孫曉蕾

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114039)

我國(guó)現(xiàn)有水土流失面積近300萬(wàn)km2，是世界上水土流失情況最嚴(yán)重的國(guó)家之一[1]。水土流失具有侵蝕耕地、淤塞河道、影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等危害，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中的重大生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，是生態(tài)文明建設(shè)過(guò)程中的重要阻礙[2]。近年來(lái)，極端氣候頻現(xiàn)，人類(lèi)農(nóng)林牧漁等生產(chǎn)及工程建設(shè)等活動(dòng)導(dǎo)致的河流水沙災(zāi)害日益嚴(yán)重，因此，進(jìn)行降雨變化和人類(lèi)活動(dòng)與水沙變化之間的定量分析，開(kāi)展水沙災(zāi)害的影響因素、預(yù)測(cè)研究，在水土保持理論研究和應(yīng)用中都具有重要意義。

大沽夾河，位于山東省煙臺(tái)市，分為東支流和西支流。西支流亦為清洋河，干流長(zhǎng)75km，流域面積為 1224km2。大沽夾河山區(qū)植被較少，水土流失嚴(yán)重，且河口段大潮進(jìn)沙量大，容易造成河道泥沙淤積，汛期暴雨時(shí)洪水下泄，河道內(nèi)水位急速上升而產(chǎn)生洪澇災(zāi)害。清洋河流域內(nèi)最重要的水利工程是門(mén)樓水庫(kù)，本研究選取門(mén)樓水庫(kù)水文站的水文資料作為清洋河流域水文要素情況的代表站[3]。

1 分析方法

1.1 Mann-Kendall檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

Mann-Kendall檢驗(yàn)是分析水文序列趨勢(shì)的有效工具，對(duì)于任意時(shí)間序列xi(i=1，2，…，n)，Mann-Kendall[4-6]趨勢(shì)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量如下：

(1)

式中

(2)

當(dāng)數(shù)據(jù)樣本數(shù)n≥8時(shí)，統(tǒng)計(jì)量S服從正態(tài)分布，方差為

(3)

標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量服從正態(tài)分布，即

(4)

衡量趨勢(shì)大小指標(biāo)為

(5)

式中，1

1.2 啟發(fā)式分割法

設(shè)x(t0)為時(shí)間序列x(t)的分割點(diǎn)，分割后的兩個(gè)子序列的平均值設(shè)為μ1(i)和μ2(i)，標(biāo)準(zhǔn)差設(shè)為S1(i)和S2(i)，則i點(diǎn)的合并偏差SD(i)為[7-9]

(6)

i點(diǎn)分割的兩個(gè)子序列均值差異檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)TD(i)為

(7)

Tmax(i)對(duì)應(yīng)兩個(gè)子序列差異最大的情況，統(tǒng)計(jì)概率P(Tmax)為

(8)

設(shè)定臨界值P0，當(dāng)P(Tmax)≥P0，則在該點(diǎn)將數(shù)列分為兩個(gè)具有差異的子序列，并對(duì)分割得到的子序列進(jìn)行循環(huán)分割，直至不可分割。設(shè)0為最小分割尺度，當(dāng)序列長(zhǎng)度小于0時(shí)，將不再進(jìn)行分割。一般0.5≤P0≤0.95，0≥25。

1.3 有序樣本聚類(lèi)檢驗(yàn)法

有序樣本聚類(lèi)檢驗(yàn)法是對(duì)多變量的研究樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)的分析方法，可根據(jù)研究樣本數(shù)據(jù)的離散程度或相似系數(shù)，推求最優(yōu)的分段點(diǎn)，將樣本數(shù)據(jù)分成若干子序列[10]，使同一子序列的數(shù)據(jù)之間離差平方和較小，而不同子序列數(shù)據(jù)之間的離差平方和較大[11]。

假設(shè)τ為序列xi(t=1，2，…，n)的分段點(diǎn)，則子序列的離差平方和為

(9)

與

(10)

總離差平方和為

Sn(τ)=Vτ+Vn-τ

(11)

式中，Sn取最小值時(shí)對(duì)應(yīng)的τ即為最優(yōu)分段點(diǎn)。

1.4 雙累積曲線(xiàn)法

Searcy[12]在Merriam[13]研究的基礎(chǔ)上，對(duì)雙累積曲線(xiàn)法進(jìn)行了拓展研究，使其廣泛應(yīng)用于水文要素的一致性檢驗(yàn)、變化規(guī)律檢驗(yàn)、缺值插補(bǔ)等水文要素趨勢(shì)性變化分析。

(12)

(13)

式中，X′，Y′分別為X，Y的累積量；Xi為第i年的參考變量；Yi為第i年的檢驗(yàn)變量。

2 氣候變化對(duì)清洋河徑流影響硏究分析

2.1 降水、蒸發(fā)和徑流趨勢(shì)

