淮河流域蚌埠站水沙短周期變化趨勢分析

黃宇靖，張云峰,b，徐 雅,b

(鹽城師范學院 a.城市與規劃學院; b.江蘇沿海開發研究院,江蘇 鹽城 224007)

0 引 言

重要的地表過程主要表現有流域水沙的變化，其中陸海相互作用研究的重要組成部分是河口三角洲的響應以及河流沉積物的產生和運移。自上世紀60年代后，我國河流面臨的主要問題是沉積物的減少，趨勢下降得尤為顯著[1-2]。由于氣候、地理環境和人類活動等因素，淮河流域經常發生洪澇災害，對國家經濟發展具有重要影響。淮河流域覆蓋河南、湖北、安徽、江蘇和山東5個省，流域面積約27×104km2。水資源安全問題關系到一個國家和社會的發展與穩定，當前我國對外合作進行的“一帶一路”建設需要確保水資源安全[3]。淮河流域中下游的江蘇省在生態文明建設的指引下，不斷探索區域統籌協調的流域綜合治理[4]。蚌埠站和臨沂站的水量和沉積量是分析淮河流域水沙變化趨勢的代表站點[5-6]。基于臨沂站的水沙變化趨勢已有相關研究成果[7]。因此，本文利用淮河流域蚌埠站的水文監測統計數據，對水沙變化的短期波動趨勢進行分析。

1 研究方法

一般采用時間序列分析的方法來研究水和沉積物的短期變化。由于線性傾向估計法以及平滑預測法具有顯著性的優點而得到廣泛的應用，一是能夠揭示出定性的變化趨勢，二是可以顯著性地檢驗結果[8]。

1.1 線性傾向估計法

建立xi和ti的回歸方程：

式中：xi為樣本大小n；ti為對應于xi的時間；a為回歸常數；b為回歸系數，變量趨勢由符號正負表示。當b>0時，表示x隨時間t的增加而增加；而當b<0時，表示x隨時間t的增加而增加減少趨勢。a和b可以通過最小二乘法估計。

1.2 平滑預測法

隨著時間的推移，變化的趨勢變得更加明顯，因為數據通常以平滑的預測方式處理，以消除機會因素對變量的影響。

如果時間序列是y1,y2,…,yn，則下一時段(t+1)的預測值如下：

2 結果分析

本文涉及的淮河水文觀測站水沙變化特征的物理定義如下：在單位時間內通過流域單位面積內水量即指徑流量，通常用立方米(m3)為單位；在單位的時段內通過河流某斷面的泥沙重量稱為該時段河流的輸沙量，通常以千克(kg)或噸(t)為單位；在一定體積的含有泥沙的渾水中所含的干沙的質量即指含沙量，通常以千克/每立方米為單位(kg/m3)，有時用克/每立方厘米為單位(g/cm3)；河流某斷面以上一定面積上所輸移的泥沙數量即指輸沙模數，通常以噸/平方公里·年為單位(t/km2·y)。

2.1 水沙輸運通量

根據目前統計的數據來看，淮河蚌埠水文站水沙存在一定的特征變化，見圖1。年徑流量的水量約在180×1012～640×1012m3之間，從局部看來，年徑流量的起伏變化比較大，其中在2002-2003年之間年徑流量有明顯的增長趨勢，年徑流量于2003年達到最大值，但在2003-2011年之間，年徑流量又迅速下降且于2011年降至最低。年輸沙量大約集中在110×104～797×104t之間，且年輸沙量在2011-2013年突然發生變化。年平均含沙量在0.05～0.21 kg/m3左右，但在2011和2015年平均含沙量突然發生巨大的變化，在2011年降至歷史最低又于2015年到達最高峰，最高達0.24 kg/m3，其余年份的含沙量波動較為正常。年輸沙模數約在10～70 t/y·km2之間，但年輸沙模數在2011-2013年發生突變，其中2011年年輸沙模數達到最小值。

