碧流河繭場水文站1971—2019年水沙特征及成因探討

梁中華

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

人類活動和氣候變化對區(qū)域水沙影響最為顯著，與河湖健康、河流演變具有較為密切的聯(lián)系[1]。近年來隨著人類活動和全球氣候變化，許多河流的水沙關(guān)系受到顯著影響。國內(nèi)許多學者研究成果[2- 6]均表明，氣候變化和人類活動對流域徑流量和輸沙量影響顯著。氣候變化和人類活動使得碧流河流域徑流量和輸沙量產(chǎn)生較為明顯的遞增變化[7]。針對當前碧流河流域徑流量和輸沙量變化特征開展了不同程度的研究[8- 12]，這些研究成果均表明碧流河流域水沙變化特征較為明顯，徑流量變化率低于輸沙量的變化率，但對于不同時期碧流河流域水沙變化特征尤其是水沙豐枯變化的研究較少，為此本文結(jié)合碧流河干流繭場水文站1971—2019年徑流量和輸沙量資料，對其水沙變化特征進行分析，研究成果對于碧流河流域綜合治理規(guī)劃具有重要的參考意義。

1 區(qū)域概況及研究方法

1.1 碧流河流域概況

碧流河是遼寧省大連、營口地區(qū)最大河流。流域降水的年內(nèi)分配極不均勻，降水主要集中在7—8月。氣候變化對該流域的水面蒸發(fā)量分配的影響很明顯，在12月—次年1月蒸發(fā)量達到最低水平，在5—6月最大，這種年內(nèi)分配和氣候變化存在密切的相關(guān)性。該流域徑流量和輸沙量在年際及年內(nèi)分配變化均較大，最大徑流量及輸沙量多出現(xiàn)在7—8月。

1.2 研究數(shù)據(jù)

本文主要采用碧流河流域繭場水文站1971—2019年徑流量和輸沙量月尺度資料，所有水文資料數(shù)據(jù)均通過可靠性、一致性、代表性檢驗。

1.3 研究方法

本文對于水沙變化趨勢檢驗主要用M-K非線性顯著檢驗方法對徑流量和輸沙量指標變化特征進行顯著變化特征的分析。該方法將徑流量、輸沙量序列作為樣本序列對其統(tǒng)計變量S進行計算：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—徑流量、輸沙量樣本序列顯著性檢驗統(tǒng)計變量；xi、xj—來自同一個樣本總體的兩個樣本數(shù)據(jù)系列；σs—方差標準計算值；sign—計算變量；n—總的樣本序數(shù)；Z—檢驗特征變量，當Z>0時表示徑流量、輸沙量呈現(xiàn)遞增變化趨勢，否則呈現(xiàn)遞減變化趨勢，當|Z|>2.32、1.64<|Z|<2.32、1.28<|Z|<1.64時則分別表示變化趨勢的顯著性可分別達到99%、95%、90%的置信水平。

2 水沙變化特征分析

2.1 不同季節(jié)水沙距平分析

結(jié)合流域繭場水文站1971—2019年月徑流量和月輸沙量數(shù)據(jù)，對繭場站不同季節(jié)徑流量和輸沙量距平率進行統(tǒng)計，結(jié)果見表1。

表1 碧流河繭場站1971—2019年不同時期各季節(jié)水沙距平率統(tǒng)計結(jié)果 單位：%

碧流河流域水沙變化受氣候變化和人類活動影響加大，從碧流河繭場水文站1971—2019年不同時期各季節(jié)水沙距平率統(tǒng)計結(jié)果可看出，不同季節(jié)徑流量和輸沙量距平具有同步變化特征，水沙變化較大，徑流量和輸沙量距平較大的季節(jié)主要集中在夏季，不同時期夏季徑流量和輸沙量距平最大值分別為146.82%和225.11%，其他季節(jié)水沙距平率均為負值，表明各時期除夏季外，其他季節(jié)徑流量和輸沙量均有所減少。不同時期各季節(jié)水沙距平率變化無明顯規(guī)律，這主要是因為碧流河流域為典型的北方季節(jié)性河流，其降水主要集中夏季，夏季徑流量占全年徑流總量的70%左右，而徑流和輸沙量總體具有同步性，使得輸沙量也主要集中夏季。

