柳河上游水沙特性及河道斷面變化特征分析

鞏士群

(遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新 123000)

柳河是遼河的重要支流之一，柳河流域多年泥沙淤積、洪水頻發(fā)，生態(tài)平衡遭到嚴(yán)重破壞。對柳河流域進(jìn)行水沙特性分析和研究有助于維護(hù)河流生態(tài)穩(wěn)定，保護(hù)河流水資源。已有不少學(xué)者對柳河的徑流和水沙變化等進(jìn)行了研究并得出了重要結(jié)論[1]。安秉鋒[2]通過分析遼河支流水沙特性關(guān)系后指出柳河是遼河一級支流中貢獻(xiàn)輸沙量最多的一條。已有研究表明，河流水沙特性變化多與該流域氣候條件、人類活動(dòng)和植被狀況密切相關(guān)[3]。孫穎[4]運(yùn)用RVA法和分離氣候變化法分析了柳河彰武縣段泥沙和水文變化情況，認(rèn)為流域泥沙與水文變化具有相似特征,其原因?yàn)榱饔蛩匙兓诤艽蟪潭壬先Q于水土保持工程建設(shè)強(qiáng)度。張志玲等[5]對柳河流域徑流、泥沙要素從20世紀(jì)中葉到21世紀(jì)初的年內(nèi)分配及年際變化進(jìn)行時(shí)變過程分析,并研究徑流量與泥沙輸沙量的相關(guān)關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度,結(jié)果表明,柳河流域徑流量年內(nèi)及年際分配都很不均勻,且有隨時(shí)間發(fā)展更不均勻的現(xiàn)象。張鐵楠[6]通過對柳河流域六個(gè)水文站多年徑流泥沙觀測資料分析后發(fā)現(xiàn)柳河流域生態(tài)建設(shè)很大程度上減少了河流輸沙量以及河道徑流泥沙量，使得該流域生態(tài)環(huán)境得到改善,水土流失減少。王曉鵬[7]認(rèn)為柳河彰武縣段泥沙與水文變化有相同特征，并指出水土保持工程強(qiáng)度決定著柳河輸沙量變化。通過研究文獻(xiàn)與實(shí)地調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，柳河上游多年水土流失嚴(yán)重的主要原因還是流域森林覆蓋率極低，荒山禿嶺，耕地有機(jī)質(zhì)含量不足，固沙能力差等。為更細(xì)致分析柳河流域水沙特性與河道斷面變化情況，此次選擇柳河中上游為研究區(qū)，其中，徑流數(shù)據(jù)源自遼寧省河庫管理服務(wù)中心統(tǒng)計(jì)資料和遼寧省水資源公報(bào)，含、輸沙量圖和套繪斷面圖均根據(jù)彰武水文站歷年所測數(shù)據(jù)繪制。上述數(shù)據(jù)、圖表真實(shí)可靠，有較好的代表性和可研性。

1 研究區(qū)域

本次將彰武水文站以上作為研究主要區(qū)域，測驗(yàn)河段包括彰武縣水文站在內(nèi)的柳河中上游河段，河段總長度2km，測驗(yàn)河段順直，河道兩岸為已修建的道堤防，河道斷面呈矩形狀。彰武站以北流域?qū)儆谄皆瓍^(qū)，區(qū)域含水層厚，一般厚度在100m左右，最厚達(dá)到了200m，含水層包含細(xì)砂各類粉細(xì)砂層水土流失比較嚴(yán)重。彰武水文站體量大、集水面積廣，總集水面積達(dá)到85km2，是柳河流域最早設(shè)立的水文站之一，自1934年6月設(shè)站以來就擔(dān)任起柳河流域水量標(biāo)志站和控制站的重任，是該流域水量調(diào)度和防汛抗旱的重要設(shè)施。彰武站區(qū)間情況見圖1。

圖1 彰武站區(qū)位圖

2 研究方法

2.1 一元線性回歸預(yù)測法

線性回歸預(yù)測法是利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法建立坐標(biāo)軸的相對關(guān)系來預(yù)測一種客觀現(xiàn)象的趨勢，現(xiàn)引入Yt為因變量，Xt為自變量，建立t期自變量Xt和因變量Yt之間的關(guān)系:

Yt=a+bxt

(1)

式中：xt為自變量關(guān)于t的函數(shù)(本文則表示為年份)；Yt為以t為函數(shù)的自變量X的函數(shù)值(文中表示徑流量、輸沙量和含沙量)；a、b分別為一元線性回歸方程的參數(shù)，在本文中表示各量(徑流量、輸沙量、含沙量)的起始值和斜率，在這里斜率可以表示因變量的變化程度，若b≥0，則表示因變量和自變量年份之間呈正相關(guān)，否則為負(fù)相關(guān)，根據(jù)參數(shù)的正負(fù)變化可總結(jié)出某現(xiàn)象長期以來存在的規(guī)律。

