大洋河沙里寨水文站水沙變化與驅動因素分析

楊永利

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001)

大洋河發源于遼寧省岫巖縣偏嶺鄉，全長230.2km，流域面積為1968.4km2，主要支流有哨子河、牤牛河、連河水、雅河等，屬于遼東半島最大的獨流入海河流。近年來，隨著經濟的高速發展以及各行業用水量的急劇增加，大洋河及其支流開發建設了羅圈背、土門子、三大步、古龍等水電站，在滿足供水發電、防洪排澇、旅游觀光等社會經濟效益的同時，這些水利工程也在很大程度上改變了下游徑流泥沙的演變規律[1]。目前，長江的水沙關系變化逐漸成為學術界密切關注的熱點和廣泛爭論的問題，為揭示其水沙變化規律，諸多學者開展了大量研究[2- 5]。針對大洋河的實際狀況，考慮到徑流泥沙變化易受多種非線性較強的隨機變量的影響，運用傳統的統計學方法無法難以精準地揭示其內在變化規律，因此文章以大洋河沙里寨站1956—2019年降水量、輸沙量、徑流量等長時間序列資料為依據，采用M-K檢驗、小波分析、T檢驗等時間序列法揭示大洋河徑流泥沙演變規律，以期為深入探究大洋河水沙變化的驅動因素及其演變規律提供科學指導。

1 研究方法

1.1 數據來源

大洋河設立了7處水文站，建成的23處雨量站有8處為汛期站，其中沙里寨、岫巖、文家街水文站的觀測資料序列較長，且數據精準度高。由于水文站可以直接反映大洋河上游的來水來沙情況，為準確揭示大洋河徑流泥沙演變過程及其驅動因素，選用沙里寨水文站1956—2019年的降水量、輸沙量和徑流量等數據資料。其中，大洋河流域水文年鑒和中國氣象數據網提供徑流泥沙數據、降水量數據，部分數據來源于長時間序列氣象站[6- 8]。

1.2 研究方法

(1)M-K檢驗。該方法是以某一置信水平α(取0.5)下的臨界變量為基準對比某一時間序列數據的標準化變量UF，UF值的正、負代表該時間序列數據的上升和下降趨勢；若UF值大于臨界值，則序列數據呈明顯上升或下降趨勢。

(2)均值差異T檢驗。對于充分統計的存在顯著差異性的兩個不同時段序列的平均值，該方法認為突變現象發生在給定的信度區間內，即突變性檢驗的判別依據為臨界值與某一基準點統計量t的對比值，詳見文獻[9]。

(1)

式中，φa，b(t)—輸出的子小波，連續小波函數在能量有限信號f(t)∈L2R給定的情況下可以表示為

(2)

2 徑流泥沙的演變規律分析

2.1 趨勢性分析

繪制的沙里寨站1956—2019年輸沙量、徑流量變化過程線(圖1)，揭示了大洋河近60年水沙變化趨勢。由圖1可知，2004年之前，沙里寨站的年徑流量、年輸沙量總體呈現出小水小沙、大水大沙的變化規律；輸沙量在2006年后開始大幅下降，除了2009年外，其余年份的輸沙量均低于1×108t。研究期間內累積年徑流量變化過程線未呈現出明顯的偏差，可見多年來大洋河流域的年徑流量變化趨勢并不顯著；累積輸沙量在1995年之前總體處于直線狀態，多年平均值為4.16×108t，而在1995后總體呈波動減少的變化趨勢，1995—2005年期間的年輸沙量減少幅度達到25.05%，2005年以后的減少幅度達到92.25%[10- 11]。

圖1 大洋河沙里寨站年輸沙量和年徑流量變化過程

由于沙里寨站的年際輸沙量和徑流量存在較強的波動性，對其變化規律進行直觀觀察往往存在一定的局限，為更好地揭示其趨勢性變化特征，利用M-K檢驗法定量評估。結果顯示，輸沙量和徑流量的UF值分別為-6.15、-1.82，取α=0.5，則標準化變量UF所對應的臨界值UFα=1.96，可以判定|UF|徑流量<|UF|α、|UF|輸沙量>|UF|α。由此可見，大洋河沙里寨站近60年的年輸沙量存在顯著下降趨勢，而年徑流量的下降趨勢不明顯。

