大洋河沙里寨水文站水沙變化與驅(qū)動(dòng)因素分析

楊永利

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001)

大洋河發(fā)源于遼寧省岫巖縣偏嶺鄉(xiāng)，全長(zhǎng)230.2km，流域面積為1968.4km2，主要支流有哨子河、牤牛河、連河水、雅河等，屬于遼東半島最大的獨(dú)流入海河流。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及各行業(yè)用水量的急劇增加，大洋河及其支流開(kāi)發(fā)建設(shè)了羅圈背、土門子、三大步、古龍等水電站，在滿足供水發(fā)電、防洪排澇、旅游觀光等社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，這些水利工程也在很大程度上改變了下游徑流泥沙的演變規(guī)律[1]。目前，長(zhǎng)江的水沙關(guān)系變化逐漸成為學(xué)術(shù)界密切關(guān)注的熱點(diǎn)和廣泛爭(zhēng)論的問(wèn)題，為揭示其水沙變化規(guī)律，諸多學(xué)者開(kāi)展了大量研究[2- 5]。針對(duì)大洋河的實(shí)際狀況，考慮到徑流泥沙變化易受多種非線性較強(qiáng)的隨機(jī)變量的影響，運(yùn)用傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法無(wú)法難以精準(zhǔn)地揭示其內(nèi)在變化規(guī)律，因此文章以大洋河沙里寨站1956—2019年降水量、輸沙量、徑流量等長(zhǎng)時(shí)間序列資料為依據(jù)，采用M-K檢驗(yàn)、小波分析、T檢驗(yàn)等時(shí)間序列法揭示大洋河徑流泥沙演變規(guī)律，以期為深入探究大洋河水沙變化的驅(qū)動(dòng)因素及其演變規(guī)律提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

大洋河設(shè)立了7處水文站，建成的23處雨量站有8處為汛期站，其中沙里寨、岫巖、文家街水文站的觀測(cè)資料序列較長(zhǎng)，且數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度高。由于水文站可以直接反映大洋河上游的來(lái)水來(lái)沙情況，為準(zhǔn)確揭示大洋河徑流泥沙演變過(guò)程及其驅(qū)動(dòng)因素，選用沙里寨水文站1956—2019年的降水量、輸沙量和徑流量等數(shù)據(jù)資料。其中，大洋河流域水文年鑒和中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供徑流泥沙數(shù)據(jù)、降水量數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源于長(zhǎng)時(shí)間序列氣象站[6- 8]。

1.2 研究方法

(1)M-K檢驗(yàn)。該方法是以某一置信水平α(取0.5)下的臨界變量為基準(zhǔn)對(duì)比某一時(shí)間序列數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化變量UF，UF值的正、負(fù)代表該時(shí)間序列數(shù)據(jù)的上升和下降趨勢(shì)；若UF值大于臨界值，則序列數(shù)據(jù)呈明顯上升或下降趨勢(shì)。

(2)均值差異T檢驗(yàn)。對(duì)于充分統(tǒng)計(jì)的存在顯著差異性的兩個(gè)不同時(shí)段序列的平均值，該方法認(rèn)為突變現(xiàn)象發(fā)生在給定的信度區(qū)間內(nèi)，即突變性檢驗(yàn)的判別依據(jù)為臨界值與某一基準(zhǔn)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)量t的對(duì)比值，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。

(1)

式中，φa，b(t)—輸出的子小波，連續(xù)小波函數(shù)在能量有限信號(hào)f(t)∈L2R給定的情況下可以表示為

(2)

2 徑流泥沙的演變規(guī)律分析

2.1 趨勢(shì)性分析

繪制的沙里寨站1956—2019年輸沙量、徑流量變化過(guò)程線(圖1)，揭示了大洋河近60年水沙變化趨勢(shì)。由圖1可知，2004年之前，沙里寨站的年徑流量、年輸沙量總體呈現(xiàn)出小水小沙、大水大沙的變化規(guī)律；輸沙量在2006年后開(kāi)始大幅下降，除了2009年外，其余年份的輸沙量均低于1×108t。研究期間內(nèi)累積年徑流量變化過(guò)程線未呈現(xiàn)出明顯的偏差，可見(jiàn)多年來(lái)大洋河流域的年徑流量變化趨勢(shì)并不顯著；累積輸沙量在1995年之前總體處于直線狀態(tài)，多年平均值為4.16×108t，而在1995后總體呈波動(dòng)減少的變化趨勢(shì)，1995—2005年期間的年輸沙量減少幅度達(dá)到25.05%，2005年以后的減少幅度達(dá)到92.25%[10- 11]。

