近60年來長江入海水沙演變規(guī)律及影響因素分析

郭文獻(xiàn)，李 越，王鴻翔

(華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045)

河流入海水沙是海陸互通的重要形式，是連接陸地與海洋系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，是形成河口三角洲的重要控制因素[1,2]。近年來受自然條件和人類活動等因素影響，長江入海水沙通量已嚴(yán)重發(fā)生改變，許多學(xué)者對此展開了研究，如趙慶英等分析了對長江水沙變化之間的相關(guān)性[3]，方娟娟等研究了1946-2009年長江入海徑流的變化趨勢、突變等特征[4]，余雯等預(yù)測了大通站年內(nèi)和年際變化規(guī)律[5]。但這些研究采用數(shù)據(jù)較為陳舊，且采用的研究方法主要集中在徑流泥沙序列資料的長期趨勢性變化，對于水沙不同尺度下的變化缺少相應(yīng)的研究。本文在采用雙累積曲線法和Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法分析水沙長時間序列趨勢變化的基礎(chǔ)上，利用小波分析對長江近60年來不同尺度下的水沙變化進(jìn)行研究，并深入分析影響長江入海水沙變化的影響因素。

1 研究資料

大通站水文站是長江下游最后一個不受潮流影響的控制站，位于安徽省貴池縣，在支流九華河入口上游1 km左右，下距淮河入長江口339 km，距長江入海口620 km，是長江入海水沙的參考站。大通水文站通常視為長江干流流量的總控制站，控制流域面積為170.55 萬km2，占長江流域面積的94.7%。本文選取大通水文站1953-2015年年徑流量、年輸沙量和年降雨量數(shù)據(jù)分析長江入海水沙變化，數(shù)據(jù)來源于《中國河流泥沙公報》和中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。

2 研究方法

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)徑流泥沙資料特點，采用累積曲線法、Mann-Kendall趨勢檢驗法和小波分析法就長江入海水沙控制站徑流泥沙變化情況進(jìn)行分析。

2.1 雙累積曲線法

雙累積曲線是檢驗兩個參數(shù)間關(guān)系一致性及變化的方法，通過在直角坐標(biāo)系中繪制同時期內(nèi)一個變量連續(xù)累積值與另一個變量的連續(xù)累積值關(guān)系曲線，可用于水文氣象要素一致性檢驗、缺值插補及趨勢性變化和強(qiáng)度分析[6,7]。

2.2 Mann-Kendall非參數(shù)檢驗

Mann-Kendall非參數(shù)檢驗通過計算時間序列數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化變量UF，與某一置信水平α(取0.05)下的臨界變量對比。當(dāng)UF為正表示有上升趨勢，為負(fù)則表示有下降趨勢；當(dāng)UF超出臨界值時表明上升或下降趨勢顯著。同時對原時間序列的逆序列進(jìn)行同樣的統(tǒng)計量計算，使UB=-UF，若兩條曲線在95%置信度水平內(nèi)出現(xiàn)交點，表明在該時間點發(fā)生突變，方法具體計算參考文獻(xiàn)[8,9]。

2.3 小波分析

小波分析的基本思想是一簇小波函數(shù)系來表示或逼近某一信號或函數(shù)。因此，小波函數(shù)是小波分析的關(guān)鍵，小波分析是指具有震蕩性、能夠迅速衰減到零的一類函數(shù)，即小波函數(shù)φ(t)∈L2(T)且滿足：

(1)

式中：φ(t)為基小波函數(shù)，可通過尺度的伸縮和時間軸上的評議構(gòu)成一簇函數(shù)系：

(2)

式中：φa,b(t)為子小波，若φa,b(t)是由式(2)給出的子小波，對于給定的能量有限信號f(t)∈L2(R)，其連續(xù)小波函數(shù)為：

(3)

3 徑流泥沙演變規(guī)律

3.1 徑流泥沙趨勢性分析

根據(jù)長江下游大通水文站1953-2015年年徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)，繪出徑流量、輸沙量變化過程線(圖1)。從圖1中可以看出，在1990s之前年輸沙量和年徑流量變化規(guī)律總體保持較好的一致性，既呈現(xiàn)大水大沙，小水小沙的狀態(tài)；1990s后輸沙量開始出現(xiàn)下降趨勢，且下降幅度越來越明顯。累積年徑流量變化過程線在研究期間內(nèi)基本保持為一條直線，說明近幾十年來長江入海徑流量無明顯變化；累積年輸沙量過程線呈明顯上凸形態(tài)，主要表現(xiàn)為4個階段。1970s之前基本呈直線狀態(tài)，表明輸沙量在此期間無明顯波動變化，年均輸沙量為4.95 億t；70s后輸沙量呈3個階段的下降趨勢，表現(xiàn)為70s到80s中期，年均輸沙量為4.42 億t；80s中期到2000s年，年均輸沙量為3.59 億t；2000s年以后，年均輸沙量出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，表明年均輸沙量顯著下降，年均輸沙量僅為1.56 億t，與1970s之前相比，年均輸沙量減少幅度達(dá)到68.48%。