2.2 滑動(dòng)平均法

滑動(dòng)平均法是通過增減新舊數(shù)據(jù)的方法來計(jì)算移動(dòng)平均值，通過這種方法可以有效消除偶然因素，從而更清楚了解事物發(fā)展的規(guī)律，根據(jù)這種規(guī)律還能延伸出該現(xiàn)象后續(xù)的走向和趨勢[8]。根據(jù)原理，對已有數(shù)據(jù)進(jìn)整理。假設(shè)收集的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為2K，對這些數(shù)值求取平均值，后再對Yt(新序列)求解，在平均值影響下，他們的隨機(jī)變化情況較平均前有所降低，此時(shí)讓X呈現(xiàn)出一定變化，增強(qiáng)其光滑性。新序列Yt用下式表示：

(2)

現(xiàn)令K等于5，則Y6、Y7可以表示為

Y9+Y10+Y11)

Y10+Y11+Y12)

3 結(jié)果分析

3.1 1980—2018年測站上游水沙特性分析

彰武站位于柳河中游，河水暴漲暴落，基本遵循漲沖落淤的規(guī)律，河床經(jīng)過多年河水輸沙后上淤嚴(yán)重。觀察水位流量關(guān)系曲線發(fā)現(xiàn)，柳河水流不固定，漲沖落淤，基本上為一次洪水一條線，重合的機(jī)會(huì)幾乎沒有[9-10]。1980—2018年測站徑流量變化見圖2，由于徑流量曲線圖起伏較大，采用滑動(dòng)平均法適當(dāng)消除過大的起伏，可以得出歷年柳河徑流量的一般規(guī)律。由圖2可知，多年以來柳河中上游流域徑流量波動(dòng)較大，2009年徑流量降低到接近閾值，1980—2009年曲線變動(dòng)較為平緩，但平均徑流量在4000萬m3上下波動(dòng)，說明這30年間柳河流域水量變化并不顯著。彰武站徑流量線性回歸趨勢方程為Y=63.277X+3043.8，可以看到趨勢線方程斜率為正值，由此可以推斷出近年來以彰武站為中心的柳河中上游年平均徑流量呈顯著上升趨勢。據(jù)水文站資料統(tǒng)計(jì)，彰武站多年徑流量平均值為4952.78萬m3，多年徑流最大值達(dá)16000萬m3，最小值接近0，出現(xiàn)年份分別為2017年和2009年。顯然2017年徑流量高居16000萬m3不具備參考意義，通過圖像分析計(jì)算出趨勢線擬合程度指標(biāo)值R2=0.517,擬合程度超過0.5，表明趨勢線具備良好參考性，上述預(yù)測合理。

圖2 彰武站1980—2018年徑流量

柳河的河流含沙量一直受各界關(guān)注，該河流含沙程度與黃河屬同一級別，有東北地區(qū)第二黃河之稱。柳河河水含沙量大，河道泥沙淤積嚴(yán)重，有調(diào)查稱20世紀(jì)中葉到21世紀(jì)初多年平均年排入遼河的沙量達(dá)780.8萬t。根據(jù)1980—2018年彰武站含沙量和輸沙量繪制的曲線見圖3、圖4。對比輸沙量趨勢圖和含沙量趨勢圖可知，1980—2018年柳河上游沙量呈顯著減少趨勢，其中輸沙量趨勢方程為：Y=-30.208X+1113.2，輸沙量以每年超過30萬t的速度遞減。輸沙量圖以1996年為界，1996年以前，波動(dòng)較大，1996年以后波動(dòng)趨于平穩(wěn)。含沙量曲線圖變化趨勢與輸沙量趨勢相似，趨勢方程為Y=-0.548X+21.735，總體表現(xiàn)為下降趨勢，降幅大于輸沙量，可以推測出2020年以后該河流含沙量將穩(wěn)定在0～5kg/m3。

圖3 彰武站歷年年含沙量變化過程圖

圖4 彰武站歷年年輸沙量變化過程圖

分析圖2所示1980—2018年年際徑流量曲線圖可知，2000年以后徑流量曲線圖趨勢與2000年以前恰好相反，由此選擇2000年以來徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)合徑流量分布將2000年以來年份分別按照豐水代表年、平水代表年和枯水代表年作區(qū)分，區(qū)分結(jié)果見表1。通過對上述典型年分析得出2000m3/s流量控制天數(shù)在三類典型年中都占比較大，豐水年占比高達(dá)全年的78.9%，即使枯水年也達(dá)到全年的54.8%。由此將2000m3/s流量作為中水標(biāo)準(zhǔn)值。同樣地，含沙量控制天數(shù)占比最大的是2.0kg/m3，占比達(dá)到全年的75%，具備良好參考性。

