基于水文学方法的南甸水文站近60年水沙演变成因分析

温笑寒

(辽宁省本溪水文局，辽宁 本溪 117000)

气候变化和人类活动是区域径流量和输沙量变化的主要成因，也是当前河流水沙变化研究的热点[1]。太子河是辽河的重要支流，河流水沙变化对于流域水资源利用开发和生态环境保护十分重要，也是影响区域社会经济发展的重要因素[2]。近些年来，对于太子河流域水沙变化特征分析的成果较多[3- 9]，但对于其变化成因尤其是定量分析的成果还较少，当前水文学方法在国内许多区域水沙变化成因定量分析中取得较为成熟的应用[10]，但是在太子河流域还未得到具体应用，为此本文以太子河流域的南甸水文站为例，结合该站点近60年径流量和输沙量，采用水文学方法对其水沙演变成因进行定量分解，研究成果对于太子河流域水沙变化的成因具有重要的参考意义。

1 水沙演变成因分析方法

水文学方法首先需要确定基准期，一般认为基准期为天然条件下的水沙变化，首先建立基准期的降雨量和输沙量以及与径流量之间的回归方程，以降雨量—径流量回归方程举例说明：

Rref=aPref+b

(1)

式中，Rref—天然条件下的径流深，mm;Pref—天然条件下的降雨量，mm;a、b—线性回归方程的系数。人类活动影响下的径流深采用人类活动影响其下的降水量代入到方程(1)中进行计算，其径流深估算方程为：

Rfit=aPfit+b

(2)

式中，Rfit—人类活动影响下的径流深，mm;Pfit—人类活动影响下下的降雨量，mm。则人类活动影响径流深变化定量计算方程为：

ΔRfit=Ro-Rfit

(3)

式中，ΔRfit、Ro—人类活动影响下径流深变化量估算值以及实测径流深，mm。基准期径流深实测值和天然条件下径流深估算值之间的差值即为径流深受气候变化影响值，其计算方程为：

ΔR=Rfit-RN

(4)

式中，ΔR—径流深受气候变化影响值，mm；RN—径流深在基准期的实测值，mm。

2 南甸站水沙演变特征分析

2.1 南甸水文站点概况

南甸水文站位于本溪县南甸镇小峪村，始建于1958年1月，集水面积765km2，为国家基本水文站。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，占全年降水总量的比值在75%左右，多年径流量均值分别为2.65亿m3，多年输沙量均值为1.74万t。为对南甸水文站水沙演变特征进行系统分析，本文结合南甸站1959—2019年年径流量和年输沙量统计数据进行分析，所有的资料均来源于《辽宁省水文年鉴》，并对各数据资料进行可靠性、一致性、代表性的检验，所用数据均通过了水文资料的三性检验，可以用来对南甸水文站水沙演变特征进行分析。

2.2 年水沙演变特征分析

结合南甸水文站1959—2016年年径流量和年输沙量数据，对其年水沙变化特征进行分析，如图1所示。

图1 南甸水文站年水沙变化

从图1中可看出，太子河南甸水文站年径流量和年输沙量呈现明显递减变化，采用M-K非线性变化检验方法对南甸水文站年径流量和年输沙量变化趋势进行检验，其检验统计值分别为-3.759和-5.745，检验统计值绝对值大于2.32，均达到99%的显著性检验水平。

2.3 年代际水沙演变特征分析

在南甸水文站年水沙演变特征分析基础上，对其不同年代际水沙及降雨量演变特征进行分析，结果见表1。

表1 南甸水文站年代际水沙及降雨量演变特征分析

从南甸水文站不同年代际水沙演变特征可看出，年代际输沙量和径流量变化具有同步性，即径流量相对较低的年代其输沙量也相对较低，80年代以及2000年代相比于70年代以前，年代际径流量变化率均超高60%，而年代际输沙量超过80%，从两个年代际降雨量可看出，这两个年代际降雨量相比于70年代也呈现递减变化，但递减幅度远超过降水量的递减幅度，这主要因为人类活动对南甸水文站的影响，南甸水文站以上集水区域内的中小型水库的蓄水影响，加之河道取水的综合影响，使得其年代际径流量下降明显，随着太子河流域90年代开始的退耕还林还草措施的影响，其输沙量下降率明显增加。

