大凌河流域水土保持措施對(duì)河流泥沙變化的影響劉金【摘要】文章在詳細(xì)分析了Mann-Kendall秩序相關(guān)法和距平累計(jì)法基本原理的基礎(chǔ)之上，研究了水土保持措施對(duì)大凌河流域的降雨、徑流和輸沙特性的影響變化情況，然后對(duì)不同影響因素作用下的輸沙變化量進(jìn)行了定量的分析和權(quán)重計(jì)算.結(jié)果表明:大凌河流域多年來(lái)的平均輸沙量表現(xiàn)出顯著的降低趨勢(shì)，人類活動(dòng)和降雨是引起河流輸沙減少的主要因素;在不同的時(shí)間序列下水土保持措施引起的大凌河流域輸沙變化量存在較大差異，且1980年之后的水土保持措施是引起輸沙衰減的關(guān)鍵性因素，水土保持措施對(duì)大凌河流域的輸沙影響較為顯著的時(shí)間段在每年的8、9月份.文章的研究成果可為大凌河流域采取科學(xué)有效的水土流失治理措施和建立相關(guān)的水土治理制度提供一定的科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐.【期刊名稱】《黑龍江水利科技》【年(卷)，期】2018(046)004【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P25-28)【關(guān)鍵詞】水土保持;河流泥沙;變化影響;大凌河【作者】劉金【作者單位】朝陽(yáng)縣水土保持局，遼寧朝陽(yáng)122000【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】S1570引言土地利用形式和降雨量變化特征是進(jìn)行河流泥沙量研究的重要基礎(chǔ)，對(duì)于進(jìn)行河流泥沙治理具有重要意義。國(guó)內(nèi)夕卜學(xué)者分別采用多種方法理論，在大量的研究課題中開展了土地利用形式和植被覆蓋率對(duì)水文河流的影響研究，并取得了豐富的研究成果［1］。但是因考慮的因素較少且應(yīng)用技術(shù)存在一定的缺陷，僅僅采用水文模型、水文學(xué)方法以及水土保持技術(shù)的研究較難滿足水資源演化規(guī)律性研究的需要，滿足不了水文變化制度政策的建設(shè)需要［2］。當(dāng)前，中國(guó)已經(jīng)開展了大量的水土保持工程建設(shè)，并建立了適用于水土保持的技術(shù)理論體系，明顯改變了流域下墊面層的地形地貌結(jié)構(gòu)特征。大凌河流域近30a來(lái)的徑流和輸沙特征發(fā)生了明顯改變，且因?qū)Υ蟪亲?、朝?yáng)以及凌河水文站之間的流域研究不足，造成對(duì)大凌河全流域的水土保持工程的科學(xué)評(píng)價(jià)產(chǎn)生不利影響。文章選擇徑流較大，且輸沙量多的大凌河匯集區(qū)為研究對(duì)象，并結(jié)合監(jiān)測(cè)站的水文監(jiān)測(cè)資料，探討了該流域的降雨徑流變化和輸沙量變化趨勢(shì)，然后根據(jù)輸沙變化臨界年份對(duì)不同時(shí)段的輸沙衰減量做定量的分析計(jì)算，并計(jì)算了因降雨和水土保持措施引起的輸沙減少量比重，從而更加客觀準(zhǔn)確的水土保持措施引起的河流泥沙量變化情況，為進(jìn)行水土保持關(guān)鍵性技術(shù)措施研究提供決策性依據(jù)和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)［3］。1研究區(qū)域概況文章所研究的大凌河流域位于中國(guó)遼寧省西部，該河流泥沙量較大，受降雨量和人類活動(dòng)影響較為顯著，泥沙含量約為57kg/m3。流域大小支干交錯(cuò)，全長(zhǎng)398km，所占面積約為2.35萬(wàn)km2。大凌河屬于溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，日照豐富、溫差大，資料顯示9月和10是該流域的降雨旺季，年降水量約為450-600mm，降雨時(shí)間分布不均勻，徑流量約為16.67億m3。