大凌河中上游水沙变化特征分析

(辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳　111000)

河道水流受气候环境以及人类活动等因素影响，水资源循环规律及下垫面层发生改变，并引起流域径流量和输沙量产生变化。研究河流水沙关系是探讨水沙变化规律特征的重要的方法，对河流减水护沙、生态环境效益产生明显影响。Walling等通过对145条河流的输沙量变化数据进行探讨，发现将近一半河流输沙保持一定的变化规律。我国学者欧阳超波等以黄河中游为研究对象，利用线性和多年滑动平均法探讨了研究区段内的水沙变化特征和阶段性演变趋势；楚纯洁[1]等结合黄河中下游水文站有关数据资料，揭示了在人类活动和自然状态下的水沙变化特征；赵玉[2]等通过对黄河干流典型水文站数据资料进行分析，揭示了黄河流域近50年的水沙变化关系；蒋冲[3]等以三江源地区为研究对象，利用有关数据资料分析了研究区域的水土流失演变发展状况，并指出输沙量年际变化量较大，且生态工程和气候变化是引起水土流失变化的关键性因素；王彦君[4]等以松花江为研究对象，利用累积矩平方法对流域的6个干流的水文站径流量进行探讨分析，发现径流变化主要经历了4个变化阶段，并利用累积量斜率对比法分析了不同影响因素对径流变化的影响贡献率；王兆礼[5]等以东江流域为研究对象，利用近50年的气象水文资料，对流域的径流年际变化特征进行详细的探讨分析，揭示了植被和气候变化对径流的影响。近年来，我国学者对大凌河开展了大量的研究，如刘鑫等研究表明每年的7月、8月是大凌河径流量最大的月份，该流域的径流量整体表现出下降趋势；于国宝[6]等利用Mann-Kendell检验法对大凌河输沙量和径流量的变化关系进行研究，并对未来的水沙变化特征进行了详细的分析和预测。

本文以大凌河中上游流域为研究对象，对水沙变化特征进行分析，以期为大凌河流域内生态建设提供一定的理论支持和决策依据。

1　研究区域概况

大凌河流域大小支干交错，全长398km，所占面积约为2.35万km2，主要支流包括牤牛河、老虎山河、大凌河西支等。流域属于温带季风气候，四季分明，日照丰富、温差大，资料显示9月和10是该流域的降雨旺季，年降水量约为450～600mm，降雨时间分布不均匀，径流量约为16.67亿m3。大凌河流域总体植被覆盖率较低，大凌河流经低山低丘陵区、山间河谷平原以及林草滩地区，其中以低山地丘陵区为主，占流域总面积的75%左右。流域土质疏松，物理性能较差，植被覆盖率低，水土流失严重，是大凌河泥沙的主要来源。朝阳水文站位于东经120°27′、北纬41°32′，集水面积10236km2，是大凌河中游的主要水文控制站[7]。

2　资料与研究方法

2.1　数据选取

结合研究流域的水文站分布状况，本文研究分别采用上窝堡、哈巴气、德立吉、叶柏寿和朝阳5个典型的水文站1980—2016年的汛期逐日降雨量监测数据，其中月经流量和输沙量选取朝阳水文站和上窝堡水文站的实测数据，并采用算术平均法对降雨量进行计算。

2.2　研究方法

本文利用SPSS数据分析软件中的双变量相关分析程序，通过收集整理典型的水文控制观测数据，利用Pearson双侧检验法分别定量描述了在不同年际的输沙量和径流量变化特征，并对相关性进行检验。对大凌河中上游流域的水沙变化时间采用累积矩平曲线法进行分析，水文时间序列的变化特征利用滑动平均法进行计算确定。利用上述方法对研究流域的水沙变化情况展开详细、深入的研究分析，进而揭示了大凌河中上游区域的水沙变化特征，以期为生态环境建设提供一定的理论支持和科学依据。

3　结果与分析

3.1　大凌河中上游水沙基本特征

3.1.1主要水文要素年代际特征

大凌河中上游区域的生态环境较为脆弱，生态环境日益恶劣，地形地貌特征以低山丘陵区为主，常年干旱，降雨时空分布不均，且植被覆盖率较低，水土流失及河流泥沙输入受降雨量、地表径流量等作用显著。本文通过选取降雨量、输沙量和径流量水文站的观测数据，分别对大凌河中上游区域不同年际的水文要素特征进行统计分析，计算结果见表1。

