瀾滄江允景洪水文站歷史洪水水沙關系研究宋曉瑞;傅開道;黃國益;向昕怡;王培家;董婷;魯洪均;王麗媛【摘要】歷史洪水要素調查是水文調查工作的重點，旨在探尋水文觀測期夕卜的歷史水文規律，為水利工程建設和管理提供數據支撐和科學依據。本研究以允景洪水文站歷史年代汛期水位、流量和含沙量的實測數據為依據，建立關系曲線，通過對相關性的分析和檢驗，恢復歷史時期天然河流汛期水沙關系，為后期通過洪水痕跡沉積物反演歷史時期洪水要素奠定基礎。【期刊名稱】《地理科學研究》【年(卷)，期】2018(007)003【總頁數】11頁(P203-213)【關鍵詞】水位;流量;含沙量;相關性;雙累積曲線【作者】宋曉瑞;傅開道;黃國益;向昕怡;王培家;董婷;魯洪均;王麗媛【作者單位】［1］云南大學國際河流與生態安全研究院，云南昆明;［2］云南省國際河流與跨境生態安全重點實驗室，云南昆明;［2］云南省國際河流與跨境生態安全重點實驗室，云南昆明;［2］云南省國際河流與跨境生態安全重點實驗室，云南昆明;［1］云南大學國際河流與生態安全研究院，云南昆明;［1］云南大學國際河流與生態安全研究院，云南昆明;［1］云南大學國際河流與生態安全研究院，云南昆明;［1］云南大學國際河流與生態安全研究院，云南昆明；【正文語種】中文【中圖分類】R73引言在水文水利計算和設計過程中，常因觀測序列不足的限制，遇到設計斷面缺乏歷史實測數據的情況，這時水文站的水位流量關系需要延長?；蛲ㄟ^預報的洪水流量來推求水位，從而達到預報洪水的目的。洪水期作為河流的特殊時期，水位、流量均大于全年平均水平，對汛期水位、流量和含沙量的研究，為恢復無實測數據的河流水情研究提供了依據。國內外針對水位流量、水沙關系的研究已有很多，方法趨于成熟，但針對實測數據有限的歷史洪水研究較少。在20世紀80年代，楊玉榮［1］利用歷史洪水調查洪痕和實測水位流量外延的方法恢復調查洪水洪峰流量；隨后徐德龍［2］、溫維超［3］沿用了該方法；李廷華［4］更是將該方法運用于允景洪水文站，通過洪痕調查、走訪和實測的方式，恢復允景洪水文站歷史洪峰流量。李萬壽［5］等選用20世紀80年間的數據，對于無實測數據的年份，選擇插補延長流量和輸沙量，以獲取不同時段不同水文站的水沙關系并得出變化規律；鄒高祿［6］等通過格蘭吉爾因果分析得出對于景洪天然河道段面，來沙系數的大小不一定導致斷面淤積增大的結論。李曉剛［7］等對漢江上游白河段萬年尺度洪水水文學的重建過程中，運用天然河流的水位-流量關系驗證了該河段全新世水文恢復的可靠性；黃春長［8］等通過現代天然河流的含沙量與水位關系恢復了黃河永和關段全新世洪水洪峰流量。謝悅波［9］等針對海河流域黃壁莊河段古洪水的研究中，運用了歷史洪水水位-流量關系外延法推求古洪水流量獲得可靠依據。但目前的研究大多是將水位流量、水沙關系割裂開的，對于水位與泥沙關系的研究較少，這不利于恢復無實測數據的歷史水文信息。水文斷面的水位、流量及泥沙含沙量的關系建立，不僅能減輕水文站的工作強度，還為萬年尺度上的古水文學或無實測資料河流水文計算提供了幫助。自20世紀90年代以來，隨著瀾滄江上水利工程的建設，河流的水位流量、水沙關系都發生了明顯的變化，許多學者都將研究重點放在了電站建設對河流水情的影響上，周正道、周安輝、王億春[10][11][12]等分析了電站建設對瀾滄江水位流量、水沙關系的影響，但針對電站建設之前天然河流的研究較少，為此，本文針對瀾滄江允景洪水文站1963~1985年汛期的實測數據，運用相關性分析的方法，分析了20世紀90年代以前具有實測數據時期，河流的水位流量、水沙關系，揭示了允景洪水文站天然河流時期水情要素變化的特點，為水文統計和生態環境建設提供依據。研究區域概況允景洪站(100°47'E,22°02'N)位于云南省西雙版納州景洪市內，海拔高程533m,于1955年6月設立，是目前瀾滄江干流在我國境內的最后一個控制站，也是云南省內控制集水面積最大的測站(集水面積141,779平方千米)，上游已建有漫灣、小灣、大朝山水電站等工程，斷面的水文情勢已發生顛覆性變化。該站地處低海拔河谷地區，常年氣候溫和，屬熱帶和南亞熱帶濕潤季風氣候，兼具大陸性氣候和海洋性氣候的優點，日溫差小，靜風，基本無霜，一年內僅有干季和濕季之分。年均溫22.5°C，最高溫度41.1°C，歷年最大溫差28.6°C，年均日照1800-2300h，年均風速0.5~1.5m/s，多年平均降雨量1142mm，其中85%以上的雨量集中在5-10月。