太子河水沙多年變化規律及驅動因素分析

張 陽

(遼寧省河庫管理服務中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

1 河流概況

太子河發源于新賓縣紅石砬子山，地處東經122°26′～124°53′、北緯40°29′～41°39′，河長413km，總面積為13883km2，主要有小湯河、清河、五道河、細河、南沙河、三道河、臥龍河等支流，流經營口、撫順、鞍山、本溪、遼陽等5個城市。結合水利普查有關資料，太子河于海城市三岔河匯入渾河，屬于渾河的一級支流。流域內年均降水量為700～800mm，其中70%～80%降水集中于6—9月的汛期；平均濕度為70%；年均氣溫為5～9℃；年均蒸發量為1100～1700mm，空間尺度上呈現出自東南向西北逐漸上升的趨勢。太子河上的葠窩水庫以上流域具有植被良好、森林茂密、山嶺連綿、地勢陡峭等特征，該河段占全流域的60%；遼陽至葠窩水庫區間為低山丘陵地帶，此河段植被覆蓋少、人口密集且地勢較緩，土壤侵蝕問題突出；遼陽以下河流坡度緩、斷面淺、河道彎曲，河流泄洪能力差，極易引起洪澇災害，該河段地勢低屬于平原區[1- 6]。

當前，對于太子河流域水沙變化及其驅動原因的研究較少，還沒有形成明確的結論，但可預見水沙變化對下游流域及太子河河道產生極大的影響，同時也會改變河流的水生態條件。鑒于此，文章選取太子河流域為研究對象，對1973—2011年太子河干流遼陽水文站水沙變化規律運用EMD經驗模態分解法、Pettitt法、Mann-Kendall檢驗法分析，通過分析人類取水攔沙、土地利用及氣候變化的影響，探究驅動太子河水沙變化的因素，為流域水環境治理、水土保持規劃、重大水利工程布局及水資源開發利用提供科學指導。

2 研究方法

2.1 EMD經驗模態分解

文章選擇EMD經驗模態分解法對徑流泥沙周期規律進行識別，其主要原理是以不同時間尺度的局部特征數據序列分解平穩化處理后的信號，IMF本征模函數即為每個分解量。將序列x(t)的局部極小值與極大值利用三次樣條函數擬合下、上包絡線，然后從原序列中減掉兩個包絡線的均值m1(t)，由此可以獲取一個新序列h1(t)，即

h1(t)=x(t)-m1(t)

(1)

IMF本征模函數應滿足局部最大值與最小值包絡的均值為零以及過零點、極值點數目相等或最多相差一個的要求，為滿足這兩個條件可以限制標準差SD：

(2)

標準差SD的取值區間為0.2～0.3，按照以上方法多次反復運算直至輸出符合條件的c1(t)，從原序列x(t)中分離以上確定的IMF分量，從而構造新序列r1(t)，即

r1(t)=x(t)-c1(t)

(3)

根據以上流程對構造的新序列再次處理，由此可以確定新的IMF，多次反復運算直至剩余序列為單調函數或無研究價值，最終輸出一個趨勢項rn(t)和一系列IMF分量ci(t)：

(4)

2.2 能量與權值計算

引入波動運動的能量概念探究各IMF對數據序列的貢獻程度，振幅的平方與能量存在正相關性，設定X=Acosωt，對其進一步分解后有

(5)

采用公式(5)和前文輸出的各IMF振幅、周期可以求解出能量，各IMF平均能量值等于相加平均后的數值，各IMF所占的能量權重即為平均總能量中各IMF平均能量所占的比例。

3 水沙變化規律及周期識別

3.1 年際變化趨勢

太子河干流遼陽水文站水沙量統計數據見表1。由表1可知，太子河大部分時段的年來沙量、年來水量變化具有較好的同步性，除個別年份外其變化趨勢比較統一。來沙量與來水量的多年平均值分別為1.96×104t、12.15×108m3，變化幅度依次為0.35×104～5.12×104t、3.15×108～20.58×108m3，多年來呈非平穩波動態勢，序列具有較大的變化。結合M-K檢驗可知，來沙量與來水量的變化斜率分別為-0.04、-0.12，二者均表現出減少趨勢，并且呈顯著減少趨勢的為來沙量；根據變差系數值，來沙量的年際變化相對于來水量更加劇烈。

表1 1973—2011年遼陽水文站水沙量統計數據

來水量與來水量的突變檢測值如圖1所示。由圖1可知，太子河流域遼陽站1999年、2001年的來沙量與來水量統計值最大，變化趨勢達到顯著性水平；通過分析距平累積圖發現，20世紀90年代中后期來沙量和來水量達到峰值后，經歷了較長時期的下降趨勢，由此可認為導致徑流泥沙突變的主要原因為20世紀90年代中后期水沙的大幅度變化。突變前后兩個時段的來沙量多年均值分別為5.71×104、3.68×104t，來水量多年均值分別為12.03×108、8.96×108m3。

