北方旱区典型多沙河流水沙演变规律探究及成因分析

2018-03-29王晶娥

水利技术监督 2018年2期

王晶娥

(辽宁省阜新水文局，辽宁阜新 123000)

河流水沙演变规律分析是河流综合治理规划的重要依据。北方旱区河流存在水少沙多的特点，水沙演变规律分析对此类河流治理更为重要。当前，对水沙演变规律分析主要是结合实测数据，利用趋势检验[1- 5]及突变检验方法[6- 9]进行多尺度的分析。柳河是辽河的一级支流，位于辽宁西北部干旱沙丘地区，属于水土流失严重区域，区域水土流失量高达每年1560万t，近年来辽宁省开展多沙河流的综合治理，在综合治理规划时急需对多沙河流水沙演变规律进行分析。为此本文结合柳河干流主要控制站彰武水文站1968～2016年实测水沙数据，对柳河近49年的水沙演变特征进行定量分析。

1 区域概况及研究方法

1.1 区域概况

柳河从西北流向东南，流域内水土流失严重，洪水过程陡涨陡落，洪水历时短，河床冲淤变化特别剧烈。彰武水文站水文位于柳河中下游，在上游57km处建有闹得海大型水利枢纽工程，闹得海水库至彰武站区间面积971km2，区间有两条较小支流加入，还有大清沟中型水库一座。具体见图1。

图1 柳河站点分布图

1.2 研究方法

1.2.1趋势非线性检验方法

该方法假设时间数据序列(x1，x2，…，xn)为独立、随机同变量分布的样本序列，检验统计变量S计算方程为：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—正态分布的检验统计变量；xi和xj—同一样本中不同分布的两个系列，其中E(ck)=k(k-1)/4；σs—标准方差；sign—运算符号；n—样本的总个数；Z—检验值，若Z>0，检验的时间序列为上升变化趋势，Z<0，检验的时间序列为上下降变化趋势；Z的绝对值大于或等于2.32、1.64、1.28，表示通过置信度分别为99%、95%以及90%的显著性检验水平。

1.2.2突变分析方法

突变分定义一个统计量ck来分析n个独立的、随机变量同分布的样本数据序列(x1，x2，…，xn)，计算方程分别为：

(5)

E(ck)=k(k-1)/4

(6)

σ(ck)=k(k-1)(2k+5)/72

(7)

(8)

式中，m—第i个样本xi>xj(1≤j≤i)的累积数；E(ck)、σ(ck)—ck的均值和方差；UFk—ck的标准化；按逆序列数据(xn，xn-1，…，x1)重复上面过程，使|UBk=-UFk，k=n，n-1，…，UB1=0。如果UF和UB两条曲线在置信区间内出现交点，即为可能的突变点。

2 水沙演变特征分析

2.1 趋势特征分析

(1)年尺度趋势分析

结合彰武站1968～2016年实测水沙数据，分年尺度和汛期尺度对彰武站水沙趋势演变特征进行分析，如图2、3，并结合趋势统计方法对趋势特征进行检验，检验结果见表1。

图2 水沙年尺度分析结果

时间尺度径流量/108m3输沙量/106t年尺度-5.49-6.65汛期-4.66-5.82非汛期-5.99-6.99

图3 水沙月尺度分析结果

图5 不同时间尺度的彰武站水沙突变特征结果

图2为水沙年尺度趋势特征分析结果，从图2可看出，柳河彰武站在过去的49年中，径流和输沙量呈现明显递减趋势，递减的幅度为-4×106m3/a，输沙量逐年递减的幅度为-3×105t/a，年水沙趋势检验统计值为-5.49和-6.65，绝对值均高于趋势检验统计Z达到99%的值，经检验达到显著递减。从汛期和非汛期看，和年水沙变化相似，彰武站汛期和非汛期水沙下降趋势也十分明显，检验统计值也均通过99%的递减显著性检验，非汛期水沙递减幅度分别为-3×105m3/a、3000t/a，而汛期水沙递减幅度分别为-8×105m3/a、75000t/a。可见，年水沙递减幅度明显高于汛期、非汛期，汛期水沙递减幅度明显高于非汛期。

2.2 水沙相关性特征

在水沙趋势特征分析的基础上，对柳河彰武水文站汛期和非汛期的水沙相关特征进行分析，如图4所示。

图4 彰武站水沙汛期、非汛期相关性特征

柳河汛期和非汛期水沙关系均在0.5以上，汛期受水量影响，其相关系数低于非汛期，在汛期，彰武站受上游水库控制影响，水沙影响较大，致使水沙相关性较差。而在非汛期，由于上游来水量的减少，上游水库对下游彰武站水沙关系影响较弱，水沙相关性逐步增强。

3 水沙突变特征分析

结合突变分析方法对柳河干流彰武水文站1968～2016年水沙突变特征进行分析，如图5所示。

从彰武站各时间尺度突变特征分析可看出，彰武站年水沙突变年份较为一致，主要发生在2006年，经过调查分析，突变原因在于2006年扩大城市引供水量后，水库供水量增加，使得下游彰武站的径流出现突变。径流的变化也直接导致了彰武站输沙量的突变。从汛期和非汛期水沙突变可看出，汛期径流突变和年突变较为一致，突变原因主要在于人类活动的影响。而汛期水沙未出现突变，主要是汛期沙量较大，一部分输沙量由于上游水库供水影响，沉积在了水库内，而后在水库放水后又重新进入河道，使得汛期总体输沙量为出现明显突变。

4 水沙演变成因分析

为对柳河水沙演变的成因进行分析，首先结合水沙双累积曲线分析人类活动对彰武站水沙演变影响，结果如图6所示。

水沙双累积曲线综合反映水沙变化的特征，受降水影响，水沙双累积曲线的斜率不发生变化，而当受到人类活动影响，水沙双累

图6 彰武水沙双累积曲线分析结果

积曲线的斜率发生偏移。从图6可看出，非汛期柳河主要控制站彰武站的水沙双累积曲线斜率较为一致，为发生偏移。因此在非汛期水沙演变主要原因在于区域径流量的递减，而区域径流量的递减一部分在于气候变化，另外由于近些年来，阜新地区加大了水保措施的治理，增加流域蓄水能力，使得区域径流量出现明显的递减趋势。而在汛期，其双累积曲线各散点变化十分紊乱，无法定线，可见在汛期人类活动对彰武站水沙关系影响十分显著。彰武水文站上游有闹德海水库，该水库除防洪功能外，重要的一项功能就是供水，在汛期水量较大的时候，供水量增加，使得下游河道水量和输沙量呈现明显变化，另一方面，由于水土保持措施治理影响，流域下垫面发生较为明显的变化，使得彰武站的汛期水沙变化较大。