淺析淮河干流水沙時空分布變化及來沙趨勢預測

王韻哲

（安徽省淮河河道管理局，安徽 蚌埠 233000）

1 基本情況

淮河中游安徽段有魯臺子、吳家渡等主要水文測站。其中，魯臺子水文站位于淮河中游，在正陽關以下大約13km 處。正陽關位于淮河、潁河、淠河三條河流交界處，是淮河上游各路洪水的匯集地，涵蓋了淮河上游水系90%以上的山區來水。因此，魯臺子水文站的水沙特性研究，對于開展淮河中上游的來水來沙特性研究具有重要的意義，也是淮河中上游河床演變相關研究的基礎。吳家渡水文站處于蚌埠閘樞紐控制工程下游大約500m 處，是國家Ⅰ類水文站，屬于淮河中游平原區的水文控制站，主要負責監測淮河干流蚌埠段過水流量；小柳巷站位于淮河干流安徽段出口位置，是淮河干流入洪澤湖的最后一個控制站。吳家渡站到小柳巷站區間河段內沒有較大支流匯入，匯流量較小，因此，在本文研究中，該區間河段的徑流量對于淮河干流的來水量具有較強的代表性。

1950 年以來，淮河的水沙條件及河床邊界正逐年發生變化，突出表現為來沙大幅減少和主槽不斷下切，以上變量的不斷堆積，最終導致近年來淮河河岸失穩，并在局部區域形成崩岸，給淮河的防洪、航運及兩岸農業工業的發展造成了很大的危害。針對上述現象及其引發的堤防安全、險段治理等問題，進行目前形態下的淮河水沙時空分析及來沙變化預測是極其重要和必要的。

2 研究方法

基于魯臺子及吳家渡長序列水沙實測資料，統計分析淮河中游水沙時空變化過程及特征值。運用R/S 分析法、累積距平法、M-K 分析法，診斷來沙序列的變異點等多種趨勢分析工具，預測未來一段時期的水沙變化趨勢。

3 水沙特性數據分析

3.1 水沙歷史變化趨勢

根據1950 年以來淮河中游主要測站多年平均徑流量及多年平均含沙量和多年平均輸沙量情況統計，各測站情況如下：

3.1.1 魯臺子站

根據魯臺子站從20 世紀50 年代至今水文資料顯示，該站年徑流量較為平穩，在各年代相差不大，多年平均徑流量為211.5億m3，總體呈隨機變化特征。

1951—2015 年期間，該站多年平均輸沙量約為785.3 萬t，多年平均含沙量約為0.32kg/m3，輸沙量與含沙量逐年下降，下降比率分別為29.85 萬t/年及0.012kg·m-3/年，其中，1951—2000 年間，該站平均輸沙量及平均含沙量隨時間推移呈明顯遞減變化，2000 年后，該站含沙量穩定在0.10kg/m3左右，約為20 世紀50 年代的16.6%。

采用雙累積曲線法點繪魯臺子站1951—2015 年逐年累積輸沙量對徑流量累積的關系可知，在研究時段，魯臺子站的輸沙量和徑流量雙累積曲線的斜率逐年降低，1980 年左右，雙累積曲線斜率發生較明顯變化，2000 年后，雙累積曲線的斜率趨于穩定，表明該站區域水沙搭配關系已趨向穩定。

3.1.2 吳家渡站

吳家渡站歷年水文資料顯示，該站多年平均徑流量約為266.10 億m3，在不同年代徑流量總體相差較小，總體呈隨機變化特征，無明顯增加或減少趨勢。1950—2015 年期間，多年平均輸沙量約為827.02 萬t，多年平均含沙量約為0.28kg/m3，呈逐年下降趨勢，下降比率分別為23.324 萬t/年及0.0077kg·m-3/年。

采用雙累積曲線法點繪吳家渡站1950—2015 年逐年累積輸沙量對徑流量累積的關系可知，在研究時段，吳家渡站的輸沙量和徑流量雙累積曲線的斜率逐年降低，20 世紀80 年代，雙累積曲線斜率發生較明顯變化，2000 年后，雙累積曲線的斜率趨于穩定，表明該站區域水沙搭配關系已趨向穩定。

