论河道水沙变化特征分析的方法

林文博（河南省济源水文水资源勘测局，河南济源 454650）



论河道水沙变化特征分析的方法

林文博
（河南省济源水文水资源勘测局，河南济源 454650）

【摘要】我国北方水沙关系不协调情况日益突出，其治理的主要难题在于径流和泥沙关系的处理。近50年来，由于气候变化及工程类的开发，许多河流水沙关系加剧恶化，因此，从深层次上揭示水沙关系的机理、特点和工程对水沙的影响是水沙研究的首要任务。对于水沙的时空演变特征的研究，对河流的治理开发意义重大。

【关键词】河流泥沙 水文方法 Mann-Kendall检验法 小波分析

1 我国河流泥沙现状

我国是水土流失最严重的国家之一，水土流失面积占我国总面积的38%以上，大量的水土流失不仅造成土壤退化严重，而且也使得河流泥沙含量变大，全球多年平均输沙量大于100×106t的河流有25条，中国就有9条。这些泥沙在中下游江河湖泊的淤积与近年来频发的大范围洪涝有直接关系。

近年来.我国各流域洪水灾害普遍出现“小流量高水位”的现象，同流量下水位不断抬升，并呈逐年加重趋势。小水大灾、灾害频率加剧，损失重大。事实说明，除人类活动影响及防洪意识、防洪工程建设和防洪管理等方面依然欠缺外，泥沙问题是加剧洪水灾害的直接原因。河流具有输沙能力，水流、泥沙交织在一起，相互关联，相互依存，突出表现为大区域内泥沙输移规律改变引起不适当位置的累积性冲淤。人们通常只认识到洪水灾害的严重性，却常常忽视泥沙对洪水等自然灾害的影响，其实，泥沙输移是造成河道行洪能力恶化的主要因素。河流是一个动态的反馈系统，河床和水流以泥沙为中介互相作用，河流局部水沙条件变化时，容易导致泥沙输移状态的改变，从而引起河流内更大范围水沙状态的调整，甚至促成和加剧洪水灾害。而且，泥沙具有累积效应，由于近年来植被破坏、气候变化等影响，流域生态环境恶化，水土流失严重，使得泥沙输移状态更容易诱发并加剧洪灾。从目前来看，河道、水库泥沙已经成为制约经济发展的难题之一，是我们面临的一大科学难题，因此，要更近一步的揭示水沙关系的特征以及求相应的解决方法是泥沙研究的第一步。对水沙的时空演变特征的研究，对有效应对区域、流域水沙带来的灾害问题有着重要的意义。

2 水文学研究水流沙的方法

水沙关系具有丰富的内涵和外延，涉及到水文学、水力学、地理地貌学及社会经济学等多学科的交叉问题。由于我国水土流失比较严重，近年来因泥沙输移变化引起江河水沙灾害加剧的现象也越发严重，开展水沙相关规律研究，无论在理论上还是在实际应用中，对保护生态环境、防洪减灾及河道科学利用都具有十分重要的意义。

20世纪后期以来，由于气候变化、大型水利工程修建、城市工农业生活用水的增加及水土保持措施等因素影响，对水资源利用迅速增加使得许多河道来水来沙变化过程更加复杂。研究河段水沙变化特征及原因，对于揭示该河段水沙变异和河床演变机理十分必要。

首先，使用Mann-Kendall检验法分析各站点水沙变化趋势及突变点，Mann-Kendall检验法是世界气象组织推荐并已广泛使用的非参数检验方法，该检验方法不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，适用于水文、气象等非正态分布的数据，计算简便，可分析径流、输沙量等要素的趋势变化；利用线性回归法进行趋势分析，并进行显著性检验。

然后，对于变化周期的研究中，水文学研究的对象一般是与时间序列紧密相关的实际观测资料，如降雨、径流、蒸发等。水文资料本身具有复杂性和不确定性等特点，同时水文又是一种自然现象，所能观测搜集到的资料相对较少，信息量十分有限。常规方法很难对其发展变化规律进行细致入微的分析。小波分析的出现，以其多分辨率的特性，扩展了学术研究的范围，不仅可以大体上把握数据系列的变化趋势，而且能够对其细节进行深入分析，充分挖掘其蕴含的信息与规律。2005年，王文圣、黄伟军、丁晶提出水文时间序列分维数的估计方法，该方法以连续小波变换的理论基础，研究结果表明该方法是可行的。

总之，小波分析的出现及其与各种现代理论和方法的结合，从多方面揭示水文系统的变化规律，从而为水资源的合理配置、水库的运行调度、水文分析计算、水文循环规律等提供了更多的指导和依据。

3 两种方法取得的成果

河流水沙关系的变化是反映流域的生态环境特征、水土流失的程度及人类活动变化的指标，河流水沙变化对流域经济、社会发展都具有十分重要的影响。通过Mann-Kendall检验法可以针对某一条河流分析出输沙率较大的地段，然后进行调整使水沙关系相协调以及输沙量的突变时间节点，小波分析方法的应用可以判断出河流是否有多时间尺度特，输沙量的长周期比径流量周期相比较，判断出水、沙周期的规律和关系，从而科学的处理径流和泥沙的关系。

总之，河道泥沙也需要从经济学和管理学方面研究，综合性的对河道进行科学有效分析，对水沙的时空演变特征的研究，对河道的治理开发意义重大。使河道实现可持续管理，使河道防洪、排涝、灌溉、供水等功能正常发挥，由此产生的经济效益、生态环境效益和社会效益将是不可估量的，人们的生产条件和居住环境得到有效改善，实现“水清，河畅，岸绿，景美”的美好愿望。

参考文献：

［1］李义天，邓金运，孙昭华，等.河流水沙灾害及其防治［M］.武汉：武汉大学出版社，2004.3.

［2］王文圣，黄伟军，丁晶.基于连续小波变换的径流分维研究［J］.水利学报，2005.

［3］王霞，吴加学.基于小波变换的西、北江水沙关系特征分析［M］.热带海洋学报，2009.1.

［4］郭同章.黄河上游水土流失预测模型［M］.科学出版社，1996.11.