(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

土地利用類型和氣候環(huán)境變化效應(yīng)研究的重要內(nèi)容是對河流水沙變化的分析，對于促進(jìn)流域泥沙治理和水土保持規(guī)劃具有重大意義[1]。在GWSP、IGBP、WCRP等國際研究計劃中，都涉及有植被覆蓋率與土地利用形式對河流水文的影響研究，并在水文效應(yīng)方面取得了理想的研究成果[2-3]。然而，由于應(yīng)用技術(shù)和研究方法存在一定的局限性，使得水文模型法、水保法以及水文法等研究成果無法滿足水資源配置、水土保持規(guī)劃的建設(shè)與決策需求。目前，在大凌河流域水資源開發(fā)利用過程中，實施了水土保持、引水灌溉、水庫建設(shè)等一系列工程措施，從而顯著改變了流域下墊面條件以及徑流、輸沙特征，而涉及大凌河流域泥沙變化的影響研究略顯不足，不利于該流域水土流失和治理規(guī)劃以及水土資源的可持續(xù)利用[4]。鑒于此，本文依據(jù)大凌河流域來水來沙特征以及相關(guān)數(shù)據(jù)資料，對河流水沙變化臨界年份以及降水、輸沙變化規(guī)律進(jìn)行深入研究，并對不同時段的輸沙衰減量及其所占比重運用降水—輸沙雙累計曲線和時間序列對比分析法進(jìn)行定量的計算，以期為促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和水土保持規(guī)劃提供一定的決策依據(jù)。

1 大凌河流域概況

大凌河全長為398km，流域總面積2.35萬km2，流域內(nèi)河網(wǎng)密布，主要有忙牛河、老虎山河、涼水河子、西河等支流，在促進(jìn)區(qū)域工農(nóng)業(yè)發(fā)展以及居民生活用水等方面具有不可替代的作用[5]；大凌河流域?qū)儆诎霛駶櫦撅L(fēng)氣候，四季分明，夏熱多雨，冬冷干燥，年均氣溫為8.0～12.6℃，年降水量在460mm左右。資料顯示：每年的7—8月為降雨汛期，其中63%以上降水發(fā)生在汛期，并且主要以強降雨和暴雨形式出現(xiàn)。大凌河流域地形為山間河谷平原區(qū)、低山丘陵區(qū)和下游平原區(qū)，并以低山丘陵區(qū)為主，流域內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)展還是以漫灌為主，水資源設(shè)施落后且利用效率低，中上游水土流失和水體污染較為嚴(yán)重，并對水文循環(huán)和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成潛在威脅。自20世紀(jì)70年代起，大凌河流域?qū)嵤┝舜笠?guī)模的植被措施治理工程，水土保持治理面積占總流域的32%以上[6]。流域內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展速度較快，交通運輸發(fā)達(dá)，淺層地下水和地表水資源豐富，光熱資源充足，為促進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展和原材料加工供應(yīng)提供了有利條件。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

大凌河流域1956—2012年的泥沙、徑流、降水等數(shù)據(jù)資料來源于《中國河流泥沙公報》和大凌河流域水文年鑒，并采用葉柏壽、朝陽、六和城、建陵水文站監(jiān)測平均值作為流域水面降水量數(shù)據(jù)。為了獲取連續(xù)的水文資料，對1958年朝陽站缺測的徑流量數(shù)值利用年代均值法進(jìn)行插補計算，并對缺測的年輸沙量根據(jù)實測徑流量和水沙關(guān)系進(jìn)行確定。根據(jù)1956—1992年相應(yīng)序列分析年內(nèi)輸沙和降雨變化特征，選擇1956—2012年序列作為年際變化分析依據(jù)。

