澧水流域徑流泥沙變化及驅(qū)動力研究

劉碧維，宋 楠，耿勝慧，陳 茜

（1.湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院，湖南長沙410007；2.湖南省水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙410131）

澧水是湖南省四大河流之一，流域內(nèi)暴雨徑流量大，荒山跡地多，地質(zhì)構(gòu)造運動活躍，為湖南省水土流失嚴(yán)重地區(qū)之一[1]。隨著人類活動不斷增強(qiáng)，洞庭湖各主要支流的徑流量和輸沙量發(fā)生了顯著變化，引起了國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注，他們針對洞庭湖流域的徑流泥沙變化特征、演變規(guī)律和驅(qū)動因素開展了一系列研究[2-4]。然而，以往的研究主要集中在洞庭湖全流域上，以澧水單個流域水沙演變?yōu)檠芯繉ο蟮南鄬^少，且采用的統(tǒng)計方法也較為傳統(tǒng)。因此本研究采用Pearson相關(guān)系數(shù)法對澧水年徑流量及年輸沙量的演變規(guī)律進(jìn)行分析，研究氣候變化（主要為降水）和人為活動（主要是水土保持綜合治理）兩大因素對澧水年徑流量和年輸沙量的影響，以期為深入認(rèn)識澧水乃至洞庭湖流域水沙演變規(guī)律提供思路和參考。

1 流域概況

澧水發(fā)源于湖南省桑植縣杉木界（北源），流經(jīng)桑植、張家界、慈利、石門、澧縣、津市等縣市，于小渡口注入西洞庭湖，全長390 km，流域面積18583 km2。主要支流有溇水、渫水、道水和涔水。流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候區(qū)，氣候溫和，雨量豐沛，四季分明，光照充足；年平均溫度16～18℃，多年平均降水量在1200～1600mm，流域內(nèi)由于大氣環(huán)流和復(fù)雜地形的影響，降水量年內(nèi)變化大，且集中程度高，4～9月降水量占年總量的72%～78%，位于桑植境內(nèi)的八大公山年均降水量可達(dá)2 300 mm，是湖南省三大暴雨區(qū)之一[5]。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

年徑流量和年輸沙量選用澧水流域把口站三江口水文站1955～2009年同步資料，年降水量選用1955～2009年五道水、涼水口、南岔、大庸、溪口、三江口、石門等7個雨量站逐年降水?dāng)?shù)據(jù)，資料均來自湖南省水文局。

2.2 研究方法

圖1 研究區(qū)雨量站示意圖Fig.1 Schematic diagram of rainfall station in study area

運用Pearson相關(guān)系數(shù)法來檢驗降水、徑流、輸沙與年份的相關(guān)關(guān)系。Pearson相關(guān)描述了兩定距變量間聯(lián)系的緊密程度，Pearson相關(guān)系數(shù)r是反映兩隨機(jī)變量線性相關(guān)性的統(tǒng)計量，r>0表明兩變量正相關(guān)，r<0表明兩變量負(fù)相關(guān)，r的絕對值越大表明相關(guān)性越強(qiáng)。其表達(dá)式為：

對于樣本容量為n的兩樣本序列，在已知自由度v=n-2和給定顯著性水平α的情況下，可通過查相關(guān)系數(shù)表的方法對r進(jìn)行顯著性檢驗，若|r|大于相關(guān)系數(shù)檢驗值則拒絕原假設(shè)H0即認(rèn)為兩變量線性相關(guān)是顯著的，否則就接受原假設(shè)H0即認(rèn)為兩變量線性相關(guān)性不顯著[6]。

3 結(jié)果分析

3.1 近55年澧水徑流泥沙演變規(guī)律

3.1.1 澧水年凈流量和輸沙量序列的趨勢性分析 根據(jù)澧水流域把口站三江口水文站1955～2009年輸沙量和徑流量數(shù)據(jù)，點繪其年徑流量、年輸沙量及相應(yīng)5年滑動平均值序列（見圖2）。

圖2 1955～2009年澧水流域年徑流量和年輸沙量年際波動Fig.2 Interannual fluctuation of annual runoff and annual discharge in Lishui River from 1955 to 2009

由圖2可以看出，澧水流域年徑流量和年輸沙量年際波動很大，但呈現(xiàn)基本一致的變化規(guī)律，即大水大沙。但由于其隨年際波動變化現(xiàn)象明顯，從中并不能直觀地看出其變化規(guī)律，為了探尋年徑流量和年輸沙量隨年份的長期變化規(guī)律，筆者借助于Pearson相關(guān)系數(shù)法對年輸沙量和徑流量進(jìn)行趨勢顯著性檢驗。經(jīng)計算，澧水1955～2009年年輸沙量和徑流量的Pearson相關(guān)系數(shù)r分別為-0.35和-0.09。取顯著水平α=0.01，則自由度v為53時相應(yīng)的檢驗臨界值tα＝0.345。由于輸沙量|r|>t α，因此，澧水流域近55年來年輸沙量在0.01顯著性水平上呈現(xiàn)明顯下降趨勢，而年徑流量沒有明顯的變化趨勢。