為定量評估年徑流量和年輸沙量變化趨勢，借助Mann-Kendall趨勢檢驗法定量評估長江入海水沙年際變化趨勢。經(jīng)計算，年徑流量的Mann-Kendall標(biāo)準(zhǔn)化變量M為-0.01，取顯著性水平α=0.05，其對應(yīng)的臨界值為Mα=1.96，而|M|Mα，表明近幾十年來長江入海輸沙量下降趨勢顯著，通過95%置信度檢驗。

圖1 大通站年徑流量和年輸沙量變化過程Fig.1 The annual runoff and sediment transport process of Datong station

3.2 徑流泥沙突變性分析

對長江下游大通水文站年徑流量和輸沙量進(jìn)行Mann-Kendall非參數(shù)檢驗分析(圖2)可見，1956-1991年年徑流量基本呈波動減少狀態(tài)，其中1960年超過95%置信度檢驗。年輸沙量在1953-1955年和1992-2008年呈增加狀態(tài)，2008年后圍繞0值上下波動，但均未超過95%置信度檢驗。年徑流量UF和UB曲線交點出現(xiàn)在1955、1968、1972、1979、2006、2012年附近，且交點均落入0.05顯著性水平內(nèi)，表明這些年份徑流量可能發(fā)生突變。年輸沙量除1955-1958年和1964-1970年表現(xiàn)為增加趨勢外，其余各時間段均呈減少狀態(tài)，1989年后超出95%置信度檢驗，且下降趨勢不斷增強(qiáng)。年輸沙量UF和UB曲線相交于1997年，并未落入0.05顯著水平范圍內(nèi)，但考慮到1988-1996年間長江流域內(nèi)16座大型水庫建成蓄水[11]，攔沙效果顯著，因此也將1997年考慮為可能突變年份。

圖2 大通站年徑流量和年輸沙量Mann-Kendall統(tǒng)計值Fig.2 The annual runoff and sediment discharge Mann-Kendall statistics of Datong station

為了檢驗Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法對大通站突變結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用均值差異T檢驗對上述突變結(jié)果進(jìn)行驗證，計算方法參考文獻(xiàn)[12,13]。選取顯著性水平α為0.01，其對應(yīng)的臨界值tα為2.704，計算結(jié)果參見表1。對于年徑流量，當(dāng)M=3時，突變指數(shù)為0.86，對應(yīng)的統(tǒng)計量為3.56>tα，通過99%顯著性檢驗，表明徑流量在第3個基準(zhǔn)年發(fā)生顯著性變化，即年徑流量在1955年發(fā)生突變。對于輸沙量，當(dāng)M=45時，突變指數(shù)為1.39，對應(yīng)的統(tǒng)計量為10.33>tα，通過99%顯著性檢驗，表明輸沙量在1997年發(fā)生突變。

表1 大通站年徑流量和輸沙量均值差異T檢驗Tab.1 The T-test of mean of runoff and sediment at Datong station

3.3 徑流泥沙周期性變化

從圖3小波分析中可看出徑流量存在著明顯的年際變化特征，徑流量從上至下存在著19～23、7～11、3～5 a的3類尺度周期變化規(guī)律。其中在較大尺度的19～23 a周期中，徑流量經(jīng)歷了豐→枯→豐→枯→豐→枯→豐→枯→豐的9次循環(huán)交替，具體時間為：1956年前、1965-1971年、1980-1986年、1996-2003年、2013-2015年小波系數(shù)為正，表示為豐水期；1957-1964年、1972-1979年、1987-1995年、2004-2012年小波系數(shù)為負(fù)，表示為枯水期。并且該時間尺度的周期變化在研究期間內(nèi)表現(xiàn)較為穩(wěn)定，具有全局性。相反，在7～11、3～5 a兩類小尺度周期上則有更頻繁的豐枯變換。由徑流量小波方差圖可以看出，年徑流量變化的主周期為23、11、5 a，其中以23 a為主周期的小波方差最大，表明該時間尺度上的周期性最為顯著。

圖3 大通站徑流量小波分析等值線圖和小波方差Fig.3 Wavelet analysis contours and wavelet variances of runoff at Datong