2.2 分析方法

2.2.1 時間序列對比分析法

對比分析法是對不同水土保持措施下的水文效應(yīng)，利用集水區(qū)在非治理期和治理期的實測資料進(jìn)行分析，主要包括時間序列和集水區(qū)的對比分析兩個方面[7]。水土保持治理前后臨界年份的確定為應(yīng)用時間序列對比分析法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，該方法主要是依據(jù)相同水文站實測資料對同一流域治理前后的水文要素變化作出評價，從而揭示流域水沙變化與水土保持之間的作用關(guān)系。

2.2.2 Mann-Kendall秩相關(guān)法

Mann-Kendall秩相關(guān)法，是一種不受異常數(shù)值干擾和樣本不需要服從一定分布的非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，因具有定量化程度高、人為影響因素少以及趨勢檢測能力好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于水文序列和氣象參數(shù)的分析方面。對躍變變化的確切時間根據(jù)長序列要素均值變化的發(fā)生時間來確定為該檢驗方法的核心內(nèi)容，其基本理論為[8]：引入x1,x2,…,xn為n個樣本量構(gòu)成的時間序列，從而可建立相應(yīng)的秩序列：

(1)

在假定序列隨機獨立的條件下，可將統(tǒng)計量定義為如下形式：

UFk=[Sk-E(Sk)]/[Var(Sk)]1/2，(k=2,3,…,n)

(2)

式中，Var(Sk)、E(Sk)分別為累計樣本數(shù)Sk的方差和均值，其中UF1值為0，在有相同連續(xù)分布且相互獨立的時間序列x1,x2,…,xn中，可根據(jù)下式計算方差與均值：

(3)

UFk隨著n的不斷增加逐漸收斂于正態(tài)分布，UFk值的正、負(fù)代表分別代表樣本序列的上升與下降趨勢[9]。通過對正態(tài)分布表的查詢，對給定的顯著水平α，如果|UFk|>Uα，則代表時間序列具有顯著的變化趨勢；如果超過α=0.05的臨界水平值，則代表具有很大的突變概率。對樣本序列的突變利用上述方法檢驗，不僅要根據(jù)正序列x1,x2,…,xn確定相應(yīng)的統(tǒng)計量UFk，而且還要重復(fù)上述過程計算逆序列xn,xn-1,…,x1，通過對計算值取負(fù)確定逆序統(tǒng)計量UBk，然后分別繪制UFk與UBk的時間序列曲線，若在信度線之間存在逆序列與正序列統(tǒng)計量曲線交點，則可將該交點作為樣本序列發(fā)生突變的起始點。

3 結(jié)果分析

3.1 降水特征分析

3.1.1 年內(nèi)降水量分配

查觀測資料可知，不同月份大凌河流域降水量具有顯著的變化特征(見圖1)，其中6—9月份(夏季)為該流域降水集中期，占年降水量的67%；7—8月份為汛期，降水量較大，多年平均值為375mm，降水量最小和最大值分別出現(xiàn)在1月、7月。

圖1 大凌河流域多年平均降雨量分布

3.1.2 年際降水量變化

利用線性回歸法對1956—2012年大凌河流域年均降水量進(jìn)行統(tǒng)計分析(見圖2)。結(jié)果顯示該流域降水量主要集中在710～1200mm范圍，年際降水量整體表現(xiàn)出微弱上升的變化趨勢。大凌河流域年際降水量變化幅度較大的時期主要在20世紀(jì)70年代以前，最大降水量發(fā)生在1962年，為1129mm，最小降水量發(fā)生在1966年，為526mm，降水量極值比為2.14，年均降水量860mm。

圖2 大凌河流域年際降水量變化趨勢

對大凌河流域1956—2012年降水量變化利用Mann-Kendall秩分析法檢驗(見圖3)。結(jié)果顯示：在研究期間該流域降水量呈現(xiàn)出劇烈的隨機變化特征，并且整體表現(xiàn)出變化趨勢，顯著性水平未達(dá)到α=0.05的臨界值。

