蒲河流域近60年水沙演變特征分析

袁 鑫

(遼寧生態工程職業學院，遼寧 沈陽 110122)

蒲河屬于渾河右岸的一級支流，主要流經沈陽地區，屬于沈陽地區流域面積最大的中型河流。近些年來隨著蒲河生態長廊的建設規劃，蒲河流域的生態綜合治理至關重要，也將成為遼中地區經濟發展的新增長點[1]。流域水生態保護規劃重要內容在于對其水生態演變特征進行分析，而水沙是水生態演變特征分析的重要要素之一，尤其是徑流變化，是流域水循環變化的重要組成部分[2]。系統分析流域水沙演變，對于流域水資源保護、水生態規劃的合理、科學制定至關重要[3]。近些年來，蒲河流域水沙演變分析取得一定研究成果[4-13]，但這些研究成果均未對蒲河流域水沙變化特征進行系統分析，且研究的資料序列相對較多。為提高蒲河流域水沙演變分析的系統性和科學性，結合蒲河流域主要控制水文站大河泡站1960—2020年徑流和泥沙觀測數據，對其近60年水沙變化特征進行分析，并結合目前國內水文變量特征分析應用較為成熟的M-K趨勢顯著性檢驗法[14]和線性傾向率計算方法[15]對其水沙變化特征進行分析，研究成果對于氣候變化下蒲河流域水生態演變分析具有參考價值。

1 蒲河流域概況

蒲河流域面積2496km2，河流全長250km，流域暴雨天氣系統主要為華北氣旋和低壓冷風作用，7—8月是流域暴雨主要集中月份，夏季降水量占全年降水量的80%左右，多年平均降水量為500～600mm，多年平均徑流深在350～450mm之間。流域內地形主要以平原為主，丘陵區占流域總面積的比重為12.5%。流域內植被覆蓋相對較好，植被覆蓋率總體可達到30%左右。棋盤山水庫、東陵、裕國、大河泡、遼中為其主要控制水文站，其中棋盤山水庫、東陵站、遼中站徑流受水利工程影響較為明顯，使得資料的代表性和一致性相對較差，裕國站資料序列相對較短，不能滿足蒲河流域水沙演變系統分析的要求，因此大河泡為理想研究站點。大河泡建站時間較長，為此結合大河泡水文站1960—2020年徑流和泥沙觀測數據，對其近60年水沙變化特征進行分析，并結合一致性、可靠性、代表性對水沙數據系列進行檢驗，檢驗均滿足水文數據分析要求，建立的水沙數據系列可用來進行蒲河流域水沙變化特征的分析。

2 研究方法

徑流、泥沙變化趨勢采用Mann-Kendall方法進行顯著性檢驗，該方法主要通過對年和月尺度徑流、泥沙數據系列進行特征統計，其統計變量計算方程為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—水沙觀測數據系列趨勢檢驗特征統計變量；xi、xj—水沙觀測數據系列正向、反向樣本統計數據系列；σs—觀測數據數據系列標準方差；sign—變量計算符號；n—水沙統計數據序列樣本總數；Z—不同檢驗水平下的變量特征值，當Z>0表示水沙變化總體呈現遞增變化，反之則表示水沙變化總體呈現遞減變化。99%置信檢驗水平下|Z|高于2.32，95%置信檢驗水平下|Z|在1.64～2.32之間，90%置信檢驗水平下|Z|在1.28～1.64之間。此外對水沙變化傾向率采用一元線性回歸方程進行計算：

(5)

3 徑流演變分析

3.1 年尺度演變特征

結合蒲河流域大河泡水文站1960—2020年徑流觀測數據，對各年代際徑流變化的距平值、離差累積值、極差值進行統計，并結合M-K非線性顯著性檢驗方法對其各年代際徑流變化趨勢進行檢驗，年尺度徑流演變特征統計結果見表1。

表1 蒲河流域大河泡水文站1960—2020年年徑流變化特征統計結果

從蒲河流域大河泡水文站1960—2020年年徑流變化特征統計結果可看出，近60年大河泡水文站徑流總體呈現遞減變化，但遞減趨勢不顯著，年尺度遞減趨勢檢驗值為-0.43，未通過90%的M-K非線性顯著性檢驗水平。不同年代徑流線性傾向率為-13.5×104m3/10a，各年代中除2000年代和2010年代呈現遞增變化外，其他年代際徑流均呈現遞減變化，80年代蒲河流域徑流變化遞減趨勢較為明顯，其遞減趨勢檢驗值為-1.77，通過90%的變化趨勢顯著性檢驗，并分析其80年代為蒲河流域較枯年份，年代際降水量遠低于距平值。經對不同年代際離差累積值和極差值統計分析，各年代際徑流變化相對較為穩定，未出現明顯的豐枯周期變化。

3.2 月尺度演變特征

在蒲河流域大河泡水文站年尺度徑流變化特征分析的基礎上，對其汛期(6—9月)和非汛期(1—5月及10—12月)徑流變化特征進行統計，并對各年代際汛期和非汛期徑流變化趨勢進行檢驗，月尺度徑流演變特征統計結果見表2—3。