年輸沙量的周期性變化與年徑流量的周期性變化既有相似之處但又存在一定差別。從圖4可以看出，輸沙量主要存在著19～24、10～13、3～5 a的3類尺度周期變化規(guī)律。在19～24 a的周期上，輸沙量經(jīng)歷了多→少→多→少→多→少→多→少→多的9次變換，表現(xiàn)為：1956年前、1964-1970年、1980-1986年、1995-2003年、2013-2015年小波系數(shù)為正，表示為多沙期；1957-1963年、1971-1979年、1987-1994年、2004-2012年小波系數(shù)為負(fù)，表示為少沙期。在大尺度周期上，年輸沙量自1970年后19～24 a的周期性變化上更為穩(wěn)定，與上述分析中年輸沙量自1970年后開始呈下降趨勢相一致，說明自1970年以來，受長江上游各種因素的綜合影響下，在大時間尺度上年輸沙量穩(wěn)定在19～24 a的周期性變化；在小尺度周期上，年輸沙量“多→少”交替循環(huán)更為頻繁，波動性更強(qiáng)。從小波方差圖中可以看出，輸沙量變化以24、13、5 a為主周期。

圖4 大通站輸沙量小波分析等值線圖和小波方差Fig.4 Wavelet analysis contours and wavelet variances of sediment at Datong

3.4 徑流泥沙雙累積分析

雙累積曲線法主要利用水沙累積的變化特點研究徑流泥沙的變化，當(dāng)雙累積曲線為一條直線時，表明徑流泥沙無明顯變化；若累積曲線在某點發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，則表明水沙關(guān)系發(fā)生顯著變化[14]。根據(jù)上述徑流泥沙趨勢性、突變性分析和大通站徑流量—輸沙量雙累計曲線(圖5)，將大通站徑流泥沙時間序列劃分為1953-1970年、1971-1996年、1997-2015年3個階段。

圖5 大通站徑流量—輸沙量雙累積曲線Fig.5 Double mass curve between runoff and sediment at the Datong statin

從圖5中可以看出，3個階段的線性擬合方程斜率表現(xiàn)為減小趨勢，1971-1996年線性擬合方程斜率減少相對平穩(wěn)，而1997-2015年線性擬合方程斜率明顯降低，說明大通在年輸沙量在近十多年來迅速減少。通過大通站徑流量—輸沙量雙累積曲線的線性擬合方程估算各階段累積輸沙量的減少量，具體計算方法參見文獻(xiàn)[15]。分別將1996年和2015年大通站累積徑流值(390.88×1011m3和558.92×1011m3)分別代入公式y(tǒng)=0.572 4x-3.294 5和y=0.470 4x+14.454，可得1996年和2015年在曲線轉(zhuǎn)折前的累積輸沙量分別為220.45和277.37 億t。將1996年和2015年大通站累積徑流值分別代入y=0.470 4x+14.454和y=0.204 1x+118.85，可得1996年和2015年在曲線轉(zhuǎn)折后的累積輸沙量分別為198.32和232.93 億t，即1971-1996年和1997-2015年兩個階段的累積減沙量分別為22.13和44.44 億t。

4 徑流泥沙演變影響因素

4.1 自然因素

流域產(chǎn)水產(chǎn)沙是流域降水和下墊面共同作用的結(jié)果，而降水是影響流域水沙量最直接的因素[16]，故本文主要考慮降水對徑流泥沙的影響。根據(jù)1953-2015年長江入?？刂普敬笸ㄕ緩搅?、泥沙和降水量數(shù)據(jù)，點繪降水與徑流、泥沙年際變化過程線。由圖6可見，研究期間內(nèi)大通站年徑流量、年降水量基本上沒有大的波動變化，兩者變化趨勢基本保持一致，保持較好的相關(guān)性。而年降雨量和年輸沙量在1998年前變化趨勢基本保持一致，1998年后年輸沙量顯著下降，而降水量在此期間并無明顯變化，年降水量和年輸沙量變化出現(xiàn)明顯偏差。進(jìn)一步采用Mann-Kendall趨勢檢驗法對年降雨量進(jìn)行分析，結(jié)果表明年降雨量的Mann-Kendall的標(biāo)準(zhǔn)化變量M為0.56，小于1.96，表明降雨量變化趨勢不明顯。大通站降水量變化不明顯，而年輸沙量顯著減少，與降水變化出現(xiàn)偏差，可以認(rèn)為降水量對長江入海泥沙量無明顯影響，主要是由人類活動造成的。

圖6 大通站年降雨量與徑流泥沙的變化關(guān)系Fig.6 Relationship between rainfall and runoff, sediment at Datong

