鞏士群

(遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新 123000)

柳河是遼河的重要支流之一，柳河流域多年泥沙淤積、洪水頻發(fā)，生態(tài)平衡遭到嚴(yán)重破壞。對(duì)柳河流域進(jìn)行水沙特性分析和研究有助于維護(hù)河流生態(tài)穩(wěn)定，保護(hù)河流水資源。已有不少學(xué)者對(duì)柳河的徑流和水沙變化等進(jìn)行了研究并得出了重要結(jié)論[1]。安秉鋒[2]通過(guò)分析遼河支流水沙特性關(guān)系后指出柳河是遼河一級(jí)支流中貢獻(xiàn)輸沙量最多的一條。已有研究表明，河流水沙特性變化多與該流域氣候條件、人類活動(dòng)和植被狀況密切相關(guān)[3]。孫穎[4]運(yùn)用RVA法和分離氣候變化法分析了柳河彰武縣段泥沙和水文變化情況，認(rèn)為流域泥沙與水文變化具有相似特征,其原因?yàn)榱饔蛩匙兓诤艽蟪潭壬先Q于水土保持工程建設(shè)強(qiáng)度。張志玲等[5]對(duì)柳河流域徑流、泥沙要素從20世紀(jì)中葉到21世紀(jì)初的年內(nèi)分配及年際變化進(jìn)行時(shí)變過(guò)程分析,并研究徑流量與泥沙輸沙量的相關(guān)關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度,結(jié)果表明,柳河流域徑流量年內(nèi)及年際分配都很不均勻,且有隨時(shí)間發(fā)展更不均勻的現(xiàn)象。張鐵楠[6]通過(guò)對(duì)柳河流域六個(gè)水文站多年徑流泥沙觀測(cè)資料分析后發(fā)現(xiàn)柳河流域生態(tài)建設(shè)很大程度上減少了河流輸沙量以及河道徑流泥沙量，使得該流域生態(tài)環(huán)境得到改善,水土流失減少。王曉鵬[7]認(rèn)為柳河彰武縣段泥沙與水文變化有相同特征，并指出水土保持工程強(qiáng)度決定著柳河輸沙量變化。通過(guò)研究文獻(xiàn)與實(shí)地調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，柳河上游多年水土流失嚴(yán)重的主要原因還是流域森林覆蓋率極低，荒山禿嶺，耕地有機(jī)質(zhì)含量不足，固沙能力差等。為更細(xì)致分析柳河流域水沙特性與河道斷面變化情況，此次選擇柳河中上游為研究區(qū)，其中，徑流數(shù)據(jù)源自遼寧省河庫(kù)管理服務(wù)中心統(tǒng)計(jì)資料和遼寧省水資源公報(bào)，含、輸沙量圖和套繪斷面圖均根據(jù)彰武水文站歷年所測(cè)數(shù)據(jù)繪制。上述數(shù)據(jù)、圖表真實(shí)可靠，有較好的代表性和可研性。

1 研究區(qū)域

本次將彰武水文站以上作為研究主要區(qū)域，測(cè)驗(yàn)河段包括彰武縣水文站在內(nèi)的柳河中上游河段，河段總長(zhǎng)度2km，測(cè)驗(yàn)河段順直，河道兩岸為已修建的道堤防，河道斷面呈矩形狀。彰武站以北流域?qū)儆谄皆瓍^(qū)，區(qū)域含水層厚，一般厚度在100m左右，最厚達(dá)到了200m，含水層包含細(xì)砂各類粉細(xì)砂層水土流失比較嚴(yán)重。彰武水文站體量大、集水面積廣，總集水面積達(dá)到85km2，是柳河流域最早設(shè)立的水文站之一，自1934年6月設(shè)站以來(lái)就擔(dān)任起柳河流域水量標(biāo)志站和控制站的重任，是該流域水量調(diào)度和防汛抗旱的重要設(shè)施。彰武站區(qū)間情況見(jiàn)圖1。

圖1 彰武站區(qū)位圖

2 研究方法

2.1 一元線性回歸預(yù)測(cè)法

線性回歸預(yù)測(cè)法是利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法建立坐標(biāo)軸的相對(duì)關(guān)系來(lái)預(yù)測(cè)一種客觀現(xiàn)象的趨勢(shì)，現(xiàn)引入Yt為因變量，Xt為自變量，建立t期自變量Xt和因變量Yt之間的關(guān)系:

Yt=a+bxt

(1)

式中：xt為自變量關(guān)于t的函數(shù)(本文則表示為年份)；Yt為以t為函數(shù)的自變量X的函數(shù)值(文中表示徑流量、輸沙量和含沙量)；a、b分別為一元線性回歸方程的參數(shù)，在本文中表示各量(徑流量、輸沙量、含沙量)的起始值和斜率，在這里斜率可以表示因變量的變化程度，若b≥0，則表示因變量和自變量年份之間呈正相關(guān)，否則為負(fù)相關(guān)，根據(jù)參數(shù)的正負(fù)變化可總結(jié)出某現(xiàn)象長(zhǎng)期以來(lái)存在的規(guī)律。