大凌河流域總體植被覆蓋率較低，流經(jīng)低山低丘陵區(qū)、山間河谷平原以及林草灘地區(qū)，其中以低山地丘陵區(qū)為主占流域總面積的75%左右。土質(zhì)疏松物理性能較差，植被覆蓋率低，水土流失嚴(yán)重，是大凌河泥沙的主要來(lái)源。該河流流經(jīng)中國(guó)東北部的重工業(yè)基地，資源物產(chǎn)豐富，改革開放以來(lái)，煤炭以及鋼鐵工業(yè)得到快速發(fā)展，同時(shí)帶動(dòng)了建筑業(yè)、砂石礦工業(yè)以及其他服務(wù)行業(yè)的發(fā)展，大凌河流域水文資源是支撐我國(guó)東北部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和改善人們生活水平的重要保障。2資料來(lái)源與計(jì)算方法2.1資料來(lái)源采用的大凌河1980-2015年降水、徑流、泥沙資料來(lái)自于大凌河流域水文年監(jiān)測(cè)站。研究流域面平均降雨量采用朝陽(yáng)、大城子和凌海水文監(jiān)測(cè)站的算術(shù)平均值。文中以1980-2005年的降雨和輸沙量進(jìn)行每年的變化特征分析，以1980-2015年的時(shí)間序列進(jìn)行各年的變化特征分析，大凌河流域上游區(qū)選取大城子水文站、中游選取朝陽(yáng)水文站，下游選取凌海水文站，并以凌海水文站為研究流域的出口站。2.2計(jì)算方法文章主要利用相關(guān)性系數(shù)法和水文序列對(duì)比法開展水土保持弓I起的河流降雨徑流和泥沙輸入量變化的定量計(jì)算分析，相關(guān)性系數(shù)法和水文序列對(duì)比法基本原理和特征如下：Mann-Kendall相關(guān)性分析法是進(jìn)行降雨徑流和輸沙變化研究的主要方法。該方法主要是利用非參數(shù)統(tǒng)計(jì)原理，對(duì)數(shù)據(jù)樣本序列進(jìn)行整體性變化規(guī)律研究。因其統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)不具有規(guī)律性，不滿足概率分布原則，故統(tǒng)計(jì)結(jié)果不受極端和特殊性數(shù)值的干擾，更具有科學(xué)性和準(zhǔn)確性。相關(guān)性分析法對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)發(fā)展情況分析方法與參數(shù)檢測(cè)變化趨勢(shì)分析具有相同的可靠性，其過(guò)程是通過(guò)分析各參數(shù)在不同的時(shí)間序列下的特定時(shí)間預(yù)測(cè)河流某特征突變的確切時(shí)間。結(jié)合水土保持治理前后的水文實(shí)測(cè)資料，進(jìn)行水土保持治理措施的水文效應(yīng)研究的方法主要包括集水區(qū)對(duì)比和時(shí)間序列對(duì)比分析法。參考水文站實(shí)測(cè)水文資料，對(duì)同一河流的水土保持效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析，統(tǒng)計(jì)在水文治理前后的各水文要素變化結(jié)果，可進(jìn)行引起流域泥沙變化的影響因素研究［10］。3結(jié)果與分析3.1降水特性分析大凌河流域降水量年內(nèi)分配不均，6-9月面平均降水量占年值67.2%；汛期降水量集中于8-9月，其平均降水量為230.4mm，占全年降雨量的65.1%，占多年汛期降雨量的73.8%。最大月降水量發(fā)生在8月，最小月降水在12月。流域面年平均降水量分布狀況如圖1所示。圖1大凌河流域年平均降雨量分布圖大凌河流域多年平均降水量354mm，在20世紀(jì)80年代以前年際變化比較大，最大年降水量528.5mm（1980年），最小年89.5mm（1993年），極值比為5.9。各年代降水量中，21世紀(jì)降水量最大為517.3mm。文章利用相關(guān)性分析法對(duì)大凌河流域的降雨量變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。