4.2 人類活動

4.2.1 水庫攔沙的影響

長江流域干支流水利工程眾多，其中以水庫為主，這些水利工程為社會帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時也會對河流調(diào)蓄及泥沙運輸產(chǎn)生影響。長江流域干支流典型水庫如表2所示，水庫有關(guān)資料摘自于相關(guān)文獻(xiàn)及網(wǎng)站[17-20]。從表中可以看出，長江流域自20世紀(jì)70年代之前開始建立一系列的水利工程，但是水庫庫容較小，且大多處于支流流域，對干流水沙影響較小，故70年代之前輸沙量基本無明顯變化；隨著水利水電工程不斷開發(fā)，水庫攔沙效應(yīng)逐漸增大，80年代長江流域累積庫容達(dá)到476.2 億m3；2000年累積庫容為808.3 億m3；截止到2015年，特別是三峽水庫建成蓄水后，大通站上游水庫累積庫容已達(dá)到1 840.2 億m3。隨著大型水庫的不斷建成蓄水，攔截上游來沙，直接造成長江入海輸沙量顯著減少。

表2 長江流域典型大型水庫及建設(shè)情況Tab.2 Typical reservoirs and their conditions in the Yangtze River

4.2.2 河道采砂的影響

河道采砂造成河道下切，河道局部過水面積增大，致使采砂河段發(fā)生泥沙淤積，直接減小了下游河道的輸沙量[21]。長江河道采砂始于20世紀(jì)70年代后期，到80年代逐步形成大規(guī)模開采之勢[22]，隨著建筑用砂需求不斷增加，90年代濫采亂挖現(xiàn)象嚴(yán)重。自2002年實施《長江河道采砂管理條例》以來，長江河道采砂開始有序解禁，河道采砂主要集中在長江中下游(圖7)，2004-2012年長江中下游河道年均采砂量可達(dá)3 550 萬t，2004-2009年度實際采砂總量逐年增加，其中僅2009年采砂量達(dá)到7 020 萬t，而大通站2009年年輸沙量僅為11 000 萬t，實際采砂總量占到大通站年輸沙量的63.82%。2010年后長江中下游河道年均實際采砂量為4 680 萬，2011年實際采砂總量占大通站年輸沙量比例最高，達(dá)到58.98%。近年來長江河道采砂量還有不斷增加的趨勢，預(yù)計年均采砂量可達(dá)4 500 萬t。人為采砂破壞了河流生態(tài)系統(tǒng)平衡狀態(tài)，造成上游來沙淤積在采挖坑內(nèi)，進(jìn)一步減少下游河道泥沙含量。

圖7 長江中下游年度實際采砂量與大通站年輸沙量變化Fig.7 The changes of annual practical volume of sand mining and annual sediment at Datong

4.2.3 水土保持的影響

流域水土保持措施對流域泥沙輸移的影響體現(xiàn)在對輸沙量的減小上，水土保持工程是河流輸沙量減少的主要原因之一[23]。自1989年長江流域?qū)嵤伴L治”工程實施以來，上游水土流失最為嚴(yán)重的“四大片”(金沙江下游及貴州畢節(jié)地區(qū)、嘉陵江中下游、隴南陜南地區(qū)和三峽庫區(qū))水土流失面積減少了40%～60%，坡耕地減少近80%，荒山荒坡基本消失，小流域土壤減侵率超過70%，截止2008年長江上游累計治理小流域5 000 余條，完成水土流失治理面積9.58 萬km2[24,25]。根據(jù)《2006-2015年長江流域水土保持公報》調(diào)查顯示，2006-2015年長江流域累計治理水土流失面積達(dá)14.73 萬km2。水土保持工程措施提高了河流攔沙能力，同時也對下游河流輸沙量減少有著直接影響。

5 結(jié) 語

(1)根據(jù)大通水文站徑流量和輸沙量年際變化分析，長江入海徑流量呈微弱減少趨勢，其Mann-Kendall標(biāo)準(zhǔn)化變量為-0.01；而輸沙量的Mann-Kendall標(biāo)準(zhǔn)化變量為-7.51，通過95%顯著性檢驗，下降趨勢顯著。

(2)根據(jù)Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法和均值差異T檢驗法對大通站徑流泥沙進(jìn)行突變分析，結(jié)果表明徑流量在1955年發(fā)生突變，突變點對應(yīng)的統(tǒng)計量t分別為3.56，輸沙量在1997年發(fā)生突變，突變點對應(yīng)的統(tǒng)計量t為10.33。

(3)通過小波分析可知，輸沙量的周期性變化與年徑流量的周期性變化存在一定的相似之處，徑流量和輸沙量都存在著3類時間尺度周期，年徑流和年輸沙量分別以23 a和24 a為主周期。

(4)通過對大通站徑流量泥沙雙累積分析，可將大通站徑流泥沙時間序列劃分為1953-1970年、1971-1996年、1997-2015年3個階段，1971-1996年和1997-2015年兩個階段的累積減沙量分別為22.13和44.44 億t。

(5)對長江入海水沙影響因素分析可得，年徑流量與降水量變化具有一致性，輸沙量顯著減少主要受水庫攔沙、河道采砂和水土保持等人為因素影響。