圖3 大凌河流域降水量變化趨勢M-K檢驗

3.2 泥沙變化特性分析

3.2.1 流域年內(nèi)輸沙變化

統(tǒng)計分析大凌河流域年內(nèi)輸沙量變化特征(見表1)，結(jié)果顯示：每年的6—9月(汛期)為輸沙量集中期，占全年的91%，大凌河流域年均輸沙量為1272萬t，輸沙量占比最大和最小值分別為8月的43%、1月的0.1%。由此表明，在年內(nèi)分布上該流域輸沙量變化較為顯著，不同月份的輸沙量存在較大差異，其原因可能與汛期多暴雨或強降雨的氣候特征相關(guān)，強降雨條件下雨水沖刷帶走大量的泥沙并匯入河流，從而使得河流輸沙量急劇增大，因此，汛期為大凌河流域輸沙量集中期。

表1 大凌河流域年內(nèi)輸沙量變化

3.2.2 流域年際輸沙變化

大凌河流域1956—2012年輸沙量統(tǒng)計分析結(jié)果(見圖4)顯示：大凌河流域輸沙量多年平均值為1035萬t，最大和最小值分別為1958年的4260萬t、2007年的186萬t，年際輸沙量極值比達(dá)到22.90。研究期間輸沙量呈現(xiàn)出明顯的降低趨勢，在二十世紀(jì)五、六十年代輸沙量整體處于4260萬～1038萬t，到90年代輸沙量減低幅度減弱，其原因可能與降水量增加相關(guān)。2000年以后，雖然該流域降水量有一定的增大，但是輸沙量仍然保持降低趨勢。結(jié)合該流域?qū)嶋H狀況和相關(guān)文獻(xiàn)資料，大凌河流域自1998年起已實施大量的水土流失治理工程、水土保持措施，水土保持工程建設(shè)在攔水蓄沙等方面發(fā)揮著顯著作用。

圖4 大凌河流域年際輸沙量變化特征

分別對朝陽、葉柏壽和建陵水文站的徑流變差系數(shù)進(jìn)行計算，并對年際輸沙與徑流變化差異進(jìn)行綜合對比分析，見表2。研究表明：各水文站徑流的CV,Q值均低于泥沙的CV,S，其中CV,S/CV,Q值處于2.4～3.8范圍；大凌河流域徑流的年際變化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于泥沙的年際變化。自大凌河流域上游至下游泥沙的CV,S呈現(xiàn)出逐漸降低的變化趨勢，而徑流的CV,Q值呈現(xiàn)出增大趨勢，各水文站點的CV,S值處于0.85～0.96范圍。

表2 大凌河流域各水文站點的年輸沙量變化特征

3.3 水土保持措施對流域輸沙的影響分析

人類活動、流域下墊面特征以及氣候環(huán)境等為影響流域泥沙變化的主要因素[10]，對于同一流域其年際面積變化保持相對穩(wěn)定，而人類活動與降雨因素通?？砂l(fā)生變化。地表產(chǎn)沙的主要驅(qū)動力為流域降水，地表產(chǎn)水產(chǎn)沙與流域的時空分布狀態(tài)密切相關(guān)，而流域下墊面特征在土地利用、水土保持等人類活動下可發(fā)生顯著變化，從而改變了流域產(chǎn)匯流機制，因此可認(rèn)為導(dǎo)致流域水沙量變化的直接與根本原因為降雨和人類活動。

人類活動對大凌河流域的影響較為單一，自20世紀(jì)80年代起該流域就開始實施大規(guī)模的水土流失治理，因此其治理程度較高并可認(rèn)為處于天然狀態(tài)。林草措施面積在大凌河流域水土流失治理中的占比較高，而壩地域梯田措施的面積比例相對較少，由此表明該區(qū)域治理類型以植被為主。流域范圍內(nèi)的水利工程建設(shè)，如大壩、水庫的修建相對于林草措施面積可忽略不計，因此可認(rèn)為降水與水保措施的變化是引起該流域泥沙改變的主要因素。

