大凌河下游近55年水沙演變趨勢及突變特征分析

賈玉娟

(遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110003)

大凌河下游主要位于遼寧的西部區域，遼寧西部屬于水土流失較為嚴重的區域，近些年來，隨著氣候變化以及區域內水土流失治理力度的加大，大凌河下游的水沙關系受到不同程度的影響。對于區域水沙演變進行趨勢分析，有流域區域水生態規劃和治理措施的制定。國內學者對于流域水沙演變趨勢進行了許多相關研究[1-5]，當前水沙演變趨勢分析較為成熟的是顯著性突變檢驗方法[6-10]，為此文章根據顯著性突變檢驗方法，結合大凌河下游主要的控制站義縣水文站1961—2016年近55年的實測水沙數據，對大凌河下游的從1961—2016年的水沙演變進行趨勢分析。

1 區域概況及研究方法

1.1 區域概況

大凌河下游主要位于遼寧省錦州市內。義縣水文站位于錦州市義縣義州鎮東北街，白石水庫下游34km處，是大凌河的重要控制站，義縣集水面積為18723km2，義縣站距離河口的距離為103km。斷面保證水位65.12m，保證流量11000m3/s。白石水庫至義縣水文站洪水傳播時間7～10h。

1.2 數據資料概況

文章選用義縣站1961—2016年近55年實測日流量和日含沙量數據，數據來源為遼寧省水文年鑒，所有數據都通過了可靠性、一致性、連續性的三性檢驗，并統計了義縣站1961—2016年逐年和逐月的徑流量和輸沙量，用于分析不同時間尺度的水沙演變和突變特征的分析。

1.3 研究方法

1.3.1 趨勢非線性檢驗方法

采用M-K非線性趨勢檢驗方法對年和季節尺度的氣象要素進行檢驗，該方法假設時間數據序列(x1，x2，…，xn)為獨立、隨機同變量分布的樣本序列，檢驗統計變量S計算方程為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—正態分布的檢驗統計變量；xi和xj—同一樣本中不同分布的兩個系列，其中1≤j≤i≤n；σs—標準方差；sign—運算符號；n—樣本的總個數；Z—檢驗值，若Z>0，檢驗的時間序列為上升變化趨勢，若Z<0，檢驗的時間序列為上下降變化趨勢。Z的絕對值大于或等于2.32、1.64、1.28，表示通過置信度分別為99%，95%以及90%的顯著性檢驗水平。

1.3.2 突變分析方法

突變分析是定義一個統計量ck來分析n個獨立的、隨機變量同分布的樣本數據序列(x1，x2，…，xn)，計算方程分別為：

(5)

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

(6)

σ(ck)=k(k-1)(2k+5)/72

(7)

(8)

式中，m—第i個樣本xi>xj(1≤j≤i)的累積數，E(ck)和σ(ck)—ck的均值和方差，UFk—ck的標準化。按逆序列數據(xn，xn-1，…，x1)重復上面過程，使|UBk|=-UFk，k=n，n-1，…，UB1=0。如果UF和UB兩條曲線在置信區間內出現交點，即為可能的突變點。

2 水沙演變趨勢分析

2.1 趨勢演變分析

文章結合義縣站實測流量和含沙量數據，統計了大凌河下游義縣站1961—2016年年徑流和年輸沙量的變化趨勢，分析結果如圖1和圖2所示。

從圖1中可以看出，大凌河下游的年徑流量總體呈現下降趨勢，經計算，其M-K統計為-1.62，通過95%的顯著性檢驗，大凌河下游年徑流呈現較為明顯的遞減趨勢。從年代際的徑流變化過程可以看出，在20世紀70年代和80年代大凌河下游年徑流量呈現一定上升趨勢，其他年代年徑流都呈現遞減趨勢。從圖3中可以看出，大凌河下游的年輸沙量也呈現較為明顯的遞減趨勢，其M-K統計值為-1.85，也通過95%的顯著性檢驗。從輸沙量年代際的變化趨勢可以看出，70年代大凌河下游輸沙量遞減，而徑流遞增，表明水土保持措施(退耕還林)起到較為明顯的效果。而80年代大凌河下游輸沙量遞增的原因主要是受到徑流遞增的影響。

2.2 水沙相關性分析

在水沙趨勢演變分析的基礎上，對大凌河下游義縣站各個季節的水沙相關關系進行分析，分析結果如圖3所示。

圖1 大凌河下游徑流量年變化趨勢

圖2 大凌河下游輸沙量年變化趨勢

圖3 大凌河下游不同季節水沙年相關性分析

從圖3中可以看出，大凌河下游在夏季、秋季、冬季的水沙相關性均較高，相關系數均高于0.6，呈現高度相關性，而在春季，由于出現奇異點，使得春季大凌河下游的水沙相關性低于其他幾個季節。可見，大凌河下游的環境變化未對區域水沙相關關系造成影響。區域水沙關系較好。基于該相關關系，可以建立大凌河下游水沙相關方程，結合氣候變化模式對未來水沙演變進行預測分析。

3 水沙突變特征分析

3.1 突變分析

結合顯著突變分析方法對大凌河下游年徑流和年輸沙量的突變特征進行分析，分析結果如圖4所示。

圖4 大凌河下游水沙突變特征分析

從大凌河下游年徑流和年輸沙量的突變特征分析結果可以看出，大凌河下游年徑流變化突變年份出現在1985年，而輸沙量突變的年份出現在1994年，而對義縣水沙關系有影響的水利工程為白石水庫，白石水庫運行年份為2000年，可見水利工程對大凌河下游水沙突變基本沒有產生影響，大凌河下游年徑流和年輸沙量突變原因主要是受氣候變化影響。

3.2 水沙關系突變分析

為分析人類活動對大凌河下游水沙關系的影響，結合徑流和輸沙量的雙累積曲線分析大凌河下游水沙關系的突變特征，分析結果如圖5所示。

圖5 大凌河下游汛期和非汛期的水沙雙累積曲線

水沙雙累積曲線綜合反映水沙變化的特征，當受降水影響，水沙雙累積曲線的斜率不發生變化，而當受到人類活動影響，水沙雙累積曲線的斜率發生偏移。從大凌河下游汛期和非汛期水沙雙累積曲線可以看出，汛期水沙累積曲線斜率發生偏移的年份為1994年，這主要是在1994年遼寧省頒發了水土保持條例，加強了遼寧西部水土保持的力度，使得在1994年水沙累積曲線出現斜率的偏移。從圖6可以看出在非汛期斜率偏移較為不明顯，這是由于非汛期水量和輸沙量較少，人類活動對水沙累積曲線的影響較弱。

4 結論

文章結合顯著突變檢驗方法對大凌河下游近55年的水沙演變趨勢進行特征分析，得出以下結論。

(1)受變化環境影響，大凌河下游徑流和輸沙量出現較為顯著的遞減趨勢，20世紀70年代受退耕還林的水保措施影響，大凌河下游輸沙量在徑流增加的情況下出現明顯的遞減。

(2)除春季外，其他季節水沙呈現高度正相關，可建立大凌河下游水沙相關方程，結合氣候變化模式對未來水沙演變進行預測分析。

(3)水利工程對大凌河下游水沙變化影響較弱，下游水沙變化主要受氣候變化影響。