圖1 太子河來沙量與來水量突變檢測值

3.2 周期識別

通過能量權重計算以及對太子河遼陽水文站1973—2011年來沙量、來水量的EMD分解，最終可以輸出一個Res項和4個IMF分量如表2、圖2所示。結果顯示：①IMF1波動周期下年來沙量與年來水量的主周期均為2年，能量權重依次為32%、36%，兩者權重占據主導地位；相對于IMF1的波動IMF2變得較為緩和，年來沙量、年來水量的波動周期以3年和6年為主，年來水量波動出現了短暫的3年周期。年來沙量和年來水量的IMF3、IMF4波動周期分別以11、18年和15、35年為主。②結合Res項輸出結果，研究期間年來水量總體呈減少趨勢，20世紀90年代之前年來沙量出現小幅度的上升，而在后期出現顯著的下降。③相對于20世紀90年代中期之前年來沙量、年來水量的IMF波動幅度均發生改變，年來沙量的IMF1、IMF2和年來水量的IMF1振幅呈下降趨勢，從IMF3、IMF4振幅的角度來看，年來水量呈增大趨勢，研究時區內周期尺度未發生改變。

圖2 EMD分解量與原始數據

表2 年來沙量和來水量能量權重及IMF周期

3.3 徑流泥沙演變驅動因素

(1)氣候變化。統計整理太子河干流遼陽氣象站的蒸散發、氣溫及降水數據，如圖3所示。根據圖3可知，1973—2018年太子河流域年均降水量為508.20～843.81mm，年均蒸發量為1022.85～1740.28mm，年均氣溫為5.26～9.06℃。5年滑動年降水量曲線未出現明顯的改變，變化過程較為平緩，通過M-K檢驗計算出相應的統計值為-0.105，可見太子河流域1973—2018年的降水呈波動減少趨勢，且降低幅度不顯著。1990年后蒸發量與氣溫均呈上升趨勢，其中1973—1990年、1990—2018年的平均氣溫分別為5.26～7.04℃和7.51～9.06℃，年均蒸發量依次為1022.85～1392.77mm、1165.71～1740.28mm，1990年前后的年均蒸發量和氣溫均明顯增大；通過M-K檢驗計算，蒸發量、氣溫的統計值分別為0.81、5.12，由此表明，太子河流域1973—2018年的氣溫明顯上升，而蒸發量上升趨勢不顯著。因此，泥沙明顯減少受降水因素的影響較低，而與徑流減少和氣溫上升帶動蒸發量增加密切相關[7- 8]。

圖3 太子河干流遼陽站蒸散發、氣溫和降雨量年際變化

(2)土地利用變化。1990、2005、2018年太子河流域土地利用類型變化見表3，由表3可知，草地與耕地為太子河流域主要用地類型，耕地與草地面積在1990、2005、2018年占比依次為87.29%、87.61%、86.72%。在土壤保持方面，耕地利用類型的效果極差，研究期間耕地面積呈小幅下降趨勢，減少了77.75km2，草地面積總體呈先增加后減少的趨勢，2005年較1999年增加了55.54km2，但總體未發生明顯的改變。在經過兩個時期變化后，蓄水保土能力較好的林地面積增加了97.18km2。研究期內，人類用地面積表現出先急劇增大后緩慢下降的趨勢，總體增大了148.55km2，而未利用土地面積呈不斷下降趨勢，水域面積變化幅度較少[9- 11]。

表3 1990—2018太子河流域土地利用類型

自1990年建設實施的退耕還林工程對太子河流域來沙量、來水量產生了不同程度的影響。較徑流量而言，泥沙減少幅度更加顯著，隨著沿河退耕還林面積的增加，太子河泥沙含量不斷減少，退耕還林面積相比降水侵蝕對泥沙量的影響更加顯著。

(3)人類活動用水變化。根據收集的統計資料、水資源公報、水利發展統計公報以及水資源開發利用調查評價等，在扣除地下水量的條件下計算出太子河遼寧省境內人類活動耗水量，結果見表4。由表4可知，1973—2018年人類活動所消耗的太子河流域水資源量呈不斷增大趨勢，總耗水量從1973年的0.98×108m3逐漸增大至2000年的2.75×108m3，年均增長量為0.07×108m3。太子河來水量的減少進一步增大了耗水量占水資源總量的比例，由于2004年、2012年社會經濟的快速發展使得耗水量持續顯著增大，最終達到4.12×108m3，較最初值增加了3.14×108m3，由此表明，太子河來水量減少受人類活動而引起的耗水量增加的影響較為顯著。

表4 不同年代遼陽站以上流域總耗水量

(4)淤地壩工程。借鑒水利建設相關資料，整理統計太子河流域具有攔沙功能的淤地壩的攔沙量見表5。根據表5可以看出，截至2018年，太子河流域具有攔沙功能的中小型壩有720座、骨干壩有385座，其中骨干壩中已經淤積的庫容有8246×104m3，因此這些淤地壩將進一步對太子河流域泥沙發揮攔截作用，骨干壩、中小型壩的年攔沙量達到0.072×108t和0.040×108t，由于計算過程中未考慮淤滿的壩地，所以實際攔截的泥沙量較計算值更大；同時，針對淤地壩的控制范圍內的溝坡滑塌、溝床下切等現象，未來將進一步得到改善，在不出現潰壩的情況下淤滿的淤地壩還是可以發揮抗蝕功能。所以，在減少太子河泥沙方面淤地壩也發揮著一定的作用。

表5 太子河淤地壩攔沙量

4 結論

(1)多年來太子河來沙量、來水量均呈現除波動下降的變化特征，突變時間點分別為1999年和2001年，在數量上突變前后的來水來沙量的減少幅度交代。

(2)通過分析降水與水沙變化差異發現，徑流量減少主要受上游人類耗水量增大的影響，而水沙明顯下降受降水變化的影響較低，此外，淤地壩建設及退耕還林工程的實施也在一定程度上減少泥沙量。