2.4 降雨-径流量和降雨-输沙量回归方程的确定

为对南甸站水沙变化原因进行定量评估，按照水沙演变的分析方法，需要结合各年代际南甸水文站年降水量及年径流量数据，对其不同年代际的降雨-径流量以及降雨-输沙量的回归方程进行确定，结果见表2、如图2所示。

从南甸各年代际降雨-径流量以及降雨-输沙量回归方程的决定系数可看出，各年代际降雨-径流量的决定系数均高于0.5，具有较好的线性回归性，这主要是因为南甸水文站位于辽东地区，辽东地区属于典型的蓄满产流机制，使得其降雨-径流量相关度较好，从其检验水平可看出，除去2000年代外，其他年代际显著水平P均小于0.005，通过90%的显著检验水平。除70年代外，其他年代际降雨-输沙量回归方程的决定系数均低于降雨-径流量的决定系数，这主要是因为降雨-输沙量之间的总体相关度不高，辽东地区产沙机制较为复杂，降雨是其土壤侵蚀主因外，坡面径流也对其土壤侵蚀产沙一定程度的影响，因而降低了其回归方程的决定系数，但其各年代际降雨-输沙量决定系数总体高于0.3，基本满足回归方程决定系数高于0.3以上的要求，其回归方程的显著水平均低于90%。

图2 南甸子水文站各年代际降雨-径流量及降雨-输沙量相关图

表2 南甸水文站不同年代际降雨-径流量及降雨-输沙量回归方程

3 南甸水沙演变成因定量分解

采用水文学方法，在各年代际水沙演变及降雨-径流量、降雨-输沙量回归方程建立的基础上对其不同年代际水沙演变的成因进行定量分解，分解结果见表3—4所示。

从南甸子水文站径流量影响定量分解结果可看出人，各年代际人类活动对径流影响比例均超过降雨影响比例，从80年代开始，人类活动影响比例总体呈现递增变化，到2000年代人类活动影响比例相比于90年代有所下降，这主要是因为相比于90年代，2000年代的降雨量相对较大，使得该年代际降雨影响比例增加。80年代开始随着区域内中小型水库的投入运行后，南甸水文站的年径流量呈现逐年下降变化，加之区间来水量较少，使得80年代开始人类活动对其影响比例逐年代际增加。从南甸水文站年代际输沙量影响比例定量分解结果可看出，和径流量影响较为一致，从80年代开始，人类活动对南甸子水文站输沙量影响比例明显高于降水影响比例，人类活动对南甸水文站输沙量影响比例均超过60%，一部分原因是南甸水文站径流量的减少，一部分原因是从90年代开始太子河河流域退耕还林还草水土保持治理措施的加大，使得区域水土流失量减少，使得南甸水文站的输沙量也明显减少。

表3 南甸水文站径流量影响定量分解

表4 南甸水文站输沙量影响定量分解

4 结论

(1)南甸水文站年代际输沙量和径流量变化具有同步性，即径流量相对较低的年代其输沙量也相对较低，80年代以及2000年代相比于70年代以前，年代际径流量变化率均超高60%，而年代际输沙量超过80%；

(2)南甸水文站以上集水区域属于典型的蓄满产流机制，使得其降雨-径流量相关度较好，而区域产沙机制较为复杂，降雨是其土壤侵蚀主因外，坡面径流也对其土壤侵蚀产沙一定程度的影响，使得降雨-输沙量相关度相对较低。

(3)人类活动对南甸水文站输沙量影响比例均超过60%，一部分原因是南甸水文站径流量的减少，一部分原因是从90年代开始太子河流域退耕还林还草水土保持治理措施的加大，使得区域水土流失量减少。