柳河上游水沙特性及河道断面变化特征分析

巩士群

(辽宁省阜新水文局，辽宁 阜新 123000)

柳河是辽河的重要支流之一，柳河流域多年泥沙淤积、洪水频发，生态平衡遭到严重破坏。对柳河流域进行水沙特性分析和研究有助于维护河流生态稳定，保护河流水资源。已有不少学者对柳河的径流和水沙变化等进行了研究并得出了重要结论[1]。安秉锋[2]通过分析辽河支流水沙特性关系后指出柳河是辽河一级支流中贡献输沙量最多的一条。已有研究表明，河流水沙特性变化多与该流域气候条件、人类活动和植被状况密切相关[3]。孙颖[4]运用RVA法和分离气候变化法分析了柳河彰武县段泥沙和水文变化情况，认为流域泥沙与水文变化具有相似特征,其原因为流域水沙变化在很大程度上取决于水土保持工程建设强度。张志玲等[5]对柳河流域径流、泥沙要素从20世纪中叶到21世纪初的年内分配及年际变化进行时变过程分析,并研究径流量与泥沙输沙量的相关关联系数及关联度,结果表明,柳河流域径流量年内及年际分配都很不均匀,且有随时间发展更不均匀的现象。张铁楠[6]通过对柳河流域六个水文站多年径流泥沙观测资料分析后发现柳河流域生态建设很大程度上减少了河流输沙量以及河道径流泥沙量，使得该流域生态环境得到改善,水土流失减少。王晓鹏[7]认为柳河彰武县段泥沙与水文变化有相同特征，并指出水土保持工程强度决定着柳河输沙量变化。通过研究文献与实地调研后发现，柳河上游多年水土流失严重的主要原因还是流域森林覆盖率极低，荒山秃岭，耕地有机质含量不足，固沙能力差等。为更细致分析柳河流域水沙特性与河道断面变化情况，此次选择柳河中上游为研究区，其中，径流数据源自辽宁省河库管理服务中心统计资料和辽宁省水资源公报，含、输沙量图和套绘断面图均根据彰武水文站历年所测数据绘制。上述数据、图表真实可靠，有较好的代表性和可研性。

1 研究区域

本次将彰武水文站以上作为研究主要区域，测验河段包括彰武县水文站在内的柳河中上游河段，河段总长度2km，测验河段顺直，河道两岸为已修建的道堤防，河道断面呈矩形状。彰武站以北流域属于平原区，区域含水层厚，一般厚度在100m左右，最厚达到了200m，含水层包含细砂各类粉细砂层水土流失比较严重。彰武水文站体量大、集水面积广，总集水面积达到85km2，是柳河流域最早设立的水文站之一，自1934年6月设站以来就担任起柳河流域水量标志站和控制站的重任，是该流域水量调度和防汛抗旱的重要设施。彰武站区间情况见图1。

图1 彰武站区位图

2 研究方法

2.1 一元线性回归预测法

线性回归预测法是利用数理统计的方法建立坐标轴的相对关系来预测一种客观现象的趋势，现引入Yt为因变量，Xt为自变量，建立t期自变量Xt和因变量Yt之间的关系:

Yt=a+bxt

(1)

式中：xt为自变量关于t的函数(本文则表示为年份)；Yt为以t为函数的自变量X的函数值(文中表示径流量、输沙量和含沙量)；a、b分别为一元线性回归方程的参数，在本文中表示各量(径流量、输沙量、含沙量)的起始值和斜率，在这里斜率可以表示因变量的变化程度，若b≥0，则表示因变量和自变量年份之间呈正相关，否则为负相关，根据参数的正负变化可总结出某现象长期以来存在的规律。

2.2 滑动平均法

滑动平均法是通过增减新旧数据的方法来计算移动平均值，通过这种方法可以有效消除偶然因素，从而更清楚了解事物发展的规律，根据这种规律还能延伸出该现象后续的走向和趋势[8]。根据原理，对已有数据进整理。假设收集的数据个数为2K，对这些数值求取平均值，后再对Yt(新序列)求解，在平均值影响下，他们的随机变化情况较平均前有所降低，此时让X呈现出一定变化，增强其光滑性。新序列Yt用下式表示：

(2)

现令K等于5，则Y6、Y7可以表示为

Y9+Y10+Y11)

Y10+Y11+Y12)

3 结果分析

3.1 1980—2018年测站上游水沙特性分析

彰武站位于柳河中游，河水暴涨暴落，基本遵循涨冲落淤的规律，河床经过多年河水输沙后上淤严重。观察水位流量关系曲线发现，柳河水流不固定，涨冲落淤，基本上为一次洪水一条线，重合的机会几乎没有[9-10]。1980—2018年测站径流量变化见图2，由于径流量曲线图起伏较大，采用滑动平均法适当消除过大的起伏，可以得出历年柳河径流量的一般规律。由图2可知，多年以来柳河中上游流域径流量波动较大，2009年径流量降低到接近阈值，1980—2009年曲线变动较为平缓，但平均径流量在4000万m3上下波动，说明这30年间柳河流域水量变化并不显著。彰武站径流量线性回归趋势方程为Y=63.277X+3043.8，可以看到趋势线方程斜率为正值，由此可以推断出近年来以彰武站为中心的柳河中上游年平均径流量呈显著上升趋势。据水文站资料统计，彰武站多年径流量平均值为4952.78万m3，多年径流最大值达16000万m3，最小值接近0，出现年份分别为2017年和2009年。显然2017年径流量高居16000万m3不具备参考意义，通过图像分析计算出趋势线拟合程度指标值R2=0.517,拟合程度超过0.5，表明趋势线具备良好参考性，上述预测合理。

