潁河干流水沙特性及其變化研究

陳曉成

(安徽省阜陽水文水資源局，安徽 阜陽 236000)

潁河是淮河最大一級支流，是淮河沙源的主要河流，發源于河南省登封縣嵩山，經周口市、安徽省阜陽市，在壽縣正陽關入淮河，全長620km，流域面積36728km2。阜陽閘站位于潁河干流的中下游，控制面積35246km2，1955年起開始降水量、流量和懸移質輸沙等項目監測。由于1960年以前的水沙資料部分年份不連續，本次分析采用阜陽閘站的1961—2020年共60年的實測水沙資料系列。

受人類活動和氣候變化等因素的影響，近年來潁河的水沙特征發生了顯著的變化，潁河阜陽閘站的年均輸沙量由上世紀60年代的1500萬t左右，減少至2000年之后的190萬t左右，減少了87.6%，最近10年(2011—2020)年平均輸沙量為31.6萬t，比多年平均減少了96.1%。穎河輸沙量變化如此之大，是氣候變化所致還是人類活動影響？為更深入地了解潁河水沙變化特性和規律，本文依據阜陽閘站的水沙實測成果資料，通過數理統計、相對極差、變異系數、雙累積曲線、相關性分析等方法對水沙歷史變化趨勢和原因進行分析探討，為潁河“十四五”規劃治理提供參考依據。

1 水沙變化分析

1.1 水沙年內變化

徑流量、輸沙量年內變化大，5—9月的徑流量占全年70%，輸沙量占全年的97%。最大月均徑流量10.34億m3(7月)，最小月均徑流量1.020億m3(2月)，相差10.14倍。最大月均輸沙量36.6萬t(7月)，最小月均輸沙量0.24萬t(11月)，輸沙量主要集中在主汛期的洪水過程期間。

1.2 水沙年際變化及趨勢

繪制阜陽閘站1961—2020年年平均徑流量、輸沙量、含沙量過程線，如圖1所示，按10a時段統計計算年均徑流量、輸沙量、含沙量平均值、相對極差和變異系數，見表1。從圖1(a)和表1可知：近60年阜陽閘站多年平均徑流量為39.31億m3，各年代平均徑流量呈現交替曲線，總體趨勢在減少。多年平均徑流量的相對極差小于輸沙量相對極差，多年平均徑流量的變異系數小于輸沙量和含沙量的變異系數，表明徑流量年際均值變化幅度小。

從圖1(b)—(c)和表1統計表明：多年平均輸沙量810萬t，含沙量0.415kg/m3。各年代平均輸沙量及含沙量隨時間推移均呈明顯減小趨勢，歷年趨勢線的下降幅度進行比較，年徑流量最小，年含沙量最大，年輸沙量次大。2000年以來，年輸沙量和年含沙量減少至多年均值以下。1970年前10年含沙量均值為0.916kg/m3，2020年前10年含沙量均值為0.044kg/m3，相差20.82倍。1970年前10年年均輸沙量為1530萬t，到2020年的前10年減少到31.6萬t，減少了96.1%。

2 水沙關系分析

2.1 水沙集中度比較

根據降水、徑流、輸沙量年內集中度統計表見表2，集中度及其出現時段的特點為：集中度依降水、徑流、輸沙量次序增大。最大3個月降水出現時間為6—8月，徑流、輸沙量出現時段為7—9月，滯后于降水1個月；最大4個月、5個月降水、輸沙同時出現在5—9月，但徑流量滯后于降水1個月。這與潁河干流各級節制閘的建成及調度運行，改變了天然徑流與泥沙特性，致使徑流、輸沙量年內分配較降水更為集中。

表1 潁河阜陽閘站不同年代水沙含量實測特征值統計

圖1 潁河阜陽閘站徑流量、輸沙量和含沙量逐年變化趨勢圖

表2 阜陽站降水、徑流、輸沙量集中程度分析表

2.2 水沙雙累積曲線分析

采用雙累積曲線的方法，點繪阜陽閘站1961—2020逐年累積徑流量與累計輸沙量關系如圖2所示。流域水沙特性如發生突變，在水量、沙量雙累計曲線圖上將表現出轉折，即累積曲線斜率增大或減小。從圖2可以看出，阜陽閘站水沙雙累積曲線斜率從世紀60年代以來發生兩次變化，1980年左右第一次變化、2000年左右第二次變化，每次變化都是逐漸向徑流軸偏轉，2000年以后斜率變化更大，輸沙量呈明顯減小趨勢。

圖2 潁河阜陽閘站年徑流量與年輸沙量累計曲線

2.3 水沙相關性分析

徑流量和輸沙量在一定程度上具有相似的變化特性，分析兩者之間的相關性，可以看出人類活動對其影響到程度。5—9月阜陽站輸沙量占全年的97%，徑流量占全年的70%，分時段分析水沙相關性，見表3。1961—1980年段，水沙相關性汛期各月均為高度相關(︱r|∈(0.7，1.0)，稱為高度相關)；1981—2000年段，汛期5個月有3個月為高度相關，2個月為顯著相關(︱r|∈(0.4，0.7)，稱為顯著相關)；2001—2020年段5個月均為顯著相關。總體而言，下一時段的相關關系較上一時段的相關關系減弱，水沙相關性隨年代逐漸減弱。

表3 阜陽閘站(5—9月)分階段水沙相關性分析表

3 結語

(1)徑流量、輸沙量年內分配不均，主要集中在5—9月；年代徑流量變化不顯著，總體有減少趨勢；年代輸沙量及含沙量隨時間推移均呈明顯減小趨勢，變化顯著，輸沙量、含沙量年際遞減速度比徑流量快，沙量的年際變異系數大于徑流量變異系數。這是由于在潁河上游先后修建大、中型水庫，干支流建有多座節制閘，水利工程攔蓄攔沙作用明顯，同時潁河流域不斷治理，加強水土保持等，導致潁河干流沙量隨年代持續減小。

(2)水沙集中度依降水、徑流、輸沙量次序增大。這與潁河干支流水利工程建成及調蓄調度，改變了天然徑流與泥沙特性，致使徑流、輸沙量年內分配較降水更為集中。

(3)徑流量、輸沙量雙累積曲線斜率60年來發生兩次變化，一次是1980年前后，一次是2000年前后，每次變化都是逐漸向徑流軸偏轉，2000年以后斜率變化更大。第一次突變時間點是改革開放后，區域耕作方式和種植結構發生了變化，地面裸土面積減小，下墊面環境得到修復，水土流失逐年改善。第二個突變時間點2000年前后，潁河治理力度加大，進行河道疏浚，堤防內居民住戶全部遷移出潁河灘地，沿潁河城市建成多處公園，硬化綠化面積擴大，堤防進行加固和綠化，水生態環境進行一步好轉，平均來沙量逐年減少趨勢更為明顯。

(4)水沙相關性分析顯示，受人類活動影響，下一時段的相關關系較上一時段的相關關系逐漸減弱。