太子河水沙多年变化规律及驱动因素分析

2020-09-25张阳

水利技术监督 2020年5期

张阳

(辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，辽宁沈阳 110003)

1 河流概况

太子河发源于新宾县红石砬子山，地处东经122°26′～124°53′、北纬40°29′～41°39′，河长413km，总面积为13883km2，主要有小汤河、清河、五道河、细河、南沙河、三道河、卧龙河等支流，流经营口、抚顺、鞍山、本溪、辽阳等5个城市。结合水利普查有关资料，太子河于海城市三岔河汇入浑河，属于浑河的一级支流。流域内年均降水量为700～800mm，其中70%～80%降水集中于6—9月的汛期；平均湿度为70%；年均气温为5～9℃；年均蒸发量为1100～1700mm，空间尺度上呈现出自东南向西北逐渐上升的趋势。太子河上的葠窝水库以上流域具有植被良好、森林茂密、山岭连绵、地势陡峭等特征，该河段占全流域的60%；辽阳至葠窝水库区间为低山丘陵地带，此河段植被覆盖少、人口密集且地势较缓，土壤侵蚀问题突出；辽阳以下河流坡度缓、断面浅、河道弯曲，河流泄洪能力差，极易引起洪涝灾害，该河段地势低属于平原区[1- 6]。

当前，对于太子河流域水沙变化及其驱动原因的研究较少，还没有形成明确的结论，但可预见水沙变化对下游流域及太子河河道产生极大的影响，同时也会改变河流的水生态条件。鉴于此，文章选取太子河流域为研究对象，对1973—2011年太子河干流辽阳水文站水沙变化规律运用EMD经验模态分解法、Pettitt法、Mann-Kendall检验法分析，通过分析人类取水拦沙、土地利用及气候变化的影响，探究驱动太子河水沙变化的因素，为流域水环境治理、水土保持规划、重大水利工程布局及水资源开发利用提供科学指导。

2 研究方法

2.1 EMD经验模态分解

文章选择EMD经验模态分解法对径流泥沙周期规律进行识别，其主要原理是以不同时间尺度的局部特征数据序列分解平稳化处理后的信号，IMF本征模函数即为每个分解量。将序列x(t)的局部极小值与极大值利用三次样条函数拟合下、上包络线，然后从原序列中减掉两个包络线的均值m1(t)，由此可以获取一个新序列h1(t)，即

h1(t)=x(t)-m1(t)

(1)

IMF本征模函数应满足局部最大值与最小值包络的均值为零以及过零点、极值点数目相等或最多相差一个的要求，为满足这两个条件可以限制标准差SD：

(2)

标准差SD的取值区间为0.2～0.3，按照以上方法多次反复运算直至输出符合条件的c1(t)，从原序列x(t)中分离以上确定的IMF分量，从而构造新序列r1(t)，即

r1(t)=x(t)-c1(t)

(3)

根据以上流程对构造的新序列再次处理，由此可以确定新的IMF，多次反复运算直至剩余序列为单调函数或无研究价值，最终输出一个趋势项rn(t)和一系列IMF分量ci(t)：

(4)

2.2 能量与权值计算

引入波动运动的能量概念探究各IMF对数据序列的贡献程度，振幅的平方与能量存在正相关性，设定X=Acosωt，对其进一步分解后有

(5)

采用公式(5)和前文输出的各IMF振幅、周期可以求解出能量，各IMF平均能量值等于相加平均后的数值，各IMF所占的能量权重即为平均总能量中各IMF平均能量所占的比例。

3 水沙变化规律及周期识别

3.1 年际变化趋势

太子河干流辽阳水文站水沙量统计数据见表1。由表1可知，太子河大部分时段的年来沙量、年来水量变化具有较好的同步性，除个别年份外其变化趋势比较统一。来沙量与来水量的多年平均值分别为1.96×104t、12.15×108m3，变化幅度依次为0.35×104～5.12×104t、3.15×108～20.58×108m3，多年来呈非平稳波动态势，序列具有较大的变化。结合M-K检验可知，来沙量与来水量的变化斜率分别为-0.04、-0.12，二者均表现出减少趋势，并且呈显著减少趋势的为来沙量；根据变差系数值，来沙量的年际变化相对于来水量更加剧烈。

表1 1973—2011年辽阳水文站水沙量统计数据

来水量与来水量的突变检测值如图1所示。由图1可知，太子河流域辽阳站1999年、2001年的来沙量与来水量统计值最大，变化趋势达到显著性水平；通过分析距平累积图发现，20世纪90年代中后期来沙量和来水量达到峰值后，经历了较长时期的下降趋势，由此可认为导致径流泥沙突变的主要原因为20世纪90年代中后期水沙的大幅度变化。突变前后两个时段的来沙量多年均值分别为5.71×104、3.68×104t，来水量多年均值分别为12.03×108、8.96×108m3。