3.3.1 輸沙變化臨界年份

大凌河流域1956—2012年期間的多年平均輸沙量變化趨勢(見圖5)顯示：根據(jù)UFk與UBk的時間序列曲線確定輸沙量趨勢性躍變臨界年份。結(jié)果表明：在多年變化中和95%的信度水平下，大凌河流域輸沙量表現(xiàn)出較快的下降趨勢，并且在1978年出現(xiàn)突變。年均輸沙量在臨界年份前主要為1280萬t，而且發(fā)生突變以后主要為820萬t，突變后的年均輸沙量與前期相比降低了約36.0%。結(jié)合前面降水量降低幅度分析結(jié)果，可初步認(rèn)為水土流失治理可促進(jìn)流域輸沙量的降低。

圖5 大凌河流域輸沙量變化趨勢

3.3.2 不同時段流域輸沙變化

為了消除雨量對輸沙量變化的影響，可引入?yún)?shù)E：流域產(chǎn)沙系數(shù)[11-12]，單位為t/mm。據(jù)此，可有WS=EP，將研究期間相鄰時段的平均值分別用WS1、WS2，P1、P2，E1、E2表示，則可對上式進(jìn)行全微分，其表達(dá)式為

(4)

表3 不同時段內(nèi)大凌河流域輸沙量衰減因素分析

根據(jù)表3計算結(jié)果，在第Ⅰ～Ⅱ階段，水土保持和降雨對大凌河流域輸沙衰減量分別為75.28萬t、745.50萬t，水土保持對輸沙衰減的影響比例明顯低于降雨，由此表明在1975年以前人類活動對流域的影響較低，降水是引起輸沙衰減的主要因素；在第Ⅱ～Ⅲ階段，水土保持和降雨對大凌河流域輸沙衰減量分別為1715.40萬t、44.80萬t，由此表明在該階段發(fā)揮主導(dǎo)作用的為水土保持措施，降雨的影響作用顯著降低；在第Ⅲ～Ⅳ階段，水土保持和降雨對大凌河流域輸沙衰減量分別為1131.03萬t、36.18萬t，降雨引起的輸沙衰減影響程度顯著低于水土保持，雖然該階段降雨量也增大，但是相對于水土保持措施其所占比重較低，由此可認(rèn)為水土保持是驅(qū)動該流域20世紀(jì)70年代輸沙衰減的主要因素，由此進(jìn)一步說明了水土流失治理在近年來取得的明顯成效。

3.3.3 年內(nèi)輸沙變化特征

對臨界年份之后輸沙序列利用上述ΔP進(jìn)行修正，從而分析輸沙變化與降水之間的影響關(guān)系，并探討流域年內(nèi)輸沙量在水土保持治理前后的變化(見表4)。

表4 流域內(nèi)輸沙量在治理前后的變化過程

研究表明：月輸沙量在水土保持治理措施下表現(xiàn)出顯著的降低趨勢，并且降低幅度在不同月份存在一定差異；每年的7、8月份降低幅度為25%，汛期為23%，在10月份—次年5月份的變化幅度為5%，由此表明流域7、8月份輸沙量受水土保持措施的影響最為顯著，而對其他月份的影響不是十分明顯。

4 結(jié) 論

大凌河流域年內(nèi)降水量分布不均衡，而年際輸沙量變化較大，面平均降水量未表現(xiàn)出顯著的變化趨勢。各水文站點的輸沙量變差系數(shù)處于0.85～0.96范圍，徑流年際變化趨勢明顯低于泥沙的年際變化，1978年為大凌河流域輸沙量突變的臨界年份。

水土保持措施在不同時段對輸沙量變化的影響存在一定差異，水土保持是驅(qū)動該流域20世紀(jì)70年代輸沙衰減的主要因素，由此進(jìn)一步說明了水土流失治理在近年來取得的明顯成效。