結(jié)果表明：從1980年，在研究流域的大城子、朝陽(yáng)和凌海階段的降雨量發(fā)生了明顯的變化，且整體呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，但不能可靠、準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)之后的降雨量變化情況。3.2泥沙特性分析大凌河年均輸沙量1627萬(wàn)t，年內(nèi)分配主要集中于汛期（6-9月），尤其是7-8月。在汛期河流的輸沙量較大，占全年的85.2%，其中在汛期的7月和8月輸沙量占總量的78.3%。汛期的6月份的輸沙量最大，占全年的32.4%，1月份輸沙量最少，占全年的0.2%。綜上所述，大凌河在汛期的輸沙變化量表現(xiàn)出明顯的不均衡性，其主要原因是汛期流域內(nèi)的暴雨和洪水較多，導(dǎo)致大量的泥沙和降雨流入河內(nèi)。暴雨和洪水是引起河流輸沙變化量的關(guān)鍵性因素，在汛期和洪水期，流域的輸沙量較多。通過(guò)對(duì)不同年份之間的流域輸沙量變化情況對(duì)比分析可知，在凌海站的多年平均輸沙量為1276.5萬(wàn)t,1988年是凌海站輸沙量最大的年份為4937.4萬(wàn)t,最小年發(fā)生在1995年為572萬(wàn)t，最大與最小的極值比高達(dá)28；朝陽(yáng)水文站至凌海水文站流域區(qū)間，20世紀(jì)80年代輸沙量最大年均輸沙量為1866.4萬(wàn)「而到90年代輸沙量下降到了1572.7萬(wàn)t，90年代末減到了最小值572萬(wàn)t，其原因是在90年代期間發(fā)生降雨量較少。在21世紀(jì)初始，雖然流域降雨量有所增加，但輸沙量增加趨勢(shì)不明顯，通過(guò)查找文獻(xiàn)可知，在21世紀(jì)隨著大凌河流域水土保持治理制度的完善以及大量的水土保持治理工程的建設(shè)，該流域水土保持面積明顯增加,同時(shí)也可以充分說(shuō)明水土保持治理措施表現(xiàn)出良好的攔水護(hù)沙功能。21世紀(jì)，在水土保持治理下的不同年份朝陽(yáng)和凌海水文站的徑流和泥沙輸入量的變化差異如表1所示。表1大凌河流域各水文監(jiān)測(cè)代表占年輸沙量變化特征站名泥沙均值/萬(wàn)t泥沙量徑流量CV,SCS,S/CV,SCV,QCS,Q/CV,QCV,S/CV,Q朝陽(yáng)1238.51.22.60.252.63.2凌海865.71.02.60.273.13.5朝陽(yáng)-凌海1084.31.12.60.360.82.3由表1計(jì)算結(jié)果可知，朝陽(yáng)水文站泥沙量〉凌海水文站，且在朝陽(yáng)和凌海區(qū)間的河流泥沙量處于中間值，說(shuō)明隨著河流往下游的繼續(xù)前進(jìn)，輸沙量逐漸減小；CV,Q值均＜CV,Q值，CV,S/CV,Q的比值變化區(qū)間為2.3-3.5，可以看出在研究區(qū)域內(nèi)，水土治理措施下的泥沙變化量大于徑流量；從CV,S值從上游至下游而逐漸減小同樣可以看出河流泥沙量逐漸減少。3.3水土保持措施影響水土保持措施下的研究結(jié)果表明：在95%信度水平下，大凌河流域輸沙量在多年變化中呈明顯下降趨勢(shì)，且從1995年開始發(fā)生突變。臨界年份前后平均輸沙量分別為1428萬(wàn)t、748萬(wàn)t。與前期相比在面平均降水量減小18%的情況下，流域輸沙量減小幅度達(dá)60.7%，汛期輸沙量減少了670萬(wàn)t，減小幅度為52.9%。綜上所述，水土保持工程建設(shè)和水土治理措施使得研究流域的河沙輸入量明顯減少，其河沙起到一定的攔截控制作用。采用時(shí)間序列對(duì)比分析法進(jìn)行輸沙量變化計(jì)算，由計(jì)算結(jié)果可知，在1995年曲線斜率發(fā)生較小變化，經(jīng)分析，控制面積由原來(lái)1684km2變?yōu)?027km2，輸沙量的微小變化可能與流域面積變化有關(guān)；1990年開始曲線斜率明顯減小，這20世紀(jì)的降雨徑流量有關(guān)；1995年曲線斜率有所增加，到2000年又開始減小。