2.2 滑動(dòng)平均法

滑動(dòng)平均法是通過(guò)增減新舊數(shù)據(jù)的方法來(lái)計(jì)算移動(dòng)平均值，通過(guò)這種方法可以有效消除偶然因素，從而更清楚了解事物發(fā)展的規(guī)律，根據(jù)這種規(guī)律還能延伸出該現(xiàn)象后續(xù)的走向和趨勢(shì)[8]。根據(jù)原理，對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)整理。假設(shè)收集的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為2K，對(duì)這些數(shù)值求取平均值，后再對(duì)Yt(新序列)求解，在平均值影響下，他們的隨機(jī)變化情況較平均前有所降低，此時(shí)讓X呈現(xiàn)出一定變化，增強(qiáng)其光滑性。新序列Yt用下式表示：

(2)

現(xiàn)令K等于5，則Y6、Y7可以表示為

Y9+Y10+Y11)

Y10+Y11+Y12)

3 結(jié)果分析

3.1 1980—2018年測(cè)站上游水沙特性分析

彰武站位于柳河中游，河水暴漲暴落，基本遵循漲沖落淤的規(guī)律，河床經(jīng)過(guò)多年河水輸沙后上淤嚴(yán)重。觀察水位流量關(guān)系曲線發(fā)現(xiàn)，柳河水流不固定，漲沖落淤，基本上為一次洪水一條線，重合的機(jī)會(huì)幾乎沒(méi)有[9-10]。1980—2018年測(cè)站徑流量變化見(jiàn)圖2，由于徑流量曲線圖起伏較大，采用滑動(dòng)平均法適當(dāng)消除過(guò)大的起伏，可以得出歷年柳河徑流量的一般規(guī)律。由圖2可知，多年以來(lái)柳河中上游流域徑流量波動(dòng)較大，2009年徑流量降低到接近閾值，1980—2009年曲線變動(dòng)較為平緩，但平均徑流量在4000萬(wàn)m3上下波動(dòng)，說(shuō)明這30年間柳河流域水量變化并不顯著。彰武站徑流量線性回歸趨勢(shì)方程為Y=63.277X+3043.8，可以看到趨勢(shì)線方程斜率為正值，由此可以推斷出近年來(lái)以彰武站為中心的柳河中上游年平均徑流量呈顯著上升趨勢(shì)。據(jù)水文站資料統(tǒng)計(jì)，彰武站多年徑流量平均值為4952.78萬(wàn)m3，多年徑流最大值達(dá)16000萬(wàn)m3，最小值接近0，出現(xiàn)年份分別為2017年和2009年。顯然2017年徑流量高居16000萬(wàn)m3不具備參考意義，通過(guò)圖像分析計(jì)算出趨勢(shì)線擬合程度指標(biāo)值R2=0.517,擬合程度超過(guò)0.5，表明趨勢(shì)線具備良好參考性，上述預(yù)測(cè)合理。

圖2 彰武站1980—2018年徑流量

柳河的河流含沙量一直受各界關(guān)注，該河流含沙程度與黃河屬同一級(jí)別，有東北地區(qū)第二黃河之稱。柳河河水含沙量大，河道泥沙淤積嚴(yán)重，有調(diào)查稱20世紀(jì)中葉到21世紀(jì)初多年平均年排入遼河的沙量達(dá)780.8萬(wàn)t。根據(jù)1980—2018年彰武站含沙量和輸沙量繪制的曲線見(jiàn)圖3、圖4。對(duì)比輸沙量趨勢(shì)圖和含沙量趨勢(shì)圖可知，1980—2018年柳河上游沙量呈顯著減少趨勢(shì)，其中輸沙量趨勢(shì)方程為：Y=-30.208X+1113.2，輸沙量以每年超過(guò)30萬(wàn)t的速度遞減。輸沙量圖以1996年為界，1996年以前，波動(dòng)較大，1996年以后波動(dòng)趨于平穩(wěn)。含沙量曲線圖變化趨勢(shì)與輸沙量趨勢(shì)相似，趨勢(shì)方程為Y=-0.548X+21.735，總體表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，降幅大于輸沙量，可以推測(cè)出2020年以后該河流含沙量將穩(wěn)定在0～5kg/m3。

圖3 彰武站歷年年含沙量變化過(guò)程圖

圖4 彰武站歷年年輸沙量變化過(guò)程圖

分析圖2所示1980—2018年年際徑流量曲線圖可知，2000年以后徑流量曲線圖趨勢(shì)與2000年以前恰好相反，由此選擇2000年以來(lái)徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)合徑流量分布將2000年以來(lái)年份分別按照豐水代表年、平水代表年和枯水代表年作區(qū)分，區(qū)分結(jié)果見(jiàn)表1。通過(guò)對(duì)上述典型年分析得出2000m3/s流量控制天數(shù)在三類典型年中都占比較大，豐水年占比高達(dá)全年的78.9%，即使枯水年也達(dá)到全年的54.8%。由此將2000m3/s流量作為中水標(biāo)準(zhǔn)值。同樣地，含沙量控制天數(shù)占比最大的是2.0kg/m3，占比達(dá)到全年的75%，具備良好參考性。