3.2 來沙序列變異點診斷分析

3.2.1 魯臺子站

（1）累積距平法

針對魯臺子站在1951—2015 年67 年間的年均來沙量，運用累積距平法進行突變分析計算，由計算結果可得，該站在20 世紀50 年代到70 年代中期時段內，年輸沙量總體上隨時間推移逐年上升；70 年代后期到80 年代中期時段內，年輸沙量變化較為平緩，無明顯增加或減少；80 年代以后，年輸沙量開始呈下降趨勢，其中，1984 年前后年輸沙量呈現明顯突變。

20 世紀50—70 年代后期，魯臺子站年含沙量總體呈上升趨勢，尤其在1951—1980 年間，多沙期特征更為顯著；1980 年以后，魯臺子站年含沙量開始呈下降趨勢，其中，1981—2015 年間，魯臺子站少沙期特征較為明顯，1980 年前后魯臺子站年含沙量呈現明顯突變。

（2）M-K 分析法

運用M-K 突變點檢驗對來沙時間序列進行檢驗，對魯臺子站在1951—2015 年間來沙量變化進一步分析，繪制UFk 及UBk 曲線，分析結果表明，1970 年以前，魯臺子站輸沙量呈現出持續增加的趨勢，1970 年以后，魯臺子站輸沙量在近幾十年一直呈現出減少趨勢，這與累計距平法得到的結論基本一致；根據UF 看曲線結果表明，在1975 年左右魯臺子站輸沙量開始出現明顯下降，因此魯臺子站輸沙量應在1951—2015 年發生了突變，并且根據UFk 及UBk 曲線圖像，判定突變應發生在1984 年前后。

3.2.2 吳家渡站

（1）累積距平法

針對吳家渡站在1950—2015 年68 年間的年均來沙量，運用累積距平法進行突變分析，該站在20世紀50 年代到70 年代后期時段內，年輸沙量總體上隨時間推移逐年上升，近30 年時間里，多沙期特征表現較為顯著；80 年代以后，年輸沙量開始呈下降趨勢，1980 年前后，年輸沙量呈現明顯突變。

（2）M-K 分析法

運用M-K 突變點檢驗對來沙時間序列進行檢驗，對吳家渡站在1950—2015 年間來沙量變化進一步分析，繪制UFk 及UBk 曲線，分析結果表明，在1975 年左右魯臺子站輸沙量開始出現明顯下降，因此可以推測吳家渡站輸沙量應在1950—2015 年發生了突變，并且根據UFk 及UBk 曲線圖可以判定，突變應發生在1980 年前后。

3.3 未來來沙變化趨勢分析

3.3.1 魯臺子站

利用R/S 分析法對魯臺子站輸沙量及含沙量時間序列進行分析，預測該站未來來沙趨勢，計算結果表明，輸沙量及含沙量R2系數分別為0.97、0.96，輸沙量Hurst 指數為0.8，含沙量Hurst 指數為0.65，可以推測出魯臺子站輸沙量及含沙量在未來的一段時間內整體上都將呈現出下降趨勢。

3.3.2 吳家渡站

利用R/S 分析法對吳家渡站輸沙量及含沙量時間序列進行分析，預測該站未來來沙趨勢，計算結果表明，輸沙量及含沙量R2系數相同，為0.96，輸沙量Hurst 指數為0.8，含沙量Hurst 指數為0.64，可以推測出吳家渡站輸沙量及含沙量在未來的一段時間內同魯臺子站一樣，總體上都將呈現出下降趨勢。

4 結論

本文基于淮河干流魯臺子站、吳家渡站長系列水沙原型資料，采用累積距平法、M-K 突變分析法、R/S 分析法等常見水文統計方法對淮河干流徑流量、輸沙量、含沙量的演變特征進行系統分析，分析結果顯示，整體上淮河干流年徑流量長期波動較小，無明顯變化，但輸沙量整體上呈現下降趨勢，在2000 年后逐漸趨于穩定。淮河干流的輸沙過程總體上呈現較明顯的階段性特征，在20 世紀80 年代初期，輸沙過程發生明顯變化，1980 年之前輸沙量相對較多，1985 年之后輸沙量相對較少，因此可以推測，淮河流域在未來較長一段時間內，輸沙量將總體上以下降為主，并將在一段時間內持續保持少沙期■