允景洪測驗斷面位于景洪大橋上游320m,左岸為斜坡沙地，右岸為人工護堤。測驗河段順直長700m,上游較窄，且有一彎道控制，下游較寬，2km處有一沙洲，對中、高、低水具有較好的控制作用。河床由卵石、細沙組成，斷面河床呈“W”型，實測最大水面寬329m，歷年最大水位變幅18.83m，多年平均徑流量546.5億立方米，徑流深398.2mm。允景洪站屬一類精度水文站，現設有水位、流量、泥沙、水質、降水、蒸發、水溫等七個測驗項目，屬國際報汛站之一。數據與方法數據來源允景洪站作為天然河流且有實測數據的年份較短(1955~1993)，由于歷史條件限制，本文選取了1963~1985年間8年汛期(6~10月)的實測數據進行分析(分別是1963,1968,1970,1972,1974,1977,1980,1985)，剔除了1966年特殊大洪水年份和缺乏任一水情資料的年份。所選數據包括8年汛期的水位、流量、含沙量、過水面積等水情資料。分析方法水文過程線法：水文過程線指的是水文要素隨時間的變化過程。水位過程線指的是水位隨年份的變化，包括最高水位、最低水位和水位的波動，描述的是水位變化趨勢；徑流、含沙量過程線同樣也是表現二者的年際變化特征。影響曲線變化的主要因素包括人工測量誤差、水文整編誤差、氣象因素等。相關分析法：包括相關分析與回歸分析。相關分析是對兩個的數列，用數學方法測定一個反映它們之間變動的聯系程度和聯系方向的抽象化數值，即相關系數。回歸分析是兩個或兩個以上有聯系的數列中，確定一個為因變量數列，其他為自變量數列，為它們配合一定的數學模型，并用統計方法估計模型參數，得出回歸方程，作為根據自變量值估計因變量值得依據。直線相關系數計算方式：設x和y為兩個不分因變量和自變量的對等變量，n代表成對數量值數目，則相關系數為：r值在+1與-1之間，其值越接近±1,表示兩變量直線相關的程度越高，月接近零，則相關程度越低；正號r值表示兩變量有同增同減的同方向變動關系，反之為一增—減的異方向變動關系。直線回歸分析方法：直線回歸的一般方程式是y=a+bx，式中的x是自變量，y是因變量，稱y倚x回歸方程。在方程中，用最小平方法估計參數b的公式是：直線斜率b如為正值，表示兩變量有正比變動關系；如為負值，則表明有反比變動關系。在研究水位-流量、流量-含沙量的關系中，要分析二者之間的關系，就需要進行相關分析，確定水位、流量、含沙量之間是否存在對應關系。影響相關性的主要因素包括數據量的多少和集中程度、洪水的頻次和峰值、降水的變率等。雙累積曲線法：雙累積曲線是為了分析水文要素變化趨勢最簡單的方法，是兩個變量連續累積值在坐標軸中的曲線。本文將采用了水位-流量、流量-含沙量雙累積曲線，旨在分析其變化趨勢。影響曲線變化的因素主要是洪水、降水的變化程度。誤差檢驗法：數據的選取和曲線的建立都會存在誤差，誤差會影響數據的可信度和精度，本文主要選用了相關系數檢驗、標準差、偏離系數和均方誤差來檢驗合理性。標準差：表示一組數據平均值分散程度的一種度量，通常以y。來表示，計算公式為：式中，y。為含沙量的標準差，y為年含沙量；y1為多年平均含沙量。均方誤差：4結果水位流量關系影響因素分析汛期由于來水量大，對河床的沖刷也較嚴重，河流斷面易因沖淤發生變化，因此，分析河流斷面的變化是必要的。本文根據允景洪水文站實測水位面積繪制關系線，見圖1。8年間水位面積關系曲線基本呈單一曲線，說明60年代~80年代斷面變化較小，無明顯的沖淤變化。再根據計算同水位下過水面積的方法進行證明。由于測站每年實測的日期不一致，數據量也存在差異，故本文僅選取4~9m水位的過水面積來說明沖淤變化，見表1。以水位5~6m為例，相應過水面積從1963年的1582.5m到1985年的1514.5m，變化幅度較小，趨于穩定。Figure1.Curveofwaterlevel-sectionalareaofYunjingFloodStation圖1.允景洪水文站水位-斷面面積關系曲線趨勢分析對于水位-流量的變化趨勢分析，主要包括水文過程線和雙累積曲線。根據8年的水位、流量數據分別繪出歷年水位、流量過程線，見圖2、圖3,并根據極值比和變差系數(Cv)來反映。由圖可知，8年間水位整體呈上升趨勢，平均變化率為0.12%，汛期水位變幅較大，極大值為13.9m，出現在1974年，極小值為2.15m，出現在1963年，極值比為5.5，變差系數(Cv)為0.33。根據趨勢線分析可得，水位雖有上升趨勢，但趨勢不明顯。