圖1 大洋河沙里寨站年輸沙量和年徑流量變化過(guò)程

由于沙里寨站的年際輸沙量和徑流量存在較強(qiáng)的波動(dòng)性，對(duì)其變化規(guī)律進(jìn)行直觀觀察往往存在一定的局限，為更好地揭示其趨勢(shì)性變化特征，利用M-K檢驗(yàn)法定量評(píng)估。結(jié)果顯示，輸沙量和徑流量的UF值分別為-6.15、-1.82，取α=0.5，則標(biāo)準(zhǔn)化變量UF所對(duì)應(yīng)的臨界值UFα=1.96，可以判定|UF|徑流量<|UF|α、|UF|輸沙量>|UF|α。由此可見(jiàn)，大洋河沙里寨站近60年的年輸沙量存在顯著下降趨勢(shì)，而年徑流量的下降趨勢(shì)不明顯。

2.2 突變性分析

將年輸沙量與年徑流量利用有序聚類法作突變分析，由此揭示大洋河沙里寨站的徑流泥沙突變特征，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，1959年、1972年、2004年、2009年徑流量發(fā)生了突變，而2006年輸沙量發(fā)生突變。為進(jìn)一步檢驗(yàn)該分析方法的準(zhǔn)確性和可靠性，以各突變年份為基準(zhǔn)利用均值差異T檢驗(yàn)法評(píng)判其科學(xué)合理性[12]。臨界值tα在顯著性水平α=0.001情況下取2.705，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。從年徑流量的角度看，突變指數(shù)AIj在M=54的情況下輸出為0.207，統(tǒng)計(jì)量2.766大于臨界值tα，因此在該顯著性水平下通過(guò)檢驗(yàn)，可見(jiàn)在第54個(gè)基準(zhǔn)年徑流量的變化較為顯著，即徑流量突變節(jié)點(diǎn)為2009年；從輸沙量的角度看，突變指數(shù)AIj在M=51的情況下輸出為2.891，統(tǒng)計(jì)量11.588大于臨界值tα，所以在該顯著性水平下通過(guò)檢驗(yàn)，可見(jiàn)在第51個(gè)基準(zhǔn)年輸沙量量的變化較為顯著，即輸沙量量突變節(jié)點(diǎn)為2006年。

圖2 沙里寨站有序聚類分析

表1 均值差異T檢驗(yàn)的沙里寨站輸沙量與徑流量

2.3 周期性分析

采用小波分析法繪制的徑流量周期性變化特征如圖3(a)所示，從上至下徑流量的周期變化規(guī)律存在四類尺度，即4～5、7～8、11～13、20～23年，不同尺度的周期變化總體呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng)性。從較大尺度20～23年的角度分析，研究期間徑流量豐枯交替共經(jīng)歷了8次；小波系數(shù)在1960—1967年、1976—1982年、1993—2006年、2007—2015年為負(fù)值，由此表明除這4個(gè)時(shí)期外其余各時(shí)段均為多水期。小徑流量變化的小波方差共有4個(gè)峰值，所對(duì)應(yīng)的變化主周期為5、8、13、23年，變化最為顯著的第一主周期為23年。輸沙量與徑流量周期性變化基本呈相同變化趨勢(shì)，但也存在一定的差異，輸沙量的周期變化規(guī)律存在4～5、11～13、20～24年三類尺度，在時(shí)間尺度上20～24年的輸沙量變化周期較為穩(wěn)定，總體呈現(xiàn)出4次“少—多”交替變化特征。周期波動(dòng)性變化在小尺度上顯著增強(qiáng)，波動(dòng)性隨著尺度的減少而增強(qiáng)。從圖3(b)可知，5、13、24年為輸沙量變化主周期，其中小波方差最大的主周期為24年。該分析結(jié)果與相關(guān)研究資料保持較好的一致性，可見(jiàn)所選取的時(shí)間尺度和數(shù)據(jù)資料長(zhǎng)度可以滿足合理性要求。

圖3 沙里寨站小波方差

2.4 階段性分析

為了能夠直接反映徑流泥沙的階段性變化趨勢(shì)，引入累積距平法分析，其表達(dá)式為

(3)

將沙里寨站徑流時(shí)間序列依據(jù)其年徑流量階段性特征(圖4)劃分為6個(gè)階段：豐水期為1956—1959年、1965—1972年、1983—2005年，枯水期為1960—1964年、1973—1982年、2006—2019年，各個(gè)階段所對(duì)應(yīng)的年均徑流量依次為4.56×1011、4.70×1011、4.37×1011、4.02×1011、4.12×1011、4.00×1011m3，相對(duì)于豐水期，枯水期的徑流量降低了12.10%；同理，將沙里寨站輸沙時(shí)間序列依據(jù)其輸沙量劃分為4個(gè)階段：多沙期為1956—1997年、2002—2006年，少沙期為1998—2001年、2007—2019年，各個(gè)階段所對(duì)應(yīng)的年均輸沙量依次為5.10×108、4.16×108、3.13×108、0.42×108t3，2007年以后輸沙量呈急劇下降趨勢(shì)，相對(duì)于1956—1997年降低了92.%。

圖4 沙里寨站徑流泥沙累計(jì)距平百分?jǐn)?shù)

