基于水文學方法的南甸水文站近60年水沙演變成因分析

溫笑寒

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

氣候變化和人類活動是區(qū)域徑流量和輸沙量變化的主要成因，也是當前河流水沙變化研究的熱點[1]。太子河是遼河的重要支流，河流水沙變化對于流域水資源利用開發(fā)和生態(tài)環(huán)境保護十分重要，也是影響區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的重要因素[2]。近些年來，對于太子河流域水沙變化特征分析的成果較多[3- 9]，但對于其變化成因尤其是定量分析的成果還較少，當前水文學方法在國內(nèi)許多區(qū)域水沙變化成因定量分析中取得較為成熟的應用[10]，但是在太子河流域還未得到具體應用，為此本文以太子河流域的南甸水文站為例，結合該站點近60年徑流量和輸沙量，采用水文學方法對其水沙演變成因進行定量分解，研究成果對于太子河流域水沙變化的成因具有重要的參考意義。

1 水沙演變成因分析方法

水文學方法首先需要確定基準期，一般認為基準期為天然條件下的水沙變化，首先建立基準期的降雨量和輸沙量以及與徑流量之間的回歸方程，以降雨量—徑流量回歸方程舉例說明：

Rref=aPref+b

(1)

式中，Rref—天然條件下的徑流深，mm;Pref—天然條件下的降雨量，mm;a、b—線性回歸方程的系數(shù)。人類活動影響下的徑流深采用人類活動影響其下的降水量代入到方程(1)中進行計算，其徑流深估算方程為：

Rfit=aPfit+b

(2)

式中，Rfit—人類活動影響下的徑流深，mm;Pfit—人類活動影響下下的降雨量，mm。則人類活動影響徑流深變化定量計算方程為：

ΔRfit=Ro-Rfit

(3)

式中，ΔRfit、Ro—人類活動影響下徑流深變化量估算值以及實測徑流深，mm?；鶞势趶搅魃顚崪y值和天然條件下徑流深估算值之間的差值即為徑流深受氣候變化影響值，其計算方程為：

ΔR=Rfit-RN

(4)

式中，ΔR—徑流深受氣候變化影響值，mm；RN—徑流深在基準期的實測值，mm。

2 南甸站水沙演變特征分析

2.1 南甸水文站點概況

南甸水文站位于本溪縣南甸鎮(zhèn)小峪村，始建于1958年1月，集水面積765km2，為國家基本水文站。南甸水文站多年降水量均值在800mm左右，降水主要集中在汛期的6—9月份，占全年降水總量的比值在75%左右，多年徑流量均值分別為2.65億m3，多年輸沙量均值為1.74萬t。為對南甸水文站水沙演變特征進行系統(tǒng)分析，本文結合南甸站1959—2019年年徑流量和年輸沙量統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析，所有的資料均來源于《遼寧省水文年鑒》，并對各數(shù)據(jù)資料進行可靠性、一致性、代表性的檢驗，所用數(shù)據(jù)均通過了水文資料的三性檢驗，可以用來對南甸水文站水沙演變特征進行分析。

2.2 年水沙演變特征分析

結合南甸水文站1959—2016年年徑流量和年輸沙量數(shù)據(jù)，對其年水沙變化特征進行分析，如圖1所示。

圖1 南甸水文站年水沙變化

從圖1中可看出，太子河南甸水文站年徑流量和年輸沙量呈現(xiàn)明顯遞減變化，采用M-K非線性變化檢驗方法對南甸水文站年徑流量和年輸沙量變化趨勢進行檢驗，其檢驗統(tǒng)計值分別為-3.759和-5.745，檢驗統(tǒng)計值絕對值大于2.32，均達到99%的顯著性檢驗水平。

2.3 年代際水沙演變特征分析

在南甸水文站年水沙演變特征分析基礎上，對其不同年代際水沙及降雨量演變特征進行分析，結果見表1。

表1 南甸水文站年代際水沙及降雨量演變特征分析

從南甸水文站不同年代際水沙演變特征可看出，年代際輸沙量和徑流量變化具有同步性，即徑流量相對較低的年代其輸沙量也相對較低，80年代以及2000年代相比于70年代以前，年代際徑流量變化率均超高60%，而年代際輸沙量超過80%，從兩個年代際降雨量可看出，這兩個年代際降雨量相比于70年代也呈現(xiàn)遞減變化，但遞減幅度遠超過降水量的遞減幅度，這主要因為人類活動對南甸水文站的影響，南甸水文站以上集水區(qū)域內(nèi)的中小型水庫的蓄水影響，加之河道取水的綜合影響，使得其年代際徑流量下降明顯，隨著太子河流域90年代開始的退耕還林還草措施的影響，其輸沙量下降率明顯增加。

