辽河水沙态势变异特征及其主要影响因素

赵文龙，刘贝贝

(华北水利水电大学，河南 郑州 450011)

辽河水沙态势变异特征及其主要影响因素

赵文龙，刘贝贝

(华北水利水电大学，河南 郑州 450011)

流域人类活动对辽河水沙态势变异产生了重要的影响。为了深入探究辽河流域水沙态势的变异特征及其主要影响因素，本文利用了累积曲线法、M-K秩次相关检验分析法就辽河主要干支流1955—2012年水沙态势变化特征进行分析研究。结果表明：水库拦沙、水土保持、河道冲淤与采砂等是引起辽河流域水沙态势变化的主要因素，其中水库拦沙的影响作用最为明显。

辽河；水沙；变化；因素;水库拦沙

辽河发源于河北省承德市地区老图山脉的光头山，流经河北、内蒙古、吉林和辽宁4省(区)，全长1345 km，流域面积为22.1万km2[1],辽河水系分布如图1。辽河干流以东各支流地区，植被覆盖相对较好，是少沙多水地区。辽河干流西侧各支流地区，由于气候干燥，植被覆盖率较差，地表多为黄土和沙土，水土流失较为严重，泥沙含量高。柳河是本流域含沙量最大的河流，由于上游是低山黄土丘陵及漫岗，沟壑密度大，全年多风，蒸发量大，植被很差，每遇暴雨，大量泥沙下泄；西辽河

图1 辽河水系图

上游另一条支流老哈河亦属于多沙河流，两岸多为黄土覆盖丘陵山地，植被差，冲沟发育，地貌破碎，水土流失严重[2]。随着气候降水条件的变化和人类活动的加剧，辽河流域产流产沙条件发生了变化，致使辽河的来水来沙条件发生了巨大变化。河流水沙变化既关系到辽河本身的发展，又反应了辽河流域的环境特性、水土流失程度及人类活动对流域内水沙的影响。在水资源保护和利用、防洪减灾、水土保持及生态环境建设等工作中，河流水沙变化问题是必须考虑的主要因素。因此，全面了解辽河径流量和输沙量的变化情况具有十分重要的价值。

1 计算方法原理

以中国河流泥沙公报发布的辽河主要控制站的水沙资料[2]为基础，选取辽河上游老哈河兴隆坡水文站、支流柳河新民水文站、辽河干流铁岭水文站和六间房水文站作为代表站，利用M-K秩次相关检验分析法[3-4]和水文累积曲线法，就辽河水沙变化态势及其影响因素进行分析研究。

1.1 M-K秩次相关检验分析法

Xt(t=1,2,…n)为一时间序列，先确定其序列的对偶数(Xi

(1)

(2)

(3)

式中：n为时间序列所含样本个数，Var(τ)为统计量的方差。

趋势判断：如果U>0时，表明有上升的趋势；如果U<0,表明有下降的趋势。当|U|>U0.05/2=1.96时，表示序列趋势变化显著。

突变点判断：UFi为标准正态分布，它是按时间正序列X顺序x1,x2,…,xn正序计算出的统计量序列；按时间序列X逆序xn，xn-1，…,x1，再重复上述过程，同时使UBk=UFk，k=n,n-1,…,1,UB1=0[5]。当UBk=UFk且|UBk|、|UFk|<1.96时,交点对应时刻即为突变点。

1.2 累积曲线法

本文采用的累积曲线法包括水文累积曲线法和双累积曲线法。

水文累积曲线法原理：在直角坐标系中绘制一个时间段内某一变量的连续累积值。通过累积曲线增长趋势定性分析辽河水沙变化。

双累积曲线法原理：在直角坐标系中绘制同期内一个变量的连续累积值与另一个变量连续累积值的关系线。通过建立双累积曲线，剔除参考变量的影响，显现出另一个因素是否导致被检验量发生显著性趋势变化，在年径流量与年输沙量双累积曲线中累积年径流量作为参考值，从而分析年输沙量的变化趋势。

2 辽河干支流水沙变化态势

辽河干流主要水文站多年平均径流量、输沙量及变化趋势见表1，相应主要水文站径流量和输沙量的累积曲线见图2～图7。结合图表，对辽河干、支流水文站的水沙变化态势进行分析。

表1 辽河主要水文测站多年平均径流量、

注：辽河干流六间房水文站实测数据不满足M-K秩次相关检验分析法突变分析条件

2.1 老哈河兴隆坡水文站

老哈河兴隆坡水文站多年平均径流量和输沙量分别为4.87亿m3和1347.41万t。如图2所示，老哈河兴隆坡水文站径流量累积曲线呈上凸形式，兴隆坡站径流量标准化变量为-4.149，其绝对值远大于1.96，表明兴隆坡水文站的年径流量具有显著减少的趋势，对应的单累积曲线在1979年之前近似呈直线增长趋势,1980年之后有向下偏离趋势，1989—1998年呈直线状态增长，1998年之后增长趋势下降明显。兴隆坡水文站输沙量标准变化量为-5.563，其绝对值远大于1.96，表明兴隆坡水文站的年输沙量有显著的减少趋势，对应的单累积曲线1979年之前总体呈直线趋势增长，1980—1981年、1989年泥沙输移量明显减小，1994年之后增长趋势明显放缓。

