碧流河茧场水文站1971—2019年水沙特征及成因探讨

梁中华

(辽宁省大连水文局，辽宁 大连 116023)

人类活动和气候变化对区域水沙影响最为显著，与河湖健康、河流演变具有较为密切的联系[1]。近年来随着人类活动和全球气候变化，许多河流的水沙关系受到显著影响。国内许多学者研究成果[2- 6]均表明，气候变化和人类活动对流域径流量和输沙量影响显著。气候变化和人类活动使得碧流河流域径流量和输沙量产生较为明显的递增变化[7]。针对当前碧流河流域径流量和输沙量变化特征开展了不同程度的研究[8- 12]，这些研究成果均表明碧流河流域水沙变化特征较为明显，径流量变化率低于输沙量的变化率，但对于不同时期碧流河流域水沙变化特征尤其是水沙丰枯变化的研究较少，为此本文结合碧流河干流茧场水文站1971—2019年径流量和输沙量资料，对其水沙变化特征进行分析，研究成果对于碧流河流域综合治理规划具有重要的参考意义。

1 区域概况及研究方法

1.1 碧流河流域概况

碧流河是辽宁省大连、营口地区最大河流。流域降水的年内分配极不均匀，降水主要集中在7—8月。气候变化对该流域的水面蒸发量分配的影响很明显，在12月—次年1月蒸发量达到最低水平，在5—6月最大，这种年内分配和气候变化存在密切的相关性。该流域径流量和输沙量在年际及年内分配变化均较大，最大径流量及输沙量多出现在7—8月。

1.2 研究数据

本文主要采用碧流河流域茧场水文站1971—2019年径流量和输沙量月尺度资料，所有水文资料数据均通过可靠性、一致性、代表性检验。

1.3 研究方法

本文对于水沙变化趋势检验主要用M-K非线性显著检验方法对径流量和输沙量指标变化特征进行显著变化特征的分析。该方法将径流量、输沙量序列作为样本序列对其统计变量S进行计算：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—径流量、输沙量样本序列显著性检验统计变量；xi、xj—来自同一个样本总体的两个样本数据系列；σs—方差标准计算值；sign—计算变量；n—总的样本序数；Z—检验特征变量，当Z>0时表示径流量、输沙量呈现递增变化趋势，否则呈现递减变化趋势，当|Z|>2.32、1.64<|Z|<2.32、1.28<|Z|<1.64时则分别表示变化趋势的显著性可分别达到99%、95%、90%的置信水平。

2 水沙变化特征分析

2.1 不同季节水沙距平分析

结合流域茧场水文站1971—2019年月径流量和月输沙量数据，对茧场站不同季节径流量和输沙量距平率进行统计，结果见表1。

表1 碧流河茧场站1971—2019年不同时期各季节水沙距平率统计结果 单位：%

碧流河流域水沙变化受气候变化和人类活动影响加大，从碧流河茧场水文站1971—2019年不同时期各季节水沙距平率统计结果可看出，不同季节径流量和输沙量距平具有同步变化特征，水沙变化较大，径流量和输沙量距平较大的季节主要集中在夏季，不同时期夏季径流量和输沙量距平最大值分别为146.82%和225.11%，其他季节水沙距平率均为负值，表明各时期除夏季外，其他季节径流量和输沙量均有所减少。不同时期各季节水沙距平率变化无明显规律，这主要是因为碧流河流域为典型的北方季节性河流，其降水主要集中夏季，夏季径流量占全年径流总量的70%左右，而径流和输沙量总体具有同步性，使得输沙量也主要集中夏季。

2.2 不同季节水沙变化趋势

在不同时期各季节径流量和输沙量距平分析的基础上，采用M-K非线性显著检验方法对不同时期各季节的水沙变化特征进行趋势检验，结果见表2。

从检验结果可看出，夏季各时期径流量和输沙量增长趋势较为显著，除2000—2019年外，其余各时期的非线性显著检验统计值均高于1.2，其递增显著性水平可达到90%。春季、秋季及冬季变化趋势总体相对较弱，2000—2009年各季节水沙都呈现递减变化，但趋势显著性较低。从1971—2019年全年趋势检验统计值可看出，检验值总体呈现递增变化，均高于1.2，夏季递增变化趋势较为显著，其他季节显著性较弱。

表2 碧流河茧场站1971—2019年不同时期各季节水沙变化趋势检验结果

2.3 年水沙丰枯分析

采用模比系数差积方法对碧流河茧场水文站1971—2019年的水沙丰枯变化特征进行分析，结果见表3。

表3 碧流河茧场站不同时期年径流量和年输沙量模比系数差积分析结果

从分析结果可看出，可划分2个阶段，在1971—1979年、1980—1989年、1990—1999年3个时期内，年径流模比系数差积为负值，但总体呈现递减变化；从2000年开始，其年径流量模比系数差积总体呈现递增变化，因此2000年为茧场水文站年径流量变化的转折点，2000年以前茧场水文站为相对枯水时期，从2000年开始进入相对丰水时期。年输沙量和年径流量的模比系数差积的变化具有同步特征，变化转折点也在2000年，2000年以前茧场水文站处于枯沙时期，2000年开始进入丰沙时期。

3 水沙影响主因分析

结合黄霄[13]水沙影响贡献率分析方法对碧流河茧场水文站水沙影响的2个主要因素：降水变化和人类活动影响贡献率进行分析，结果见表4—5。

从分析结果可知，2000年为碧流河茧场水文站水沙丰枯变化转折点，而该站水沙丰枯转变主要受降水变化以及人类活动影响，为此对该站水沙变化的2个主因进行不同时期贡献率的分析。从分析结果可看出，对于径流量和输沙量而言，降水变化影响的贡献率分别为65.78%、66.17%，人类活动影响的贡献率分别为34.22%、23.83%。降水变化对碧流河茧场水文站水沙影响贡献率高于人类活动影响，因此水沙变化的主因为降水变化，这主要是因为降水量直接影响了河道径流补给量，而由于径流和输沙量变化具有同步特征，径流量的变化使得河道输沙量产生相应的变化，因此对于碧流河茧场水文站水沙变化影响而言，降水变化影响要高于人类活动影响。

表4 碧流河茧场水文站径流量影响贡献率分析结果

表5 碧流河茧场水文站输沙量影响贡献率分析结果

4 主要结论

(1)碧流河流域茧场水文站水沙呈现20年的丰枯变化周期，1971—1999年为枯水枯沙期，2000—2019年为丰水丰沙期，因此2020年开始将会进入一段时间的枯水枯沙期，建议做好2020年以后碧流河流域水量调度计划，以免影响流域水资源可持续利用。

(2)碧流河流域茧场水文站降水变化影响对径流量和输沙量的贡献率分别为65.78%和66.17%，人类活动影响的贡献率分别为34.22%和23.83%，人类活动对碧流河茧场水文站以上流域水沙影响虽然较小，但还是要严控区域内人类活动的影响。

(3)本文主要选取降水变化和人类活动两个主因进行水沙影响度的分析，考虑因子相对较少，在后续研究中还应重点考虑气温等气候变化因子对流域水沙的影响程度。