3.1.2 澧水年徑流量和輸沙量序列的階段性分析 降水-輸沙雙累積曲線常被用于檢測輸沙在年際間波動變化規(guī)律。即如果它們之間斜率變大，即同樣降水量所對應(yīng)的輸沙量增多，也就是說區(qū)域輸沙增強(qiáng)，而斜率變小即意味著同樣降水所造成的流域輸沙量在減少[7]。通過建立澧水流域累積降水量和累積輸沙量關(guān)系（見圖3）表明，澧水流域雙累積曲線在1983年之前基本呈直線，但之后曲線斜率明顯減少，說明澧水流域從1983年開始，其輸沙強(qiáng)度開始下降，根據(jù)曲線斜率的變化可將澧水流域年降水-輸沙相關(guān)關(guān)系分成1955～1983年和1984～2009年2個時段。

3.2 澧水徑流泥沙演變的驅(qū)動力分析

影響流域徑流量和輸沙量的因素可分為自然和人為因素，其中又以氣候（主要是降水）和人類活動（如水利水保工程）對徑流、泥沙的變化影響較大[8]。下面重點分析降水和水利水保工程對澧水徑流泥沙演變的影響。

3.2.1 降水對澧水徑流泥沙演變的影響 降水是流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的動力條件，其大小與時空分布決定了流域徑流量和輸沙量的大小。在一定地表條件下，降水量越大流域徑流量和輸沙量也越大。也就是說，流域徑流量和輸沙量的變化與降水量的變化趨勢基本一致，只有在局部地區(qū)受水土保持?jǐn)r沙和水利工程蓄水等人為因素的影響時才會呈現(xiàn)出不一致的變化趨勢。

圖3 澧水流域年降水量和年輸沙量雙累積曲線Fig.3 The cumulative curve of annual precipitation and annual sediment discharge in Lishui River

收集1955～2009年五道水、涼水口、南岔、大庸、溪口、三江口、石門等7個雨量站點逐年降水?dāng)?shù)據(jù)，采用泰森多邊形面積加權(quán)后得到澧水流域年降水量年際波動（圖4）。由圖2、圖4可以看出：近55年來澧水年徑流量與年降水量變化的一致性較好，而年輸沙量與年降水量變化的一致性較差。進(jìn)一步借助Pearson相關(guān)系數(shù)法對年降水量進(jìn)行分析，結(jié)果表明，過去55年澧水流域年降水量并沒有明顯變化，不存在明顯趨勢（r=-0.024，p>0.1，n=55），同時澧水輸沙量呈明顯減少趨勢，故可以認(rèn)為研究期內(nèi)降水量對澧水輸沙量影響不顯著。

圖4 1955～2009年澧水流域年降水量年際波動Fig.4 Interannual fluctuation of annual precipitation in Lishui River from 1955 to 2009

3.2.2 水利水保工程對澧水徑流泥沙演變的影響 澧水年徑流量在時間序列上（1955～2009年）下降趨勢不明顯，這表明澧水水系發(fā)育，產(chǎn)水量大，因生產(chǎn)生活發(fā)展引起的工農(nóng)業(yè)、居民用水量增加尚未對澧水河流水文特征及其系統(tǒng)功能產(chǎn)生根本性影響，入湖徑流量未發(fā)現(xiàn)顯著變化；澧水入湖輸沙量在時間序列上（1955～2009年）呈明顯減少趨勢，在降水量沒有增加的情況下，其減少的主要原因是受到水土保持綜合治理和水利工程攔沙等人為因素的影響。對水利水保工程的實地調(diào)查印證了上述結(jié)論。從1980～2000年，澧水流域已相繼完成“七五”期間擬定的八條小流域共403 km2的治理工作。其中，生物措施治理了79.6 km2，工程措施控制泥石流面積0.48 km2，坡改梯2.3 km2，封山育林工作也得到了基本落實；完成了“長防”工程共29.2萬hm2的營林任務(wù)，全面改造、改種12萬hm2的油桐林；水土流失區(qū)的輕度流失和劇烈流失的面積得到了基本控制、改善和治理，其中，強(qiáng)流失區(qū)治理40%，中度流失區(qū)治理50%。

為發(fā)展農(nóng)田水利，澧水流域修建了一些大、中、小型水庫等蓄水工程，截止2009年12月底，澧水流域已建大、中、小型水庫9 000余座（大型水庫2座，中型水庫22座），其中澧水流域最大的兩座水庫江埡水庫（庫容17.4億m3）和皂市水庫（庫容14.4億m3）分別于1999年5月和2008年4月建成蓄水，對減少澧水入湖泥沙量發(fā)揮了重要作用。

在水土保持綜合治理和水利工程建設(shè)等人為驅(qū)動力的綜合影響下，澧水入湖泥沙量每年相應(yīng)減少約459.03×107kg。

4 結(jié)論

（1）近55年來澧水年徑流量沒有發(fā)生明顯變化，而年輸沙量呈顯著下降趨勢。根據(jù)階段性分析結(jié)果，認(rèn)為澧水泥沙的演變過程（1955～2009年）可分為2個階段，即1955～1983年和1984～2009年2個階段。

（2）對澧水水沙演變的驅(qū)動力分析結(jié)果表明，近55年來澧水年徑流量與年降水量變化的一致性較好，而年輸沙量與年降水量變化的一致性較差。由于澧水年降水量無明顯變化趨勢，故可認(rèn)為其年輸沙量顯著減少的主要原因是人為作用，水土保持綜合治理工程的實施和水利工程攔沙導(dǎo)致澧水入湖泥沙量每年相應(yīng)減少約459.03×107kg。

（3）1983年澧水年輸沙量發(fā)生突變的主要原因是澧水流域自20世紀(jì)80年代初開展了以小流域綜合治理為模式的大規(guī)模水土流失治理，水土保持治理初顯成效，加之一些水利工程的興建有效攔截了泥沙下泄。

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