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        柴河流域水沙特征分析

        2011-04-19 07:35:22吉相臣周新川白天竺
        地下水 2011年4期
        關鍵詞:秩次柴河輸沙量

        吉相臣,周新川,白天竺

        (遼寧省水文水資源勘測局鐵嶺分局,遼寧鐵嶺 112000)

        流域水沙變化一直是河流地貌、水利工程等領域倍受關注的問題,同時也是氣候和土地利用變化環(huán)境效應研究的重要內容。本文依據柴河流域的代表站柴河水文站1975~2009年的降水、徑流和輸沙率資料,分析了柴河流域的水沙變化的基本特征,并探討了柴河流域的水沙變化趨勢。

        柴河發(fā)源于清原縣英額門鄉(xiāng)轉向湖老虎頂子西南側,在開原市上肥地鄉(xiāng)東升村東南進入鐵嶺市。流經上肥地、下肥地、靠山屯、柴河堡等山區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn),于鐵嶺縣大甸子鎮(zhèn)太平寨進入柴河水庫,進而在銀州區(qū)雙安橋北雙岔河匯入遼河。

        該流域屬北溫帶季風型大陸性氣候。冬季寒冷期長達5個月,最冷月份在1月,平均氣溫在-14.5℃左右,極度低溫為-35℃;夏季炎熱,一般可持續(xù)3個月,最熱月份在7月,平均氣溫在23℃ -24℃左右,極度高溫為36.5℃。

        柴河水文站是柴河流域的唯一控制站,實測多年平均降水量為732.3 mm,平均含沙量 549g/m3,平均輸沙率7.29 kg/s。

        1 柴河流域現狀分析

        降雨量、徑流量、輸沙量逐月過程線是流域內水文氣象因素、下墊面因素和人類活動因素統(tǒng)合作用的反映,表示了降雨量、徑流量、輸沙量年內變化的規(guī)律。而年際據變化變異系數則能反映出不同年份間的波動大小,由此分析得出研究區(qū)域降雨、徑流、輸沙量的變化特征。

        1.1 降雨量年內分配和年際變化

        柴河流域受副熱帶高壓、季風和氣旋等多種氣候因素影響,降水量年內分配不均,降水總量偏多且比較集中。

        柴河站汛期6~9月集中了全年72.1%的降水量,其余8個月相對來說降雨偏少,呈單峰型,峰值出現在7月(見表1和圖1)。降雨量年際變化變異系數為0.21,實測最大降雨量為最小降雨量的2.26倍,降雨年際分配不均。

        1.2 徑流量年內分配和年際變化

        柴河站徑流主要由降水補給,降雨是徑流的最主要來源。相應的,徑流量也集中在6~9月,占全年平均徑流量的76.9%,呈單峰型,峰值也出現在7月(見表1和圖1),與降水逐月過程線形成良好的對應關系。

        徑流量年際變化變異系數為0.70,實測最大徑流量為最小徑流量的16.8倍,徑流量年際分配也不均。逐年降雨量和徑流量也表現出較好的相關性,降雨量和徑流量的相關系數為 0.847,可 以 用 線 性 回 歸 方 程 y = 0.008 8 x- 4.205 9 表示。

        1.3 徑流量年內分配和年際變化

        輸沙量在徑流量相對集中的6~9月這4個月中所占比例高達98.6,輸沙量在年內時程上的變化差異較大。輸沙量在主汛期峰值相對徑流量要延后,出現在7、8月,而且尤其集中,占到年總輸沙量的95.7%(見表1和圖1)。究其原因,由于柴河屬山區(qū)性河流,坡陡流急,洪水過程短且暴漲暴落,導致大量泥沙進入河道;同時由于洪水期流量及流速的加大,增強了河流的挾沙能力,挾沙能力大于含沙量從而發(fā)生侵蝕,將平水期淤積在河道的泥沙重新挾沙徑流,增加了徑流的輸沙量。反觀非汛期徑流量較小,挾沙能力嚴重不足,導致輸沙量過小。

        輸沙量的年際變化變異系數為2.78,實測最大輸沙量為最小輸沙量和10 150倍,年際變化較降雨量和徑流量要大的多,而且輸沙量與徑流量的相關系數只有0.687,輸沙量與降雨量的相關系數僅有0.509,相關性不顯著,也說明輸沙量受到多種因素影響的較大程度的影響。

        表1 柴河站降水量、徑流量和輸沙量統(tǒng)計表

        圖1 降水、徑流、輸沙量逐月過程線

        2 降雨量、徑流量、輸沙量變化趨勢

        本文采用了趨勢線和Kendall秩次相關法對降雨量、徑流量和輸沙量呈現的變化趨勢進行了分析判斷。

        根據實測資料,得到柴河水文站降水量、徑流量和輸沙量的逐年變化趨勢曲線及一次直線的趨勢方程(見圖2)。從該圖中可以看出,降水量、徑流量總體上呈現出下降趨勢,輸沙量則出現了上升趨勢。

        圖2 降水、徑流、輸沙量逐年變化趨勢

        利用Kendall秩次相關法分析判斷具體的趨勢性。Kendall秩次相關法是判斷時間序列趨勢性的常用方法,在諸多領域均得到比較廣泛的應用。其方法如下:

        對時間序列x1,x2,…,xn(n為樣本數),所有對偶觀測值(xi,xj,j> i)中 xi< xj出現的個數為 P。順序(i,j)的子集是(i=1,j=2,3,…,n)、(i=2,j=3,4,…,n),…,(i=n-1,j=n),則有

        式中:τ為Kendall秩統(tǒng)計量;M為 Kendall秩次相關系數;P 為系列中所有對偶觀測值(xi,xj,i<j)中,xi< xj出現的次數;n為系列長度。當n增加時,統(tǒng)計量Kendall秩次相關系數U很快收斂于標準正態(tài)分布。

        給定顯著水平 α,其檢驗臨界值為U1-α/2。當|U|<Uα/2,序列趨勢不顯著;當 |U|> Uα/2,序列趨勢顯著;且U>0,序列呈上升趨勢,U<0,序列呈下降趨勢。

        運用Kendall秩次相關法進行計算,結果見表2,得出降雨序列UP=-0.04,沒有通過檢驗,即降雨量有下降趨勢但趨勢并不顯著;徑流量UQ=-0.38,沒有通過檢驗,即徑流量有下降趨勢但趨勢并不顯著;輸沙量US=0.78,沒有通過檢驗,即輸沙量有上升趨勢但趨勢并不顯著。

        表2 Kendall秩次相關法分析結果

        3 結語

        (1)柴河流域降雨和徑流主要集中在6~9月,均呈單峰型,峰值出現在7月,降雨和徑流形成良好的對應關系。輸沙量較降雨量和徑流量年內分配波動性更大,7、8兩月占到年總輸沙量的95%以上。

        (2)柴河流域降雨量和徑流量均有下降趨勢但趨勢并不顯著,輸沙量有上升趨勢但趨勢并不顯著。在降雨量和徑流量沒有明顯變化的情況下,由于生態(tài)環(huán)境受到一定的破壞,致使水土流失加劇,輸沙量卻呈現上升趨勢,考慮到本流域山高坡陡,雨季集中且多發(fā)暴雨等因素,需要加大對該流域水土流失治理的力度。

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