流量整體呈上升趨勢，但趨勢不明顯，平均變化率為0.22%，汛期因單次洪峰造成流量起伏較大，極大值為10,400m3/s,出現在1985年，極小值為702m3/s,出現在1963年，極值比為13.8，變差系數(Cv)為0.42。Table1.Cross-sectionalareaofeachyearunderdifferentwaterlevels表1.不同水位下各年斷面面積水位(m)面積(m2)1963S1968S1970S1972S1974S1977S1980S1985S2-37747669158727473-497910491045.51056.611301054.8971.34-51326.31378.81317.11340.81301.31327.21364.212505-61585.51604.2168015751492.51574.61601.41514.56-71865.518821803.31747.31895.71843.81817.57-82107.92091.6220018702038.6201520252060.98-92418.32480235422802280229522902343.99-102646.7264024752574.32622.72597.710-112981.828002790262011-1231962983.3317512-133496.63322.5334013-143740Figure2.Trendofwaterlevelovertheyears圖2.歷年水位變化趨勢水位-流量關系分析水位-流量雙累積曲線指的是水位、流量累積值在坐標軸上的曲線，表明二者的趨勢性變化。從圖4可以看出，允景洪站雙累積曲線呈直線，1972，1970點據位于相關線以下，1977位于相關線以上，其余5點均分布在相關線上，斜率無明顯變化，說明水位流量關系趨于穩定。根據實測數據點繪水位流量關系曲線，見圖5。可以看出，點群密集呈逆時針繩套曲線，這表明汛期洪水的漲落水位與流量。在漲水時，斷面流量大于同水位的穩定流量；落水時小于同水位的穩定流量，這一隨時間而有規律的變化過程反映在水位流量關系上，曲線呈逆時針繩套曲線。除此之外，由圖可以看出，允景洪站水位流量呈現明顯的正相關關系，流量越大，水位越高。通過計算得出，60年代平均水位流量相關系數為0.982，為極強相關；70年代平均水位流量相關系數為0.986，為極強相關；80年代平均水位流量相關系數為0.971，為極強相關。80年代相關性降低，與人類活動密切相關。由于洪水的擾動使得水位流量變幅較大，致使二者的相關性更強。針對相關系數誤差的檢驗，60年代為0.15%，70年代為0.07%，80年代為0.14%，均小于5%，表明相關系數可靠。Figure3.Trendofflowovertheyears圖3.歷年流量變化趨勢Figure4.Double-accumulationcurveofwaterlevelflow圖4.水位流量雙累積曲線Figure5.Relationshipbetweenwaterlevelandflowrateateachstage圖5.各階段水位流量關系曲線Table2.Regressionequationsofsedimentconcentrationineachperiod表2.各時期流量含沙量回歸方程年代X流量(m3/s)，Y含沙量(kg/m3)R60Y=0.0005X-0.10960.70770Y=0.0004X+0.10550.76580Y=0.0005X+0.36450.6464.2.流量含沙量關系水沙關系是反映河流徑流與泥沙匹配的關系指標。一般情況下，河流內的水沙關系呈明顯的正相關關系，在水沙雙累積曲線上標下為直線，若累積水沙關系在長時段中出現了明顯的轉折，說明水沙發生了趨勢性變化。趨勢分析由圖6可知，8年間含沙量整體呈上升趨勢，平均變化率為7.9%，汛期含沙量變幅較大，極大值為5.9kg/m3,出現在1985年，極小值為0.035kg/m^,出現在1963年，極值比為167.6，變差系數(Cv)為0.6。根據趨勢線分析可得，含沙量整體呈上升趨勢。流量-含沙量關系分析瀾滄江景洪段屬季風氣候區，特定的氣候條件決定了流域的輸沙過程主要發生在汛期。根據1965,1968,1970,1972,1974,1978,1980,1985年汛期的流量和含沙量數據，采用數理統計的方法，繪制汛期徑流量與含沙量的關系圖并進行分析，見圖7。