2.2 水沙變化趨勢

在線性分析和移動平均分析及預測的基礎上，繪制出淮河流域蚌埠水文站各種水沙變化特征趨勢曲線，見圖2，它們都具有5年為一個半周期循環的趨勢變化。2005-2010是第一個5年，2010-2015是第二個5年。從整體看來，這些具有代表性的水沙特征量都趨于下降趨勢。其中，輸沙量隨著時間的變化呈現較快下降趨勢，輸沙模數隨著輸沙量的變化也呈現較快下降趨勢，而徑流量與含沙量卻呈現緩慢下降趨勢。究其原因，可能是：①輸沙能力的減弱源于河流的年徑流量下降；②大型水庫或淤地壩的攔沙效率遠大于攔水效率；③人為活動的影響；④植被覆蓋率增加[9]。

圖1 淮河流域蚌埠站水和沉積物變化量Fig.1 Water and sediment changes in the Huaihe River Basin

圖2 淮河蚌埠站水沙變化線性傾向估計分析和平滑預測Fig.2 The linear regression and smoothing forecasting method about water-sediment variation based on Bengbu hydrologic in Huaihe River basin

2.2.1 含沙量變化趨勢

根據蚌埠站的水文數據來看，該站的年平均含沙量常年達到0.1 kg/m3以上，并且在個別年份達到0.2 kg/m3以上，在2015年的數據上，該站的年平均含沙量達到歷年以來的最高，達到0.24 kg/m3的危險含沙量。這些數據引起蚌埠水文站的高度注意，當地政府也采取了相應措施，在接下來的幾年里，將含沙量重新控制到一個安全的水平。不過蚌埠的水體含沙量仍然處于一個較高的水平，對于含沙量的檢測仍然是重點控制對象[10-11]。蚌埠的水體含沙量呈現出波動下降趨勢，大體為每5年一個半周期。由于水土流失等原因，含沙量在2010-2015年間出現上升現象。雖然含沙量整體是下降趨勢，但如果不進行人為的把控，那么很可能在未來的某一年就會出現降雨量與含沙量同時大幅上漲的情況產生。因此，要控制好蚌埠水體含沙量的上漲趨勢，及時測算水利工程的抗壓程度，做好萬全的打算，不要讓水體出現無法預料的危險局面[10]。

2.2.2 輸沙量變化趨勢

根據輸沙量數據圖來看，蚌埠的總體輸沙量還是呈現一個整體下降的趨勢，這也得益于當地政府的管控措施，使得近十幾年來該流域的水體含沙量不斷減少。但即使這樣，該河的水體含沙量也不能說就一定會處于安全的狀態，個別年份的含沙量極端變化仍然需要我們去注意。年平均輸沙量的逐年降低也說明沿河地區的水土流失的預防取得了長足的進步，同時也應該注意到在水體含沙量降低后，河內水生生物的生存情況。因為在某些情況下，水土流失的多少也代表著該河流域內水生生物攝入營養的多少，不能一味地關注水土流失而忽視了流域內的生態平衡[12]。

3 結 論

1) 從水和沉積物輸送通量的角度來看，年徑流量、年輸沙量、含沙量和輸沙模數整體變化不大，趨于平穩。但年輸沙量在2011-2013年發生變化，含沙量在2011和2015年發生變化，輸沙模數在2011-2013年發生變化。

2) 從水和沉積物的變化趨勢可以看出，這些特征量都呈下降趨勢。但其中輸沙量和輸沙模數隨時間變化呈較快下降趨勢，而徑流量與含沙量呈較慢下降趨勢。

3) 在水沙周期性方面，年平均輸沙量、徑流量、泥沙濃度和輸沙系數均為5年半周期。河流水沙的變化受到地理環境的影響，尤其是氣候和降水的影響。但是隨著人類活動日趨頻繁，對河流水沙的影響越來越大。