表2 蒲河流域大河泡水文站1960—2020年汛期徑流變化特征統計結果

表3 蒲河流域大河泡水文站1960—2020年非汛期徑流變化特征統計結果

從蒲河流域大河泡水文站1960—2020年汛期和非汛期徑流變化特征統計結果可看出，汛期徑流變化和年徑流變化較為一致，主要是因為大河泡水文站徑流主要集中在汛期的6—8月，汛期徑流量占全年徑流量的比重超過70%，從汛期不同年代際的變化趨勢檢驗值可看出，其總體趨勢檢驗值為-0.48，遞減趨勢顯著性要高于年尺度，而非汛期徑流變化趨勢檢驗為-0.11，總體也呈現弱遞減變化。汛期各年代際徑流變化的離差累積值和極差值也表明汛期徑流豐枯變化周期性不明顯，而非汛期的徑流變化的離差累積值和極差值總體要高于汛期，其各年代際豐枯變化周期性要高于汛期尺度。對于非汛期而言，在各年代際中除90年代和2000年代呈現遞減變化外，其他各年代際均呈現遞增變化，2010年代遞增趨勢最為明顯。不同年代際汛期和非汛期徑流線性傾向率分別為為-10.8×104m3/10a和-2.7×104m3/10a。

4 輸沙量演變分析

4.1 年尺度演變特征

在蒲河流域大河泡水文站1960—2020年年徑流變化特征分析的基礎上，對其不同年代際輸沙量變化特征進行統計分析，并結合M-K非線性顯著性檢驗對其各年代際輸沙量變化趨勢進行檢驗，分析結果見表4。

表4 蒲河流域大河泡水文站1960—2020年年輸沙量變化特征統計結果

從蒲河流域大河泡水文站1960—2020年年徑流變化特征統計結果可看出，其各年代際輸沙量變化和徑流變化較為一致，主要因為徑流作為泥沙主要運移的載體，其進入河道內的沙量主要是徑流量的影響，徑流量較大其輸沙量一般較高。不同年代際輸沙量變化總體呈現遞減變化，遞減趨勢檢驗值為-0.94，未通過90%的遞減趨勢顯著性檢驗。各年代際輸沙量線性傾向率為-35.2×104t/10a。在各年代際中除2000和2010年代外，其他年代際輸沙量均呈現遞減變化，2000和2010年代輸沙量遞減趨勢較為明顯，均通過90%的顯著性檢驗。從蒲河流域大河泡水文站年輸沙量變化的離差累積值和極差值分析可看出，和年徑流變化具有一致性，近60年以來蒲河流域大河泡水文站年輸沙量的豐枯變化較為穩定，周期變化不明顯。

4.2 月尺度演變特征

結合蒲河流域大河泡水文站1960—2020年輸沙量觀測數據，對其汛期和非汛期輸沙量的變化特征進行統計分析，結果見表5—6。

表5 蒲河流域汛期尺度降水量變化特征統計結果

表6 蒲河流域非汛期尺度降水量變化特征統計結果

從汛期和非汛期蒲河流域大河泡水文站輸沙量變化特征可看出，汛期輸沙量和年輸沙量變化具有一致性，各年代際中年尺度輸沙量遞增下其汛期輸沙量也呈現遞增變化，汛期輸沙量總體呈現遞減變化，遞減趨勢檢驗值為-0.23，遞減趨勢不顯著，未通過90%的顯著性檢驗。近些年來蒲河流域加大生態治理，流域植被覆蓋率提升明顯，使得進入河道內的輸沙量也明顯減少，各年代際輸沙量遞減傾向率為-28.2×104t/10a。非汛期蒲河流域大河泡水文站輸量也呈現弱遞增變化，非汛期各年代際輸沙量遞減傾向率為-7.04×104t/10a。從汛期和非汛期輸沙量變化的離差累積值和極差值變化可看出，汛期和非汛期輸沙量變化較為穩定，相比于年尺度，其豐枯變化周期性更為顯著。

5 水沙變化成因分析

結合參考文獻[15]的分析方法對蒲河流域各年代際水沙變化影響進行分析，其分析成果見表7—8。

表7 蒲河流域大河泡水文站各年代際徑流影響成因分析

表8 蒲河流域大河泡水文站各年代際輸沙量影響成因分析

從蒲河流域大河泡水文站各年代際水沙成因分析可看出，水沙變化主要是降水變化影響較大，降水變化影響相對貢獻率超過50%，是近60年蒲河流域水沙遞減變化的主要影響因子，主要受降水減少影響較為明顯。人類活動對水沙影響占比低于50%，對輸沙量影響相對貢獻率要高于對徑流的影響。尤其是近些年來，蒲河流域生態綜合治理后，其植被覆蓋率提升降低了流域的水土流失量，使得河道內的輸沙量有所減少。

6 結論

(1)蒲河流域2000、2010年代流域生態需水量得到有效補充，利于蒲河流域水生態保護，應進一步增強汛期水利工程調蓄功能，加大生態泄流。

(2)人類活動對輸沙量影響相對貢獻率要高于對徑流的影響，尤其是近些年來，蒲河流域生態綜合治理后，其植被覆蓋率提升降低了流域的水土流失量。

(3)本文研究的水文站點相對較少，存在不足，在后續研究中還應增加更多站點資料進行蒲河流域水沙變化的分析。