2.2 不同季節(jié)水沙變化趨勢

在不同時期各季節(jié)徑流量和輸沙量距平分析的基礎(chǔ)上，采用M-K非線性顯著檢驗方法對不同時期各季節(jié)的水沙變化特征進行趨勢檢驗，結(jié)果見表2。

從檢驗結(jié)果可看出，夏季各時期徑流量和輸沙量增長趨勢較為顯著，除2000—2019年外，其余各時期的非線性顯著檢驗統(tǒng)計值均高于1.2，其遞增顯著性水平可達到90%。春季、秋季及冬季變化趨勢總體相對較弱，2000—2009年各季節(jié)水沙都呈現(xiàn)遞減變化，但趨勢顯著性較低。從1971—2019年全年趨勢檢驗統(tǒng)計值可看出，檢驗值總體呈現(xiàn)遞增變化，均高于1.2，夏季遞增變化趨勢較為顯著，其他季節(jié)顯著性較弱。

表2 碧流河繭場站1971—2019年不同時期各季節(jié)水沙變化趨勢檢驗結(jié)果

2.3 年水沙豐枯分析

采用模比系數(shù)差積方法對碧流河繭場水文站1971—2019年的水沙豐枯變化特征進行分析，結(jié)果見表3。

表3 碧流河繭場站不同時期年徑流量和年輸沙量模比系數(shù)差積分析結(jié)果

從分析結(jié)果可看出，可劃分2個階段，在1971—1979年、1980—1989年、1990—1999年3個時期內(nèi)，年徑流模比系數(shù)差積為負值，但總體呈現(xiàn)遞減變化；從2000年開始，其年徑流量模比系數(shù)差積總體呈現(xiàn)遞增變化，因此2000年為繭場水文站年徑流量變化的轉(zhuǎn)折點，2000年以前繭場水文站為相對枯水時期，從2000年開始進入相對豐水時期。年輸沙量和年徑流量的模比系數(shù)差積的變化具有同步特征，變化轉(zhuǎn)折點也在2000年，2000年以前繭場水文站處于枯沙時期，2000年開始進入豐沙時期。

3 水沙影響主因分析

結(jié)合黃霄[13]水沙影響貢獻率分析方法對碧流河繭場水文站水沙影響的2個主要因素：降水變化和人類活動影響貢獻率進行分析，結(jié)果見表4—5。

從分析結(jié)果可知，2000年為碧流河繭場水文站水沙豐枯變化轉(zhuǎn)折點，而該站水沙豐枯轉(zhuǎn)變主要受降水變化以及人類活動影響，為此對該站水沙變化的2個主因進行不同時期貢獻率的分析。從分析結(jié)果可看出，對于徑流量和輸沙量而言，降水變化影響的貢獻率分別為65.78%、66.17%，人類活動影響的貢獻率分別為34.22%、23.83%。降水變化對碧流河繭場水文站水沙影響貢獻率高于人類活動影響，因此水沙變化的主因為降水變化，這主要是因為降水量直接影響了河道徑流補給量，而由于徑流和輸沙量變化具有同步特征，徑流量的變化使得河道輸沙量產(chǎn)生相應(yīng)的變化，因此對于碧流河繭場水文站水沙變化影響而言，降水變化影響要高于人類活動影響。

表4 碧流河繭場水文站徑流量影響貢獻率分析結(jié)果

表5 碧流河繭場水文站輸沙量影響貢獻率分析結(jié)果

4 主要結(jié)論

(1)碧流河流域繭場水文站水沙呈現(xiàn)20年的豐枯變化周期，1971—1999年為枯水枯沙期，2000—2019年為豐水豐沙期，因此2020年開始將會進入一段時間的枯水枯沙期，建議做好2020年以后碧流河流域水量調(diào)度計劃，以免影響流域水資源可持續(xù)利用。

(2)碧流河流域繭場水文站降水變化影響對徑流量和輸沙量的貢獻率分別為65.78%和66.17%，人類活動影響的貢獻率分別為34.22%和23.83%，人類活動對碧流河繭場水文站以上流域水沙影響雖然較小，但還是要嚴控區(qū)域內(nèi)人類活動的影響。

(3)本文主要選取降水變化和人類活動兩個主因進行水沙影響度的分析，考慮因子相對較少，在后續(xù)研究中還應(yīng)重點考慮氣溫等氣候變化因子對流域水沙的影響程度。