB/OL].(2014-4-19)[2015-3-23].http://www.docin.com/p-386476580.html.

[6] 水利部松遼水利委員會.《松遼流域水土保持公報》[R].長春：水利部松遼水利委員會，2012.

Analysis on variation characteristics and influential factors of runoff and sediment of Liaohe river

ZHAO Wenlong，LIU Beibei

(NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450011,China)

t：Human activity has an important impact on runoff and sediment variation characteristics of Liaohe river.In order to have a thorough understanding of the runoff and sediment variation characteristics of Liaohe river,the paper selected main tributaries of Liaohe river as case study object,and runoff and sediment variation characteristics of Liaohe River Basin during 1955—2012 were analyzed through M-K rank statistical test and the double cumulative curve method.Results shows that reservoir block sand sediment,conservation of soil and water,channel scouring and siltation and sand excavation are the main factors,and reservoir block sand sediment is the most important factor.

Liaohe river;runoff and sediment;variation;factor;reservoir block sand sediment

趙文龍(1988-)，男，碩士，主要從事水力學和河流泥沙動力學研究。E-mail：zhaowenlong6@126.com

TV14

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2096-0506(2015)01-0055-05