图2 老哈河兴隆坡水文站累积径流量和累积输沙量

2.2 柳河新民水文站

柳河新民水文站多年平均径流量和多年平均输沙量为2.16亿m3和376.37万t。如图3所示，柳河新民水文站径流量累积曲线基本成上凸趋势，径流量标准化变量为-5.573，其绝对值远大于1.96，对应的单累积曲线1998年之前基本呈直线增长趋势，1998年之后增长趋势下降明显。新民水文站输沙量的标准变化值为-6.826，其绝对值远大于1.96，相应的单累积曲线1969年之前总体呈直线状态，1969年之后增长趋势下降，呈下凹状，1994年之后增长趋势下降明显。

图3 柳河新民水文站累积径流量和累积输沙量

2.3 干流铁岭水文站

辽河干流铁岭水文站多年平均径流量和多年平均输沙量分别为29.36亿m3和1113.04万t。铁岭水文站径流量标准化变量为-3.117，其绝对值远大于1.96，如图4所示，单累积曲线在1964年之前近似呈直线增长趋势,1964—1976年增长趋势放缓，1977—1984年增长趋势明显下降，1985—1998年基本呈直线趋势增长，1998—2012年增长趋势下降明显；铁岭水文站输沙量的标准变化值为-4.905，其绝对值远大于1.96，单累积曲线1964年之前总体呈直线状态，1964年之后增长趋势明显下降，1986—1995年基本呈直线趋势增长，1995年之后增长趋势下降明显。如图5双累积曲线所示，双累积曲线开始基本先呈直线趋势增长，然后增长趋势显著放缓，说明辽河含沙量先趋于稳定然后出现明显减少，其变化过程与单累积曲线图变化过程趋于一致。

图4 辽河干流铁岭水文站累积径流量和累积输沙量

图5 铁岭水文站径流量、输沙量双累积曲线

2.4 干流六间房水文站

辽河干流六间房水文站多年平均径流量和输沙量分别为29.09亿m3和399.00万t。六间房站径流量标准化变量为-1.543，其绝对值略小于1.96。如图6，对应的单累积曲线在1995年之前近似呈直线增长趋势，1995年之后开始有向下偏离趋势，1997年后又呈直线状态增长，1998—2004年增长趋势下降明显，2009—2012年增长趋势明显。六间房水文站输沙量的标准变化值为-2.381，其绝对值大于1.96，相应的单累积曲线1995年之前总体呈直线状态，1995年之后有向下偏离趋势，1997年之后增长趋势变快，1998年之后增长趋势明显下降。如图7所示，双累积曲线增长趋势逐渐放缓而且放缓幅度逐渐变大，说明辽河干流含沙量存在逐渐减少趋势并且减少趋势逐渐加剧。

图6 辽河干流六间房水文站累积径流量和累积输沙量

图7 六间房水文站径流量、输沙量双累积曲线

3 主要成因分析

3.1 水库拦沙

辽河干、支流上大量水库枢纽的建设，最终影响辽河干流的输沙量变化。以铁岭水文站为例，结合铁岭水文站上游干支流水库的建设情况，如表2所示。辽河干、支流共修建大、中型水库9座，总库容41.112亿m3。水库修建后，水库调蓄了年内径流过程，拦截了大量泥沙，水库泥沙淤积，减少了出库的泥沙量，明显地改变了进入干支流下游河道的水沙过程。尤其是1959年莫力庙水库和1960年清河水库的修建，使得铁岭水文站的年输沙量骤减至1960年的3580万t、1961年的257万t，见图8。图8为辽河铁岭水文站输沙量与流域累积库容的变化关系，综合 M-K秩次相关检验分析法的水沙趋势突变分析结果与表2水库建设的实际状况，分析辽河铁岭水文站流输沙量与水文站上游水库建设情况之间的关系，得出铁岭水文站输沙量的突变年份与水库蓄水运用时间基本一致。具体变化情况如下，辽河铁岭水文站上游先后于1960年、1962年和1963年修建了清河水库、红山水库和柴河水库等大、中型水库，累积库容从1959年的5.352亿m3增加到1960年的15.062亿m3，1962年增至31.252亿m3，1963年增至37.612亿m3，相应的铁岭水文站年均输沙量从1954—1959年的4813.33万t减至1960—1963年的2714.25万t，1964—2012年进一步减至529.231万t，表明铁岭水文站年输沙量减少的突变点为1959年、1960年、1962年、1963年。