由表1可知，大凌河中上游流域在1960—1969年的降雨最大，平均降雨量高达412.38mm，且该期间的输沙量和径流量变异系数值最大，分别为1.054和0.535，研究表明，降雨量变化是影响输沙和径流量变化的主要因素，其变化波动较为显著，其原因可能与1962年的百年一遇的洪水灾害相关；大凌河流域1960—2016的输沙量和径流量变异系数值最大，分别为1.317和0.764，研究表明，研究流域的年际输沙和径流量变化较为显著；21世纪以后，大凌河中上游流域的各水文特征要素均低于多年平均值，且输沙量和径流量表现出一定的同步性，然而不同年代的年际输沙变化关系有待进一步深入研究探讨[8]。

表1　大凌河流域水文特征要素特征值统计计算结果

3.1.2水沙关系特征

本文对朝阳水文站1960—2016年不同年际的径流量和输沙量进行相关性分析，并引入相关系数对上述两个变量之间的密切关系程度进行表征(分析结果见表2)。

表2　大凌河流域输沙量和径流量关系特征分析结果

注表中**代表置信度为0.01水平上的显著相关性，*代表置信度为0.05水平上的显著相关性。

由表2可知，大凌河中上游流域不同年际的输沙和径流量相关系数在2010—2016年达到最大，由大到小依次为20世纪60年代、80年代、90年代、2000—2009年和20世纪70年代。研究表明，相关性较强的区间为1960～1969年，并在0.01置信水平上的达到极值；大凌河中上游流域近60年的水沙统计数据资料显示，该流域的输沙和径流量之间表现出较强的相关性，并在0.01置信水平上达到极为显著的水平。研究期间内的径流量和输沙量存在较为明显的线性关系，其1960—2016年的线性拟合方程为S=0.25R-982.384，R2为0.712，二者之间表现出良好的线性相关性。

3.2　大凌河中上游水沙变化特征

3.2.1水沙变化趋势分析

水沙变化特征受河段的地形地貌和降雨特征等因素影响，不同区段的河段流域表现出明显的差异性，据此，本文选择具有代表性的大城子水文站、朝阳水文站的降雨量和径流量进行滑动平均计算研究，以此探讨大凌河中上游区域的水沙变化特征。两个水文站的水沙变化特征曲线如图1和图2所示。

由图1可知，大凌河中上游流域的输沙量和径流量的变化趋势表现出一定的同步性，变化波动年份较为明显，且各年份的波动趋势保持一致。年际径流量变化波动趋势明显大于输沙量变化趋势。根据曲线线性波动趋势可知，流域内的R和S值均表现出动荡下降趋势，且径流量的下降幅度略大于输沙量。由图2可知，朝阳水文站与大城子水文站的R和S值变化趋势保持相对同步性。综上所述，1960—2016年大凌河中上游流域的径流量和输沙量整体表现出明显的下降趋势。

图1　大城子水文站在不同年份的径流量和输沙量变化曲线

图2　朝阳水文站在不同年份的径流量和输沙量变化曲线

3.2.2水沙变化的阶段性

由图1和图2可知，大凌河流域中上游区域的年际径流量和输沙量存在较大差异，其中朝阳水文站的径流量和输沙量整体表现出波动性下降，而大城子水文站随年份的增加表现出动荡下降趋势。

根据径流量曲线变化的整体趋势，结合径流量的区间范围可将研究区域的在不同期间内的径流变化特征划分为4个阶段。丰水期为1960—1979年，此期间的径流量整体表现出动荡上升趋势，并出现了局部暴雨和洪涝灾害，该阶段的径流量水平较高；枯萎期为1980—1995年，降雨量达到最低值，为320.65mm，其主要原因可能与降雨和自然环境相关；短暂丰水期为1995—1998年，径流量曲线的下降趋势表现不明显，且有短暂的上升趋势，其原因可能与此年份的降雨量增大相关，尤其是在1995年的降雨量较大，为580.38mm；显著枯水期为21世纪，此期间的降雨量与1970—1980年值虽变化不大，但径流量明显降低，且表现出持续性降低，其原因可能与水利工程蓄水设施的投入使用相关，水库的拦蓄水资源作用表现出良好，并明显降低了输沙和径流量。