图2 彰武站1980—2018年径流量

柳河的河流含沙量一直受各界关注，该河流含沙程度与黄河属同一级别，有东北地区第二黄河之称。柳河河水含沙量大，河道泥沙淤积严重，有调查称20世纪中叶到21世纪初多年平均年排入辽河的沙量达780.8万t。根据1980—2018年彰武站含沙量和输沙量绘制的曲线见图3、图4。对比输沙量趋势图和含沙量趋势图可知，1980—2018年柳河上游沙量呈显著减少趋势，其中输沙量趋势方程为：Y=-30.208X+1113.2，输沙量以每年超过30万t的速度递减。输沙量图以1996年为界，1996年以前，波动较大，1996年以后波动趋于平稳。含沙量曲线图变化趋势与输沙量趋势相似，趋势方程为Y=-0.548X+21.735，总体表现为下降趋势，降幅大于输沙量，可以推测出2020年以后该河流含沙量将稳定在0～5kg/m3。

图3 彰武站历年年含沙量变化过程图

图4 彰武站历年年输沙量变化过程图

分析图2所示1980—2018年年际径流量曲线图可知，2000年以后径流量曲线图趋势与2000年以前恰好相反，由此选择2000年以来径流量和输沙量数据进行分析。结合径流量分布将2000年以来年份分别按照丰水代表年、平水代表年和枯水代表年作区分，区分结果见表1。通过对上述典型年分析得出2000m3/s流量控制天数在三类典型年中都占比较大，丰水年占比高达全年的78.9%，即使枯水年也达到全年的54.8%。由此将2000m3/s流量作为中水标准值。同样地，含沙量控制天数占比最大的是2.0kg/m3，占比达到全年的75%，具备良好参考性。

表1 流量与含沙量天数统计 单位：天

依据上述分析可知虽然柳河上游流域径流量呈逐年增加，但是输沙量和含沙量却表现出显著的年度降低趋势，说明柳河多年来含沙量的降低主要是水保措施的影响，流域降雨是次要因素。趋势线与流量、2000年以来柳河上游含沙量天数统计分析表则进一步印证了柳河流域泥沙控制和水土保持措施的有益成效，柳河上游日均径流量将持续稳定在2000m3/s的水平，而小于2.0kg/m3含沙量的天数会持续增多。

3.2 河道断面变化分析

彰武水文站不同年份实测大断面套绘见图5。2000—2015年汛前河道处于微淤状态。虽然2005年、2013年、2017年三年发生较大洪水但是洪水冲刷过后河道快速淤积基本处于逐渐淤积状态。自2000年汛前开始到2019年，河道处于淤积状态，累计断面平均淤积0.80m。柳河大堤渠化后，河道断面左岸基本固定，冲淤变化不大，主河道冲淤基本处于平衡状态；2017年汛期，柳河上游发生了467m3/s的较大洪水，经过洪水冲刷，最大冲刷深度0.40m，经过洪水后断面淤积基本没有明显变化。综上所述，柳河彰武段大水年份冲刷，小水年份淤积，长期看基本处于动态平衡逐渐淤积状态。彰武水文站河道断面虽然多年经历冲刷和淤积，但是总体来说断面形状基本保持不变，河道宽度并未发生显著性改变，平面横向宽度没有摆动现象。

从大断面套绘图可以看出，2012年汛期前后到2018年汛期前后洪水过程基本都小于1000m3/s，近些年彰武站所测河段均没有任何采砂活动和大型工程建和大型工程建设活动，通过套绘发现该断面基本保持稳定，河道虽有冲淤变化，但基本保持平衡。2015年汛后柳河大堤两岸修建防洪墙，柳河大桥进行为期3年的翻修，两岸堤防出现明显变化，河底浅滩处由于修建施工便道平均提高0.70m，主河道250～310m出现便道经常冲毁现象，河底高程变化不定，最大变幅1.72m。彰武站2015—2019年汛后大断面套绘图见图6。

图5 彰武水文站不同年份大断面套绘图

图6 彰武站2015—2019年汛后大断面套绘图

4 结 语

本文结合彰武站不同年份断面套绘图和1980—2018年测站关于柳河上游含沙量和输沙量的数据对柳河上游水沙特性作了分析和预测，分析结果如下：

a.柳河自水土保持和河流治理措施实施以来，上游流域河流含沙量显著降低。工作开展后，柳河输入辽河的沙量从1988年之前的均值780.8万t降至327.6万t。

b.以1996年为界，柳河上游流域输沙量、含沙量波动逐渐趋于平滑，输沙量和含沙量变化曲线与径流量曲线走向相反。自2000年以来，柳河上游流域虽然径流增加，但河流含沙量和输沙量却平滑降低。

c.柳河彰武段大水年份冲刷，小水年份淤积，长期看基本处于动态平衡逐渐淤积状态。彰武水文站河道断面虽然多年经历冲刷和淤积，但是总体来说断面形状基本保持不变，河道宽度并未发生显著性改变，平面横向宽度没有摆动现象。

最新测量数据显示，2019年至2020年底，自柳河排入辽河的沙量依然处在较低值，最新数据结果与前文所述相一致，分析结果证实了“十三五”以来柳河上游水土保持工作的显著效果，现正值“十四五”开局时期，各级水利(水保)部门应当扎实巩固治理经验，同时加大柳河上游生态保护红线内水土流失治理力度，依法有效强化人为水土流失监管，科学推进水土流失综合治理，提升水土保持监测评价水平。