表2 辽河流域铁岭水文站上游主要水库

图8 铁岭水文站输沙量与流域累积库容的关系

3.2 水土保持

辽河流域水土流失的典型代表是柳河，柳河在铁岭下游汇入辽河干流，由于上游是低山黄土丘陵及漫岗，沟壑密度大，全年多风，蒸发量大，植被很差，水土流失非常严重，每遇暴雨，大量泥沙下泄，输沙量占辽河流域的70%多，是辽河流域含沙量最高的河流。建国以来，国家对柳河的治理非常重视，作了很多工作，20世纪80年代以来，以小流域治理为主，收到良好的效果。1983年柳河被国务院列入国家水土保持八大重点治理区，全区统一规划，坚持对山、水、林、田、路综合治理，实行工程措施和生物措施相结合，使治理范围内的水土流失状况大为好转，柳河上游水、沙得到一定控制。截止2010年底，柳河流域先后开展了4期水土保持重点建设工程，涉及辽宁省的阜蒙县、彰武县，内蒙古自治区的舍曼县、库伦旗，共投资25 128.50万元，完成水土流失治理面积2389.03 km2，其中，耕地治理692.31 km2，封育治理484.94 km2，林草工程1147.08 km2，修建谷坊15 369座[6]。

3.3 其它原因

辽河水沙趋势的影响原因除了上面提到的水库拦沙和水土保持两个因素还包括工业、农业、生活引水，及河道采砂等人为因素；气候变化、降雨量变化、河道冲淤等自然因素。如图 9，1995年、2004年、2010年、2011年辽河铁岭干流水文站验测断面主河槽不断冲淤变化，尤其是在起点距1300～1650 m变化明显。图10为辽河流域2004—2011年降雨量变化。降雨量的变化直接影响径流量的变化，从而影响河道冲淤变化，河道输沙量随之改变。

图9 铁岭水文站测验断面冲淤变化

图10 辽河流域2004—2011年降雨量

4 结 论

(1)经M-K秩次相关检验分析法与累积曲线法分析，兴隆坡、铁岭、新民、六间房四个水文站的年径流量和输沙量的M-K值统计量均超过检验标准，呈明显的下降趋势，其中新民水文站的径流量和输沙量减少趋势最为明显，同时四个水文站年径流量、年输沙量单累积曲线图和双累积曲线在M-K相应突变年份出现明显减少趋势，说明辽河流域来水量、来沙量均存在减小趋势。

(2)通过对辽河干、支流主要控制断面的径流量和输沙量进行突变点分析可知，兴隆坡水文站发生突变的年份是1965年、1989年、2000年；新民水文站发生突变年份是1988年；铁岭水文站发生突变年份是1959年、1960年、1962年、1963年，六间房水文站不满足M-K秩次相关检验分析法突变分析条件。

(3)除受辽河干、支流上游水沙条件的影响外，流域水库拦沙、水土保持、河道冲淤，及采砂等都是辽河流域水沙变异的主要影响因素,其中水库拦沙是影响辽河流域水沙变化的主要因素。

[1] 张燕青,胡春宏,王延贵.辽河流域水沙变化特征及影响因素分析[J].人民长江,2014,5(1):32-35.

[2] 中华人民共和国水利部.《中国河流泥沙公报》[M].北京：中国水利水电出版社,2002-2012.

[3] 周芬.Kendall检验在水文序列趋势分析中的比较研究[J].人民珠江,2005(1)：35-37.

[4] 魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术[M].第二版.北京：气象出版社,2008.

[5] 武娟,邢磊.Mann-Kendall方法在长江汉口站水沙特性变化分析中的应用[DB/OL].(2014-4-19)[2015-3-23].http://www.docin.com/p-386476580.html.

[6] 水利部松辽水利委员会.《松辽流域水土保持公报》[R].长春：水利部松辽水利委员会，2012.

Analysis on variation characteristics and influential factors of runoff and sediment of Liaohe river

ZHAO Wenlong，LIU Beibei

(NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450011,China)

t：Human activity has an important impact on runoff and sediment variation characteristics of Liaohe river.In order to have a thorough understanding of the runoff and sediment variation characteristics of Liaohe river,the paper selected main tributaries of Liaohe river as case study object,and runoff and sediment variation characteristics of Liaohe River Basin during 1955—2012 were analyzed through M-K rank statistical test and the double cumulative curve method.Results shows that reservoir block sand sediment,conservation of soil and water,channel scouring and siltation and sand excavation are the main factors,and reservoir block sand sediment is the most important factor.

Liaohe river;runoff and sediment;variation;factor;reservoir block sand sediment

赵文龙(1988-)，男，硕士，主要从事水力学和河流泥沙动力学研究。E-mail：zhaowenlong6@126.com

TV14

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2096-0506(2015)01-0055-05