表1 流量與含沙量天數(shù)統(tǒng)計(jì) 單位：天

依據(jù)上述分析可知雖然柳河上游流域徑流量呈逐年增加，但是輸沙量和含沙量卻表現(xiàn)出顯著的年度降低趨勢(shì)，說(shuō)明柳河多年來(lái)含沙量的降低主要是水保措施的影響，流域降雨是次要因素。趨勢(shì)線與流量、2000年以來(lái)柳河上游含沙量天數(shù)統(tǒng)計(jì)分析表則進(jìn)一步印證了柳河流域泥沙控制和水土保持措施的有益成效，柳河上游日均徑流量將持續(xù)穩(wěn)定在2000m3/s的水平，而小于2.0kg/m3含沙量的天數(shù)會(huì)持續(xù)增多。

3.2 河道斷面變化分析

彰武水文站不同年份實(shí)測(cè)大斷面套繪見(jiàn)圖5。2000—2015年汛前河道處于微淤狀態(tài)。雖然2005年、2013年、2017年三年發(fā)生較大洪水但是洪水沖刷過(guò)后河道快速淤積基本處于逐漸淤積狀態(tài)。自2000年汛前開(kāi)始到2019年，河道處于淤積狀態(tài)，累計(jì)斷面平均淤積0.80m。柳河大堤渠化后，河道斷面左岸基本固定，沖淤變化不大，主河道沖淤基本處于平衡狀態(tài)；2017年汛期，柳河上游發(fā)生了467m3/s的較大洪水，經(jīng)過(guò)洪水沖刷，最大沖刷深度0.40m，經(jīng)過(guò)洪水后斷面淤積基本沒(méi)有明顯變化。綜上所述，柳河彰武段大水年份沖刷，小水年份淤積，長(zhǎng)期看基本處于動(dòng)態(tài)平衡逐漸淤積狀態(tài)。彰武水文站河道斷面雖然多年經(jīng)歷沖刷和淤積，但是總體來(lái)說(shuō)斷面形狀基本保持不變，河道寬度并未發(fā)生顯著性改變，平面橫向?qū)挾葲](méi)有擺動(dòng)現(xiàn)象。

從大斷面套繪圖可以看出，2012年汛期前后到2018年汛期前后洪水過(guò)程基本都小于1000m3/s，近些年彰武站所測(cè)河段均沒(méi)有任何采砂活動(dòng)和大型工程建和大型工程建設(shè)活動(dòng)，通過(guò)套繪發(fā)現(xiàn)該斷面基本保持穩(wěn)定，河道雖有沖淤變化，但基本保持平衡。2015年汛后柳河大堤兩岸修建防洪墻，柳河大橋進(jìn)行為期3年的翻修，兩岸堤防出現(xiàn)明顯變化，河底淺灘處由于修建施工便道平均提高0.70m，主河道250～310m出現(xiàn)便道經(jīng)常沖毀現(xiàn)象，河底高程變化不定，最大變幅1.72m。彰武站2015—2019年汛后大斷面套繪圖見(jiàn)圖6。

圖5 彰武水文站不同年份大斷面套繪圖

圖6 彰武站2015—2019年汛后大斷面套繪圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合彰武站不同年份斷面套繪圖和1980—2018年測(cè)站關(guān)于柳河上游含沙量和輸沙量的數(shù)據(jù)對(duì)柳河上游水沙特性作了分析和預(yù)測(cè)，分析結(jié)果如下：

a.柳河自水土保持和河流治理措施實(shí)施以來(lái)，上游流域河流含沙量顯著降低。工作開(kāi)展后，柳河輸入遼河的沙量從1988年之前的均值780.8萬(wàn)t降至327.6萬(wàn)t。

b.以1996年為界，柳河上游流域輸沙量、含沙量波動(dòng)逐漸趨于平滑，輸沙量和含沙量變化曲線與徑流量曲線走向相反。自2000年以來(lái)，柳河上游流域雖然徑流增加，但河流含沙量和輸沙量卻平滑降低。

c.柳河彰武段大水年份沖刷，小水年份淤積，長(zhǎng)期看基本處于動(dòng)態(tài)平衡逐漸淤積狀態(tài)。彰武水文站河道斷面雖然多年經(jīng)歷沖刷和淤積，但是總體來(lái)說(shuō)斷面形狀基本保持不變，河道寬度并未發(fā)生顯著性改變，平面橫向?qū)挾葲](méi)有擺動(dòng)現(xiàn)象。

最新測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，2019年至2020年底，自柳河排入遼河的沙量依然處在較低值，最新數(shù)據(jù)結(jié)果與前文所述相一致，分析結(jié)果證實(shí)了“十三五”以來(lái)柳河上游水土保持工作的顯著效果，現(xiàn)正值“十四五”開(kāi)局時(shí)期，各級(jí)水利(水保)部門應(yīng)當(dāng)扎實(shí)鞏固治理經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)加大柳河上游生態(tài)保護(hù)紅線內(nèi)水土流失治理力度，依法有效強(qiáng)化人為水土流失監(jiān)管，科學(xué)推進(jìn)水土流失綜合治理，提升水土保持監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)水平。