1963—2016年歷年實(shí)測(cè)年降水量、徑流量和輸沙量如圖1所示。

圖1 1963—2016年清洋河實(shí)測(cè)年降水量、徑流量、輸沙量圖

利用Mann-Kendall模型對(duì)降水量、徑流量和輸沙量的趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果顯示降水量、徑流量均呈下降趨勢(shì)，但年際變化不明顯，而輸沙量年際間呈顯著下降的趨勢(shì)，詳見(jiàn)表1。

表1 清洋河年降水量、徑流量、輸沙量檢驗(yàn)結(jié)果

2.2 年際要素變點(diǎn)分析

為了更準(zhǔn)確確定年際輸沙量的突變年份，采用啟發(fā)式分割法和有序樣本聚類(lèi)檢驗(yàn)法進(jìn)行計(jì)算分析，相關(guān)結(jié)果如圖2所示。由此可以看出，采用啟發(fā)式分割法1976年的T值最大，且P(Tmax)≥P0，采用有序樣本聚類(lèi)檢驗(yàn)法S0(τ)最小值發(fā)生在1976年。兩種方法均推得年際輸沙量突變年份為1976年。

圖2 清洋河徑流量的啟發(fā)式分割法和有序聚類(lèi)分割法計(jì)算結(jié)果示意圖

同理，采用啟發(fā)式分割法和有序樣本聚類(lèi)檢驗(yàn)法計(jì)算確定1976年為徑流量明顯變點(diǎn)。則年際輸沙量和徑流量序列分割為1963—1976年和1977—2016年兩個(gè)階段，相關(guān)水文氣候要素統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 清洋河不同階段水文氣候變量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.3 降雨變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水沙影響的定量區(qū)分

利用Excel軟件繪制1963—2016年實(shí)際測(cè)量值的累積降水量-累積徑流量和累積降水量-累積輸沙量的雙累積曲線(xiàn)，如圖3—4所示。

圖3 清洋河1963—2016年累積降水量-累積徑流量雙累積曲線(xiàn)

圖4 清洋河1963—2016年累積降水量-累積輸沙量雙累積曲線(xiàn)

將累積降水量-累積徑流量曲線(xiàn)和累積降水量-累積輸沙量的雙累積曲線(xiàn)在計(jì)算突變點(diǎn)1976年分別分成兩段數(shù)據(jù)散點(diǎn)，并繪制趨勢(shì)線(xiàn)，計(jì)算回歸方程和方差。根據(jù)圖3—4，兩條雙累積曲線(xiàn)均在1976年發(fā)生轉(zhuǎn)折，趨勢(shì)線(xiàn)斜率均變小。

根據(jù)1963—1976年回歸方程預(yù)測(cè)1977—2016年的徑流量和輸沙量理論預(yù)測(cè)均值，則降水量變化導(dǎo)致的定量影響為不同時(shí)間跨度的理論均值差值，人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的定量影響為理論預(yù)測(cè)均值與實(shí)測(cè)均值的差值。

由表3計(jì)算結(jié)果可知，1977—2016 年的徑流量實(shí)測(cè)均值比1963—1976年減少1.03×108m3，其中降水量變化因素占76.70%，人類(lèi)活動(dòng)因素占23.30%；1977—2016 年的輸沙量實(shí)測(cè)均值比1963—1976年減少7.06×104t/a，其中降水量變化因素占29.89%，人類(lèi)活動(dòng)因素占70.11%。

表3 人類(lèi)活動(dòng)與降水量變化對(duì)清洋河水文要素影響

3 結(jié)論

(1)Mann-Kendall檢驗(yàn)顯示年際間降水量、徑流量均呈微弱下降趨勢(shì)，輸沙量呈顯著下降趨勢(shì)，并使用啟發(fā)式分割法和有序樣本聚類(lèi)檢驗(yàn)法確定1976年為徑流量和輸沙量趨勢(shì)變化明顯變點(diǎn)。

(2)大沽夾河流域降雨呈逐年遞減趨勢(shì)，降雨分布極其不均，特別是1986、1989和1999年的降水量達(dá)到歷史極低值，對(duì)年際間徑流量降低趨勢(shì)起主要影響；另外，生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水的取用量逐年遞增，是徑流量減少的次要因素。徑流量年際間呈下降趨勢(shì)對(duì)輸沙量的變化起一定影響，但主要是由取水?dāng)r沙、河道整治、退耕還林等人類(lèi)活動(dòng)對(duì)輸沙量的顯著下降趨勢(shì)起決定性作用。

(3)河流水沙變化是復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，本研究為具有相似氣候和地理?xiàng)l件的河流體系水沙變化分析做出一次有益的嘗試，提供一種可供借鑒的定量分析方法，能否廣泛推廣還需進(jìn)一步研究探討。在后續(xù)的研究中，可將地下水開(kāi)采、水利工程興建等因素納入分析范圍，更加全面準(zhǔn)確地分析清洋河水沙變化，使該方法具有更廣的借鑒性和更強(qiáng)的實(shí)用性。