故將流域水沙變化時(shí)段劃分為4個(gè)，即1(1980-1989年)、口(1990-1999年)、0(2000-2009年)、3(2010-2015年)。不同的水土保持措施可對(duì)河流輸沙產(chǎn)生較為顯著的影響，文章為了排除因降雨量變化引起的輸沙影響，故可利用下式進(jìn)行計(jì)算：WS=ExP(1)式中：E為侵蝕率，產(chǎn)沙系數(shù)。取相鄰兩時(shí)段的平均值分別為WS1、WS2、P1、P2和E1、E2,對(duì)WS=ExP取全微分，并以下式進(jìn)行差分計(jì)算：(2)上述方程也可以改寫成：△WS=P^E+E^P。根據(jù)文中上述分析結(jié)果，利用上述公式采用另一種計(jì)算方法對(duì)進(jìn)行大凌河流域在各階段的輸沙量變化計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。表2大凌河流域輸沙衰減量計(jì)算結(jié)果及分析時(shí)間序列IHBIVWS/萬(wàn)t1853.81639.21296.21083.7P/mm683.6537.2314.6475.2E/萬(wàn)t?mm6.46.13.22.4^WS—725.41092.5845.6叩一85.710.5-30.7狂一0.12.61.6E^P—639.558.3187.4P^E—43.5638.2583.7E^P+P^E—683696.5771.1由表2可知，在治理前期，即第1階段一第2階段，降雨對(duì)輸沙衰減量的影響為639.5萬(wàn)t，水土保持影響為43.5萬(wàn)t，雨量影響和水土保持影響分別占93.6%、6.4%，說(shuō)明大凌河流域在20世紀(jì)80年代以前受人類活動(dòng)影響較弱，泥沙變化主要是由降水變化引起的；而在第2—3階段，降雨影響為58.3萬(wàn)t，水土保持影響高達(dá)638.2萬(wàn)「二者所占比例分別為8.4%、91.6%。由計(jì)算結(jié)果可知，水土流失治理措施發(fā)揮了明顯的效應(yīng)，有效的對(duì)土壤泥沙進(jìn)行攔截防護(hù)，從而降低了泥沙對(duì)河流的輸入，而降雨量的增加趨勢(shì)＜水土保持的防護(hù)作用，其計(jì)算結(jié)果與文中上述分析結(jié)果保持一致性。在第3(2000-2009年)-第4(2010-2015年)階段，降雨影響為187.4萬(wàn)t。水土保持影響為161.1萬(wàn)t。由于這一階段降雨量的增加，使得二者所占比例分別變?yōu)?4.3%、75.7%，也說(shuō)明該階段輸沙的少量增加是受降雨影響所致。根據(jù)輸沙突變期，對(duì)突變期年份進(jìn)行各月份的輸沙量變化研究，統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果如表3所示。表3修正前后流域輸沙量年內(nèi)變化量萬(wàn)t項(xiàng)目汛期枯水期8、9月份年值前期1685.4285.11447.61846.4后期1299.7273.81085.31593.2幅度/%22.84.025.013.7由表3計(jì)算結(jié)果可知，在河流泥沙輸入突變的年份，不同的月份對(duì)河沙輸入的貢獻(xiàn)率不同，輸沙量存在較大差異。與前期相比，8-9月月輸沙減少幅度為25.0%，6-8月輸沙減少幅度為22.8%，而枯水期僅為4.0%。說(shuō)明水土保持措施對(duì)流域8、9月份輸沙量影響最大，對(duì)其它月份減沙作用不是很顯著。4結(jié)論從1980年，在研究流域的大城子、朝陽(yáng)和凌海階段的降雨量發(fā)生了明顯的變化，且整體呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。大凌河流域水土保持治理制度的完善以及大量的水土保持治理工程的建設(shè)，該流域水土保持面積明顯增加，同時(shí)也可以充分說(shuō)明水土保持治理措施表現(xiàn)出良好的攔水護(hù)沙功能。大凌河流域在前期水土保持治理相對(duì)落后，