图1 太子河来沙量与来水量突变检测值

3.2 周期识别

通过能量权重计算以及对太子河辽阳水文站1973—2011年来沙量、来水量的EMD分解，最终可以输出一个Res项和4个IMF分量如表2、图2所示。结果显示：①IMF1波动周期下年来沙量与年来水量的主周期均为2年，能量权重依次为32%、36%，两者权重占据主导地位；相对于IMF1的波动IMF2变得较为缓和，年来沙量、年来水量的波动周期以3年和6年为主，年来水量波动出现了短暂的3年周期。年来沙量和年来水量的IMF3、IMF4波动周期分别以11、18年和15、35年为主。②结合Res项输出结果，研究期间年来水量总体呈减少趋势，20世纪90年代之前年来沙量出现小幅度的上升，而在后期出现显著的下降。③相对于20世纪90年代中期之前年来沙量、年来水量的IMF波动幅度均发生改变，年来沙量的IMF1、IMF2和年来水量的IMF1振幅呈下降趋势，从IMF3、IMF4振幅的角度来看，年来水量呈增大趋势，研究时区内周期尺度未发生改变。

图2 EMD分解量与原始数据

表2 年来沙量和来水量能量权重及IMF周期

3.3 径流泥沙演变驱动因素

(1)气候变化。统计整理太子河干流辽阳气象站的蒸散发、气温及降水数据，如图3所示。根据图3可知，1973—2018年太子河流域年均降水量为508.20～843.81mm，年均蒸发量为1022.85～1740.28mm，年均气温为5.26～9.06℃。5年滑动年降水量曲线未出现明显的改变，变化过程较为平缓，通过M-K检验计算出相应的统计值为-0.105，可见太子河流域1973—2018年的降水呈波动减少趋势，且降低幅度不显著。1990年后蒸发量与气温均呈上升趋势，其中1973—1990年、1990—2018年的平均气温分别为5.26～7.04℃和7.51～9.06℃，年均蒸发量依次为1022.85～1392.77mm、1165.71～1740.28mm，1990年前后的年均蒸发量和气温均明显增大；通过M-K检验计算，蒸发量、气温的统计值分别为0.81、5.12，由此表明，太子河流域1973—2018年的气温明显上升，而蒸发量上升趋势不显著。因此，泥沙明显减少受降水因素的影响较低，而与径流减少和气温上升带动蒸发量增加密切相关[7- 8]。

图3 太子河干流辽阳站蒸散发、气温和降雨量年际变化

(2)土地利用变化。1990、2005、2018年太子河流域土地利用类型变化见表3，由表3可知，草地与耕地为太子河流域主要用地类型，耕地与草地面积在1990、2005、2018年占比依次为87.29%、87.61%、86.72%。在土壤保持方面，耕地利用类型的效果极差，研究期间耕地面积呈小幅下降趋势，减少了77.75km2，草地面积总体呈先增加后减少的趋势，2005年较1999年增加了55.54km2，但总体未发生明显的改变。在经过两个时期变化后，蓄水保土能力较好的林地面积增加了97.18km2。研究期内，人类用地面积表现出先急剧增大后缓慢下降的趋势，总体增大了148.55km2，而未利用土地面积呈不断下降趋势，水域面积变化幅度较少[9- 11]。

表3 1990—2018太子河流域土地利用类型

自1990年建设实施的退耕还林工程对太子河流域来沙量、来水量产生了不同程度的影响。较径流量而言，泥沙减少幅度更加显著，随着沿河退耕还林面积的增加，太子河泥沙含量不断减少，退耕还林面积相比降水侵蚀对泥沙量的影响更加显著。

(3)人类活动用水变化。根据收集的统计资料、水资源公报、水利发展统计公报以及水资源开发利用调查评价等，在扣除地下水量的条件下计算出太子河辽宁省境内人类活动耗水量，结果见表4。由表4可知，1973—2018年人类活动所消耗的太子河流域水资源量呈不断增大趋势，总耗水量从1973年的0.98×108m3逐渐增大至2000年的2.75×108m3，年均增长量为0.07×108m3。太子河来水量的减少进一步增大了耗水量占水资源总量的比例，由于2004年、2012年社会经济的快速发展使得耗水量持续显著增大，最终达到4.12×108m3，较最初值增加了3.14×108m3，由此表明，太子河来水量减少受人类活动而引起的耗水量增加的影响较为显著。

表4 不同年代辽阳站以上流域总耗水量

(4)淤地坝工程。借鉴水利建设相关资料，整理统计太子河流域具有拦沙功能的淤地坝的拦沙量见表5。根据表5可以看出，截至2018年，太子河流域具有拦沙功能的中小型坝有720座、骨干坝有385座，其中骨干坝中已经淤积的库容有8246×104m3，因此这些淤地坝将进一步对太子河流域泥沙发挥拦截作用，骨干坝、中小型坝的年拦沙量达到0.072×108t和0.040×108t，由于计算过程中未考虑淤满的坝地，所以实际拦截的泥沙量较计算值更大；同时，针对淤地坝的控制范围内的沟坡滑塌、沟床下切等现象，未来将进一步得到改善，在不出现溃坝的情况下淤满的淤地坝还是可以发挥抗蚀功能。所以，在减少太子河泥沙方面淤地坝也发挥着一定的作用。