大凌河流域輸沙量變化特征分析

金守哲

(朝陽市朝陽縣六家子鎮(zhèn)水利服務(wù)站，遼寧 朝陽 122621)

遼河三角洲的物質(zhì)基礎(chǔ)是河流入海水沙，河流影響邊緣海、海岸及河口主要通過向海洋輸送陸源物質(zhì)來實(shí)現(xiàn)，其中全球95%的陸-海沉積物通量來源于河流的輸送[1-3]。近年來，全球各主要河流輸沙率受人類活動(dòng)影響發(fā)生了極大改變，如Milliman J D[4]研究認(rèn)為歐洲諸多河流入海泥沙通量在過去五十年來出現(xiàn)了明顯減少；Meade R H等[5]認(rèn)為幾十年來Mississippi河的輸沙量減少了75%；Loisel H等[6]研究了湄公河懸浮泥沙濃度(SSC)的變化特征，結(jié)果顯示該河流SSC年下降幅度達(dá)到5%。我國河流的水沙變化與國外河流相似，近幾十年發(fā)生了顯著變異，如彭濤等[7]以長江干流為例，通過分析水沙數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，近六十年來流域年際輸沙量變化較為劇烈，年際徑流量變化相對平穩(wěn)，大部分站點(diǎn)的水沙都產(chǎn)生有突變；張金萍等[8]通過研究1919—2015年共計(jì)97 a黃河三門峽水庫入庫潼關(guān)水文站的輸沙量和徑流數(shù)據(jù)，表明兩者均表現(xiàn)出明顯的下降趨勢，且這種變化趨勢在未來一段時(shí)間內(nèi)將持續(xù)；府仁壽等[9]提出長江流域輸沙量受人類活動(dòng)、氣候變化的共同影響，近幾十年出現(xiàn)大幅減少，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。大凌河為遼西乃至整個(gè)東北地區(qū)的重要河流，由于獨(dú)特的地理位置其河口處的遼河三角洲，對促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮著不可替代的作用。近年來，人類活動(dòng)對三角洲地區(qū)以及大凌河流域的影響日趨顯著，有學(xué)者做了大量研究，但研究輸沙量歷史變化的還鮮有報(bào)道。因此，本文結(jié)合大凌河流域水文站1955—2018年長序列輸沙量資料，深入研究了年內(nèi)與年際輸沙量變化特征，并進(jìn)一步探討了輸沙量受人類活動(dòng)的影響，以期為流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水土資源高效利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 基本情況

大凌河流域位于遼寧省西部，上游分南、北兩支，兩支于喀左縣大城子匯合后流經(jīng)朝陽、北票、義縣、凌海等地后注入渤海，大凌河?xùn)|與柳河、饒陽河相鄰，南有小凌河和六股河，西接青龍河，北與教來河、老哈河相鄰。流域呈西東向，地處東經(jīng)118°53′～121°52′、北緯40°28′～42°38′，全長453 km，流域面積為23 235 km2。其中，山地丘陵區(qū)20 992 km2，占全流域的89%；自凌海市石窗子以下進(jìn)入平原區(qū)，平原面積僅占全流域的11%。

1.2 河段劃分

大凌河左側(cè)河網(wǎng)水系密布，有老虎山河、第二牤牛河、涼水河子河、細(xì)河等支流，結(jié)合各河段特點(diǎn)可以將大凌河劃分成河源段、上中下游段。其中，河源段是指宮山咀水庫以上段，河長45.0 km，主要有賀杖子河、新開嶺河和魏家?guī)X河等支流；上游段是指宮山咀壩下至閻王鼻子水庫段，河長156.8 km，主要有第二牤牛河、老虎山河、滲津河、大凌河西支等支流匯入；中游段是閻王鼻子壩下至細(xì)河入?yún)R口段，河長150.8 km，主要有牤牛河、涼水河、顧洞河、細(xì)河、十家子河等支流匯入；下游段是指細(xì)河入?yún)R口至入渤海口段，河長94.3 km，主要有大業(yè)河、大定河等支流匯入，大凌河水系、測站分布。