2.2 突變性分析

將年輸沙量與年徑流量利用有序聚類法作突變分析，由此揭示大洋河沙里寨站的徑流泥沙突變特征，結果如圖2所示。由圖2可知，1959年、1972年、2004年、2009年徑流量發生了突變，而2006年輸沙量發生突變。為進一步檢驗該分析方法的準確性和可靠性，以各突變年份為基準利用均值差異T檢驗法評判其科學合理性[12]。臨界值tα在顯著性水平α=0.001情況下取2.705，檢驗結果見表1。從年徑流量的角度看，突變指數AIj在M=54的情況下輸出為0.207，統計量2.766大于臨界值tα，因此在該顯著性水平下通過檢驗，可見在第54個基準年徑流量的變化較為顯著，即徑流量突變節點為2009年；從輸沙量的角度看，突變指數AIj在M=51的情況下輸出為2.891，統計量11.588大于臨界值tα，所以在該顯著性水平下通過檢驗，可見在第51個基準年輸沙量量的變化較為顯著，即輸沙量量突變節點為2006年。

圖2 沙里寨站有序聚類分析

表1 均值差異T檢驗的沙里寨站輸沙量與徑流量

2.3 周期性分析

采用小波分析法繪制的徑流量周期性變化特征如圖3(a)所示，從上至下徑流量的周期變化規律存在四類尺度，即4～5、7～8、11～13、20～23年，不同尺度的周期變化總體呈現出明顯的波動性。從較大尺度20～23年的角度分析，研究期間徑流量豐枯交替共經歷了8次；小波系數在1960—1967年、1976—1982年、1993—2006年、2007—2015年為負值，由此表明除這4個時期外其余各時段均為多水期。小徑流量變化的小波方差共有4個峰值，所對應的變化主周期為5、8、13、23年，變化最為顯著的第一主周期為23年。輸沙量與徑流量周期性變化基本呈相同變化趨勢，但也存在一定的差異，輸沙量的周期變化規律存在4～5、11～13、20～24年三類尺度，在時間尺度上20～24年的輸沙量變化周期較為穩定，總體呈現出4次“少—多”交替變化特征。周期波動性變化在小尺度上顯著增強，波動性隨著尺度的減少而增強。從圖3(b)可知，5、13、24年為輸沙量變化主周期，其中小波方差最大的主周期為24年。該分析結果與相關研究資料保持較好的一致性，可見所選取的時間尺度和數據資料長度可以滿足合理性要求。

圖3 沙里寨站小波方差

2.4 階段性分析

為了能夠直接反映徑流泥沙的階段性變化趨勢，引入累積距平法分析，其表達式為

(3)

將沙里寨站徑流時間序列依據其年徑流量階段性特征(圖4)劃分為6個階段：豐水期為1956—1959年、1965—1972年、1983—2005年，枯水期為1960—1964年、1973—1982年、2006—2019年，各個階段所對應的年均徑流量依次為4.56×1011、4.70×1011、4.37×1011、4.02×1011、4.12×1011、4.00×1011m3，相對于豐水期，枯水期的徑流量降低了12.10%；同理，將沙里寨站輸沙時間序列依據其輸沙量劃分為4個階段：多沙期為1956—1997年、2002—2006年，少沙期為1998—2001年、2007—2019年，各個階段所對應的年均輸沙量依次為5.10×108、4.16×108、3.13×108、0.42×108t3，2007年以后輸沙量呈急劇下降趨勢，相對于1956—1997年降低了92.%。