表1 流量與含沙量天數(shù)統(tǒng)計(jì) 單位：天

依據(jù)上述分析可知雖然柳河上游流域徑流量呈逐年增加，但是輸沙量和含沙量卻表現(xiàn)出顯著的年度降低趨勢，說明柳河多年來含沙量的降低主要是水保措施的影響，流域降雨是次要因素。趨勢線與流量、2000年以來柳河上游含沙量天數(shù)統(tǒng)計(jì)分析表則進(jìn)一步印證了柳河流域泥沙控制和水土保持措施的有益成效，柳河上游日均徑流量將持續(xù)穩(wěn)定在2000m3/s的水平，而小于2.0kg/m3含沙量的天數(shù)會(huì)持續(xù)增多。

3.2 河道斷面變化分析

彰武水文站不同年份實(shí)測大斷面套繪見圖5。2000—2015年汛前河道處于微淤狀態(tài)。雖然2005年、2013年、2017年三年發(fā)生較大洪水但是洪水沖刷過后河道快速淤積基本處于逐漸淤積狀態(tài)。自2000年汛前開始到2019年，河道處于淤積狀態(tài)，累計(jì)斷面平均淤積0.80m。柳河大堤渠化后，河道斷面左岸基本固定，沖淤變化不大，主河道沖淤基本處于平衡狀態(tài)；2017年汛期，柳河上游發(fā)生了467m3/s的較大洪水，經(jīng)過洪水沖刷，最大沖刷深度0.40m，經(jīng)過洪水后斷面淤積基本沒有明顯變化。綜上所述，柳河彰武段大水年份沖刷，小水年份淤積，長期看基本處于動(dòng)態(tài)平衡逐漸淤積狀態(tài)。彰武水文站河道斷面雖然多年經(jīng)歷沖刷和淤積，但是總體來說斷面形狀基本保持不變，河道寬度并未發(fā)生顯著性改變，平面橫向?qū)挾葲]有擺動(dòng)現(xiàn)象。

從大斷面套繪圖可以看出，2012年汛期前后到2018年汛期前后洪水過程基本都小于1000m3/s，近些年彰武站所測河段均沒有任何采砂活動(dòng)和大型工程建和大型工程建設(shè)活動(dòng)，通過套繪發(fā)現(xiàn)該斷面基本保持穩(wěn)定，河道雖有沖淤變化，但基本保持平衡。2015年汛后柳河大堤兩岸修建防洪墻，柳河大橋進(jìn)行為期3年的翻修，兩岸堤防出現(xiàn)明顯變化，河底淺灘處由于修建施工便道平均提高0.70m，主河道250～310m出現(xiàn)便道經(jīng)常沖毀現(xiàn)象，河底高程變化不定，最大變幅1.72m。彰武站2015—2019年汛后大斷面套繪圖見圖6。

圖5 彰武水文站不同年份大斷面套繪圖

圖6 彰武站2015—2019年汛后大斷面套繪圖

4 結(jié) 語

本文結(jié)合彰武站不同年份斷面套繪圖和1980—2018年測站關(guān)于柳河上游含沙量和輸沙量的數(shù)據(jù)對柳河上游水沙特性作了分析和預(yù)測，分析結(jié)果如下：

a.柳河自水土保持和河流治理措施實(shí)施以來，上游流域河流含沙量顯著降低。工作開展后，柳河輸入遼河的沙量從1988年之前的均值780.8萬t降至327.6萬t。

b.以1996年為界，柳河上游流域輸沙量、含沙量波動(dòng)逐漸趨于平滑，輸沙量和含沙量變化曲線與徑流量曲線走向相反。自2000年以來，柳河上游流域雖然徑流增加，但河流含沙量和輸沙量卻平滑降低。

c.柳河彰武段大水年份沖刷，小水年份淤積，長期看基本處于動(dòng)態(tài)平衡逐漸淤積狀態(tài)。彰武水文站河道斷面雖然多年經(jīng)歷沖刷和淤積，但是總體來說斷面形狀基本保持不變，河道寬度并未發(fā)生顯著性改變，平面橫向?qū)挾葲]有擺動(dòng)現(xiàn)象。

最新測量數(shù)據(jù)顯示，2019年至2020年底，自柳河排入遼河的沙量依然處在較低值，最新數(shù)據(jù)結(jié)果與前文所述相一致，分析結(jié)果證實(shí)了“十三五”以來柳河上游水土保持工作的顯著效果，現(xiàn)正值“十四五”開局時(shí)期，各級水利(水保)部門應(yīng)當(dāng)扎實(shí)鞏固治理經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)加大柳河上游生態(tài)保護(hù)紅線內(nèi)水土流失治理力度，依法有效強(qiáng)化人為水土流失監(jiān)管，科學(xué)推進(jìn)水土流失綜合治理，提升水土保持監(jiān)測評價(jià)水平。