2 輸沙量變化特征

2.1 數(shù)據(jù)來源

流域內(nèi)共有泥沙觀測站12處，大多數(shù)測站的泥沙顆粒級配數(shù)據(jù)始測于1960年，輸沙量、含沙量數(shù)據(jù)始測于1955年，各測站泥沙實(shí)測數(shù)據(jù)系列如表1。

表1 各測站實(shí)測數(shù)據(jù)系列

2.2 泥沙變化特征

2.2.1 輸沙量地域分布

大凌河屬遼西多沙河流，大凌河站統(tǒng)計(jì)資料顯示多年平均含沙量為14.17 kg/m3，輸沙量為1745.5萬t，侵蝕模數(shù)為982.23 t/km2·a。

泥沙主要來源于大凌河中游，朝陽以下至大凌河站河段(72.35 km)的多年平均淤積達(dá)到90.8萬t，牤牛河(52.6%)和涼水河子河(3.6%)來沙占56.2%，干流上游來沙占49.7%，相對大凌河站輸沙量支流來沙超過5.2%；大凌河站至凌海河段(96.65 km)的支流細(xì)河來沙11%(198.15萬t)加上干流上游來沙超出凌海輸沙量13%(235.73萬t)，兩者之和進(jìn)比出多24.0%共433.88萬t泥沙淤積。

輸沙量沿大凌河站以下遞減，河道內(nèi)泥沙落淤嚴(yán)重，通過凌海斷面大凌河每年向河口區(qū)輸送泥沙接近1505.43萬t，從而導(dǎo)致大凌河口逐漸向淺海伸展，演變?nèi)遮厔×摇?/p>

2.2.2 年際與年內(nèi)輸沙量變化

大凌河年際輸沙量變化明顯，各站最大、最小輸沙量之比處于60～4600倍之間，如表2。由表2可知，大凌河來沙多集中于大水大沙年份，如1962年實(shí)測輸沙量最大值10 695.71萬t為1992年最小值8.66萬t的1235.97倍；是多年均值1745.50萬t的近6.1倍；是1955—1992年共38 a 總沙量81 450.40萬t的13.13%。此外，年際輸沙量變幅呈現(xiàn)出下游比上游小、干流比支流小的特征，干流各站輸沙量最大值出現(xiàn)時(shí)間存在一定差異，即呈現(xiàn)出局部暴雨產(chǎn)沙的特點(diǎn)，不同的覆蓋面積、暴雨中心會(huì)改變年際和年內(nèi)輸沙量。

表2 各站輸沙量特征值表

汛期流域內(nèi)降雨集中，并且多以暴雨的形式出現(xiàn)，所以年內(nèi)分布上輸沙量極不均衡，大多數(shù)集中于汛期幾場次洪水之中。統(tǒng)計(jì)資料顯示，一般6—9月(汛期)沙量站全年的95.8%～98.2%，其中七、八月份沙量就占全年的71%～85%，一次洪水所帶來的沙量占比較高。如1962年汛期大凌河站沙量為1690.79萬t，占全年總量的96.87%，其中7—8月份沙量(1438.16萬t)占全年總量的82.39%，7月的一次洪水沙量(7812.2萬t)占全年的73%；非汛期12月、1月、2月河道封凍，來沙幾近為零，3月下旬化冰之際有凌汛沙峰發(fā)生。

2.2.3 懸移質(zhì)泥沙顆粒組成

懸移質(zhì)泥沙顆粒組成單一，并且以粉砂為主，中值粒徑d50處于0.0157～0.0219 mm，平均粒徑dpj處于0.0242～0.0318 mm，只有涼水河子因摻雜細(xì)煤粉，顆粒偏細(xì)，d50=0.0127 mm。