圖4 沙里寨站徑流泥沙累計距平百分數

3 徑流泥沙演變影響因素

3.1 降水對沙里寨站徑流泥沙演變影響

文章以大洋河近60年輸沙量、徑流量和降水量數據為基礎，繪制徑流量與降雨量、輸沙量之間的關系曲線，如圖5所示。

圖5 沙里寨站徑流量泥沙與降水量變化關系

由圖5可知，大洋河流域的年降水量與年徑流量變化趨勢保持較好的一致性，然后對流域內年降雨量利用M-K法檢驗分析，其標準化變量UF值為-0.45，在α=0.05的顯著性下有|UF|α>|UF|降水量，說明研究期間大洋河流域的年降水量的下降趨勢并不明顯。人類取水在一定程度上降低了流域內年徑流量，隨著各類用途用水的增大以及城市化進程的加快，沿河取水量呈不斷上升趨勢，這對河流徑流量的減少產生了一定的作用。大洋河輸沙量與年降水量的變化趨勢存在一定偏差，20世紀90年代末這種偏差更加明顯，考慮到近幾十年大洋河徑流量與降水量存在較好的相關性，且降水量下降趨勢不明顯，認為人類活動是導致輸沙量大幅下降的主要因素。

3.2 人類活動對沙里寨站徑流泥沙演變影響

1956—2019年，大洋河沙里寨站年輸沙量呈顯著下降趨勢，在徑流量與降水量未出現顯著變化的條件下，認為大洋河上游的人類活動是導致輸沙量顯著下降的主要原因。其一，大洋河及其支流開發建設了一些水電工程，這在很大程度上改變了流域徑流泥沙的時空分布特征。為進一步探究沙里寨站年輸沙量與水庫蓄水攔沙工程建設的關系，繪制了沙里寨站年輸沙量與上游水庫建設總庫容之間的關系曲線，如圖6所示。由圖6可以看出，1995年以前大洋河開發建設的水庫工程，由于大多數位于主支流且累積庫容較少，其影響沙里寨站輸沙量的程度較低，年輸沙量總體在5.10×108t左右。1995年之后，受新建水電站建成蓄水和大洋河流域水土保持工程等影響，輸沙量下降趨勢逐漸顯現，水庫蓄水工程攔截了大量泥沙，水電工程的投入使用顯著降低了沙里寨站的年輸沙量。其二，經濟的高速發展使得建筑用水量急劇增大，相應的采砂量也在不斷增大，這在一定程度上進一步減少了年輸沙量。此外，大洋河流域從1992年以來逐漸實施了一系列的水土保持治理工程，截至目前已完成的各類小流域治理有1000余條，大大減少了坡耕地和荒山荒坡的土壤侵蝕率?？傮w而言，大洋河沙里寨站輸沙量減少與水土保持措施、河道采砂和水庫攔蓄等因素相關[13]。

圖6 沙里寨站累積庫容與輸沙量變化過程

4 結論

(1)大洋河沙里寨站徑流泥沙變化趨勢利用M-K法分析，在顯著性95%的條件下年輸沙量下降趨勢顯著，而年徑流量變化不明顯；對大洋河沙里寨站徑流泥沙突變特征利用均值差異T檢驗法和有序聚類法分析，徑流量和輸沙量突變時間點分別為2009、2006年，所對應的統計量t依次為2.766、11.588。

(2)結合小波分析結果，大洋河沙里寨站徑流泥沙序列的變化特征可以劃分為多個時間尺度，輸沙量與徑流量的時間尺度周期為3類、4類，年輸沙量與年徑流量的變化主周期為20～24、20～23年，徑流量的時間尺度周期與輸沙量的3類時間尺度周期基本一致。

(3)將沙里寨站徑流時間序列依據其年徑流量階段性特劃分為6個階段，將年輸沙量劃分為4個階段，相較豐水期，枯水期的徑流量降低了12.10%，2007年后輸沙量呈急劇下降趨勢。

(4)水庫蓄水攔沙是影響沙里寨站輸沙量減少的主要因素，一些大型水利工程的建設運行在很大程度上降低了其輸沙量，另外輸沙量減少還與流域內水土保持、人類采砂等因素相關。