根据输沙量变化特征同样可将其划分为4个阶段。1960—1968年受自然环境影响，此期间的输沙量表现出明显的上升趋势；1969—1995年为输沙动荡期，此期间受人类活动和自然条件影响，输沙量为波动性变化特征，且下降时段所占比例较大；输沙量显著增加期为1996—1998年，降雨量增大是引起输沙量增大的主要因素；输沙量持续下降期为1999—2016年，随着水土流失治理措施的实施，河道输沙量明显降低，水利工程和关键性水保措施大大降低了输沙量[9]。

3.3　人类活动对水沙变化的影响

为进一步探讨人类活动对大凌河中上游流域水沙变化的影响，本文选取1960—1992年的自然条件为基准期，以1993—2016年为人类活动措施期，利用降雨产流产沙回归方程进行计算分析，其中基准期的降雨径流线性关系可用下式表述：

y=0.036x-6.338 (R2=0.627)

(1)

式中x、y——降雨量和径流量，mm。

经验可知R2为0.627，研究表明基准期内的径流量受降雨量影响，同时人类活动和其他相关因素也可对径流量产生影响。通过对比分析基准期和人类活动措施期的径流量结果可知，人类活动措施对实测径流量、降雨量和径流减少量的影响作用表现出相似性，人类活动措施可在一定程度上降低径流减少幅度，使得生态环境朝着有利于修复的方向发展。水利工程措施和蓄水水库的建设可在一定程度上降低泥沙输入量，河道的挟沙量得到改善，且对河道的拦洪泄淤效果显著。

4　分析结论

本文通过上述研究得出下列主要结论：

a.大凌河中上游流域在1960—1969年降雨最大，平均降雨量高达412.38mm，且该期间的输沙量和径流量变异系数值最大，分别为1.054和0.535，降雨量变化是影响输沙和径流量变化的主要因素；1960—2016年的输沙量和径流量变异系数值最大分别为1.317和0.764，研究流域的年际输沙和径流量变化较为显著。

b.该流域的输沙和径流量之间表现出较强的相关性，并在0.01置信水平上达到极为显著的水平。

c. 1960—2016年大凌河中上游流域的径流量和输沙量整体表现出明显的下降趋势；在不同期间内的径流变化特征划分为4个阶段，即丰水期、枯水期、短暂枯水期、显著枯水期。

d.人类活动措施对实测径流量、降雨量和径流减少量的影响作用表现出相似性，人类活动措施可在一定程度上降低径流减少幅度，使得生态环境朝着有利于修复的方向发展。

5　结　语

本文以大凌河中上游流域为研究对象，通过分析研究区域内的输沙量和降雨量在1960—2016年的年际变化特征，揭示了流域在不同年份和人类活动作用下的变化规律，为大凌河流域内生态建设提供了一定的理论支持和决策依据。

[1]楚纯洁，耿鹏旭，赵聪.黄河花园口断面水沙变化特征及趋势分析[J].泥沙研究,2011(5):39-44.

[2]赵玉，穆兴民，何毅，等.1950—2011年黄河干流水沙关系变化研究[J].泥沙研究,2014(4):32-38.

[3]蒋冲，王德旺，罗上华，等.三江源区生态系统状况变化及其成因[J].环境科学研究,2016(10):10-19.

[4]王彦君,王随继,苏腾.降水和人类活动对松花江径流量变化的贡献率[J].自然资源学报,2015(2):304-314.

[5]王兆礼，陈晓宏，杨涛.近50a东江流域径流变化及影响因素分析[J].自然资源学报,2010(8):1365-1374.

[6]于国宝.大凌河流域水沙特性及变化趋势分析[J].水利规划与设计,2017(2):41-43.

[7]王世钧.渭河上游水沙特性变化及其规律研究[J].水利规划与设计,2013(9):8-10.

[8]霍庭秀,罗虹,李欣庆,等.黄河中游河龙区间水沙特性分析[J].水利技术监督,2009(5):13-15.

[9]赵菊华.基于本体的水资源数据集成研究[J].中国水能及电气化,2007(10),31-33.