泥沙顆粒沿上窩堡至大凌河站不斷變細(xì)，老虎山河、牤牛河等支流河道偏沖，來沙較粗，下游來沙較細(xì)，細(xì)河d50=0.0161 mm，凌海d50=0.0157 mm，下游總體呈現(xiàn)出平原沖積河流的淤積特性。汛期暴雨侵蝕流域面上攜帶而來的泥沙顆粒較細(xì)，而上游河道沖刷而成的非汛期泥沙顆粒較粗。

2.3 輸沙量變化原因分析

2.3.1 年際輸沙量變化原因

實(shí)際上，有許多因素均可在一定程度上影響河流年際輸沙量[10]，而人類活動(dòng)對大凌河年際輸沙量變化的影響最大，深入分析發(fā)現(xiàn)大凌河徑流量并未出現(xiàn)明顯的改變，由此可認(rèn)為河流含沙量的改變是導(dǎo)致輸沙量變化的主要原因。

人類活動(dòng)影響流域輸沙量的根本途徑是改變河流的含沙量，結(jié)合大凌河流域輸沙量實(shí)測資料，人類活動(dòng)改變河流含沙量的方式有兩種：其一，植被覆蓋率的改變，流域植被覆蓋率對土壤侵蝕造成影響，從而影響河流含沙量，而流域的治理情況、管理現(xiàn)狀以及國家或地區(qū)的環(huán)境政策與植被覆蓋率有關(guān)；其二，修建水庫、大壩，在完成蓄水的同時(shí)，水庫、大壩也使大量的泥沙聚集于水庫內(nèi)或大壩前，從而使得下游含沙量發(fā)生改變。

隨著庫容量、新建水庫及大壩數(shù)量的增大，這些大工程逐漸成為改變流域含沙量的重要因素。大凌河干流上共有控制性水庫三座，自上往下依次為宮山咀水庫、閻王鼻子水庫和白石水庫，這些水庫的修建能夠明顯地減少流域含沙量。

2.3.2 年內(nèi)輸沙量變化原因

實(shí)踐表明[11-15]年內(nèi)的河流含沙量變化和徑流分配為大凌河流域年內(nèi)輸沙量變化的兩個(gè)主要因素。通過對比分析1955—2018年各水文站的年內(nèi)徑流集中期和集中度發(fā)現(xiàn)，各水文站徑流集中度與輸沙量集中度具有相似的變化特征，但徑流集中度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輸沙量集中度。此外，年內(nèi)徑流變化與輸沙量變化有關(guān)，而年內(nèi)徑流變化又與流域水庫、大壩的修建有關(guān)。

3 結(jié) 語

(1) 從地域分布上，泥沙主要來源于大凌河中游，輸沙量沿大凌河站以下遞減，河道內(nèi)泥沙落淤嚴(yán)重，通過凌海斷面大凌河每年向河口區(qū)輸送泥沙接近1505.43萬t，從而導(dǎo)致大凌河口逐漸向淺海伸展，演變?nèi)遮厔×摇?/p>

(2) 從年際分布上，大凌河年際輸沙量變化明顯，各站最大、最小輸沙量之比處于60～4600倍，年際輸沙量變幅呈現(xiàn)出下游比上游小、干流比支流小的特征；從年內(nèi)分布上，因汛期暴雨集中年內(nèi)沙量分配不均，大多集中于汛期場次洪水之中。

(3) 從泥沙顆粒組成上，懸移質(zhì)泥沙顆粒組成單一，并且以粉砂為主，中值粒徑d50處于0.0157～0.0219 mm變化區(qū)間，只有涼水河子因摻雜細(xì)煤粉，顆粒偏細(xì)。

(4) 人類活動(dòng)改變河流含沙量的方式有植被覆蓋率的改變、修建水庫和大壩兩種。其中，流域植被覆蓋率對土壤侵蝕造成影響，從而影響河流含沙量，而流域的治理情況、管理現(xiàn)狀以及國家或地區(qū)的環(huán)境政策與植被覆蓋率有關(guān)；水庫、大壩在完成蓄水的同時(shí)也使大量的泥沙聚集于水庫內(nèi)或大壩前，從而使得下游含沙量發(fā)生改變。