3 徑流泥沙演變影響因素

3.1 降水對(duì)沙里寨站徑流泥沙演變影響

文章以大洋河近60年輸沙量、徑流量和降水量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，繪制徑流量與降雨量、輸沙量之間的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 沙里寨站徑流量泥沙與降水量變化關(guān)系

由圖5可知，大洋河流域的年降水量與年徑流量變化趨勢(shì)保持較好的一致性，然后對(duì)流域內(nèi)年降雨量利用M-K法檢驗(yàn)分析，其標(biāo)準(zhǔn)化變量UF值為-0.45，在α=0.05的顯著性下有|UF|α>|UF|降水量，說(shuō)明研究期間大洋河流域的年降水量的下降趨勢(shì)并不明顯。人類取水在一定程度上降低了流域內(nèi)年徑流量，隨著各類用途用水的增大以及城市化進(jìn)程的加快，沿河取水量呈不斷上升趨勢(shì)，這對(duì)河流徑流量的減少產(chǎn)生了一定的作用。大洋河輸沙量與年降水量的變化趨勢(shì)存在一定偏差，20世紀(jì)90年代末這種偏差更加明顯，考慮到近幾十年大洋河徑流量與降水量存在較好的相關(guān)性，且降水量下降趨勢(shì)不明顯，認(rèn)為人類活動(dòng)是導(dǎo)致輸沙量大幅下降的主要因素。

3.2 人類活動(dòng)對(duì)沙里寨站徑流泥沙演變影響

1956—2019年，大洋河沙里寨站年輸沙量呈顯著下降趨勢(shì)，在徑流量與降水量未出現(xiàn)顯著變化的條件下，認(rèn)為大洋河上游的人類活動(dòng)是導(dǎo)致輸沙量顯著下降的主要原因。其一，大洋河及其支流開(kāi)發(fā)建設(shè)了一些水電工程，這在很大程度上改變了流域徑流泥沙的時(shí)空分布特征。為進(jìn)一步探究沙里寨站年輸沙量與水庫(kù)蓄水?dāng)r沙工程建設(shè)的關(guān)系，繪制了沙里寨站年輸沙量與上游水庫(kù)建設(shè)總庫(kù)容之間的關(guān)系曲線，如圖6所示。由圖6可以看出，1995年以前大洋河開(kāi)發(fā)建設(shè)的水庫(kù)工程，由于大多數(shù)位于主支流且累積庫(kù)容較少，其影響沙里寨站輸沙量的程度較低，年輸沙量總體在5.10×108t左右。1995年之后，受新建水電站建成蓄水和大洋河流域水土保持工程等影響，輸沙量下降趨勢(shì)逐漸顯現(xiàn)，水庫(kù)蓄水工程攔截了大量泥沙，水電工程的投入使用顯著降低了沙里寨站的年輸沙量。其二，經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展使得建筑用水量急劇增大，相應(yīng)的采砂量也在不斷增大，這在一定程度上進(jìn)一步減少了年輸沙量。此外，大洋河流域從1992年以來(lái)逐漸實(shí)施了一系列的水土保持治理工程，截至目前已完成的各類小流域治理有1000余條，大大減少了坡耕地和荒山荒坡的土壤侵蝕率?？傮w而言，大洋河沙里寨站輸沙量減少與水土保持措施、河道采砂和水庫(kù)攔蓄等因素相關(guān)[13]。

圖6 沙里寨站累積庫(kù)容與輸沙量變化過(guò)程

4 結(jié)論

(1)大洋河沙里寨站徑流泥沙變化趨勢(shì)利用M-K法分析，在顯著性95%的條件下年輸沙量下降趨勢(shì)顯著，而年徑流量變化不明顯；對(duì)大洋河沙里寨站徑流泥沙突變特征利用均值差異T檢驗(yàn)法和有序聚類法分析，徑流量和輸沙量突變時(shí)間點(diǎn)分別為2009、2006年，所對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)量t依次為2.766、11.588。

(2)結(jié)合小波分析結(jié)果，大洋河沙里寨站徑流泥沙序列的變化特征可以劃分為多個(gè)時(shí)間尺度，輸沙量與徑流量的時(shí)間尺度周期為3類、4類，年輸沙量與年徑流量的變化主周期為20～24、20～23年，徑流量的時(shí)間尺度周期與輸沙量的3類時(shí)間尺度周期基本一致。

(3)將沙里寨站徑流時(shí)間序列依據(jù)其年徑流量階段性特劃分為6個(gè)階段，將年輸沙量劃分為4個(gè)階段，相較豐水期，枯水期的徑流量降低了12.10%，2007年后輸沙量呈急劇下降趨勢(shì)。

(4)水庫(kù)蓄水?dāng)r沙是影響沙里寨站輸沙量減少的主要因素，一些大型水利工程的建設(shè)運(yùn)行在很大程度上降低了其輸沙量，另外輸沙量減少還與流域內(nèi)水土保持、人類采砂等因素相關(guān)。