2.4 降雨-徑流量和降雨-輸沙量回歸方程的確定

為對南甸站水沙變化原因進行定量評估，按照水沙演變的分析方法，需要結合各年代際南甸水文站年降水量及年徑流量數(shù)據(jù)，對其不同年代際的降雨-徑流量以及降雨-輸沙量的回歸方程進行確定，結果見表2、如圖2所示。

從南甸各年代際降雨-徑流量以及降雨-輸沙量回歸方程的決定系數(shù)可看出，各年代際降雨-徑流量的決定系數(shù)均高于0.5，具有較好的線性回歸性，這主要是因為南甸水文站位于遼東地區(qū)，遼東地區(qū)屬于典型的蓄滿產(chǎn)流機制，使得其降雨-徑流量相關度較好，從其檢驗水平可看出，除去2000年代外，其他年代際顯著水平P均小于0.005，通過90%的顯著檢驗水平。除70年代外，其他年代際降雨-輸沙量回歸方程的決定系數(shù)均低于降雨-徑流量的決定系數(shù)，這主要是因為降雨-輸沙量之間的總體相關度不高，遼東地區(qū)產(chǎn)沙機制較為復雜，降雨是其土壤侵蝕主因外，坡面徑流也對其土壤侵蝕產(chǎn)沙一定程度的影響，因而降低了其回歸方程的決定系數(shù)，但其各年代際降雨-輸沙量決定系數(shù)總體高于0.3，基本滿足回歸方程決定系數(shù)高于0.3以上的要求，其回歸方程的顯著水平均低于90%。

圖2 南甸子水文站各年代際降雨-徑流量及降雨-輸沙量相關圖

表2 南甸水文站不同年代際降雨-徑流量及降雨-輸沙量回歸方程

3 南甸水沙演變成因定量分解

采用水文學方法，在各年代際水沙演變及降雨-徑流量、降雨-輸沙量回歸方程建立的基礎上對其不同年代際水沙演變的成因進行定量分解，分解結果見表3—4所示。

從南甸子水文站徑流量影響定量分解結果可看出人，各年代際人類活動對徑流影響比例均超過降雨影響比例，從80年代開始，人類活動影響比例總體呈現(xiàn)遞增變化，到2000年代人類活動影響比例相比于90年代有所下降，這主要是因為相比于90年代，2000年代的降雨量相對較大，使得該年代際降雨影響比例增加。80年代開始隨著區(qū)域內(nèi)中小型水庫的投入運行后，南甸水文站的年徑流量呈現(xiàn)逐年下降變化，加之區(qū)間來水量較少，使得80年代開始人類活動對其影響比例逐年代際增加。從南甸水文站年代際輸沙量影響比例定量分解結果可看出，和徑流量影響較為一致，從80年代開始，人類活動對南甸子水文站輸沙量影響比例明顯高于降水影響比例，人類活動對南甸水文站輸沙量影響比例均超過60%，一部分原因是南甸水文站徑流量的減少，一部分原因是從90年代開始太子河河流域退耕還林還草水土保持治理措施的加大，使得區(qū)域水土流失量減少，使得南甸水文站的輸沙量也明顯減少。

表3 南甸水文站徑流量影響定量分解

表4 南甸水文站輸沙量影響定量分解

4 結論

(1)南甸水文站年代際輸沙量和徑流量變化具有同步性，即徑流量相對較低的年代其輸沙量也相對較低，80年代以及2000年代相比于70年代以前，年代際徑流量變化率均超高60%，而年代際輸沙量超過80%；

(2)南甸水文站以上集水區(qū)域屬于典型的蓄滿產(chǎn)流機制，使得其降雨-徑流量相關度較好，而區(qū)域產(chǎn)沙機制較為復雜，降雨是其土壤侵蝕主因外，坡面徑流也對其土壤侵蝕產(chǎn)沙一定程度的影響，使得降雨-輸沙量相關度相對較低。

(3)人類活動對南甸水文站輸沙量影響比例均超過60%，一部分原因是南甸水文站徑流量的減少，一部分原因是從90年代開始太子河流域退耕還林還草水土保持治理措施的加大，使得區(qū)域水土流失量減少。