各時期流量與含沙量相關方程見表2。由于沙量大部分集中在汛期，汛期沙多水多，所以水沙關系也較穩定。80年代水沙關系較前兩個階段相關性有所下降，這與人類對自然景觀和土地利用方式的改變有密切的關系。允景洪為少數民族聚居的地區，特殊的生產生活方式也會影響水沙關系。水沙雙累積是反映區域水沙系統變化的特征曲線，如果流域水沙特性發生趨勢性變化，在累積水沙量關系上將表現出明顯的轉折，即斜率發生變化，可根據雙累積曲線的年份確定下墊面受人類活動發生顯著改變的時間點，偏移的程度反映人類活動的劇烈程度。允景洪站60~80年代水沙雙累積曲線見圖8。由圖8可以看出，水沙關系在1977年到1980年間發生了較明顯的變化，1977年以前的點據集中，特別是1970年和1974年，說明在此階段，徑流量和含沙量主要受降雨的影響；1968，1972年偏向累積含沙量軸，說明此階段流量減小，河流含沙量增加，這與植被破壞導致的水土流失有關；1963年1977年偏向累積徑流量軸，說明這段時期河流徑流量增大，這與洪水頻率和強度有關。值得注意的是，1977年到1980年，累積曲線的斜率增大，由偏向累積流量軸逐漸偏向累積含沙量軸，說明這一時期流量和含沙量都發生了顯著的變化，河流含沙量逐漸增加的同時流量減少，這與人類活動有關，包括灌溉、植被破壞等。繼1980年后含沙量逐漸減少至相關線，這與洪水導致流量增加有關。Figure6.Trendofsedimentconcentrationovertheyears圖6.歷年含沙量變化趨勢Figure7.Curveofsedimentconcentrationinrunoffateachstage圖7.各階段徑流量含沙量關系曲線Figure8.Doubleaccumulatedcurveofsedimentconcentration圖8.流量含沙量雙累積曲線4.2.3.回歸線誤差通過繪制的相關圖判斷允景洪站汛期流量含沙量的關系類型為線性關系，經過數值化處理，得出兩者相應的數學表達式，見表2?；貧w線的誤差主要從離散程度、均方誤差2方面考慮。衡量一組數據平均值的分散程度，通常用標準差來表示。標準差的大小，代表數值與其平均值之間的差異、分散程度。通過分析計算，允景洪水文站60~80年代含沙量標準差分別為0.73,0.86,0.98。數值較小，充分說明系列的數值與其平均值之間的分散程度較小。允景洪站汛期含沙量的均方誤差如下：60年代：0.52;70年代：0.55;80年代：0.75允景洪站汛期流量與含沙量兩個系列個誤差項獨立且服從正態分布，把均方誤差的概念用于回歸方程的誤差估算上。在3個不同時期的回歸方程的每個點上加上和減去一個均方誤差，成為兩條分布于線性趨勢線上下的兩條曲線，見圖9。而實測點的誤差落于該范圍的概率分別為78.1%，79.9%，74.9%。大誤差出現的可能性較小，且具有較高精度。5.討論河川水位、徑流和泥沙是流域重要的水文特性，在水文預報、工程設計、河流形態和生態環境等方面具有重要的意義。在電站建成之前，瀾滄江水文實測數據較少，特別是在允景洪水文站成立之前（1955年），實測數據的獲取較困難，而汛期作為水情變化較大的時期，對于該時期水情要素變化的研究，對于水情要素的延長和變化過程的研究具有重要意義。除此之外，水文站對于流量和含沙量的觀測較困難，特別是時間變化過程，建立水位-流量、流量-含沙量的關系，可以直觀的通過水位觀測獲取流量和含沙量數據，有助于提高水文站的工作效率。國內對于水位流量的研究主要集中在長江中下游、黃河、渭河等歷史實測數據連續且豐富的地區，多以全年的實測數據為基礎，點繪水位-流量關系。長系列的實測資料還可以分析氣候變化對于流量變化的影響，闡述氣候與水文因素之間的關系。水沙關系的研究中，大部分學者著重于流量、輸沙量二者的年內和年際變化趨勢和關系。本文選取了瀾滄江允景洪水文站60~80年代8年的水位、流量、斷面、含沙量數據進行分析。分析主要分為兩大塊，即水位-流量關系和流量-含沙量關系。就水位-流量關系，點繪的水位流量曲線呈現明顯的逆時針繩套曲線，正好說明汛期的水位流量關系受洪水漲落影響明顯；對二者進行相關性分析發現呈極顯著相關，特別是汛期致使水位流量的相關性更強。而通過雙累積曲線可以看出，水位流量變化幅度不大，基本穩定。說明相關性分析結果可信度高。流量-含沙量關系的分析，用同樣的相關性進行分析，結果顯示相關性結果較理想，呈顯著相關，對于曲線誤差的分析，引入了均方誤差，結果顯示曲線較高的精度和可信度。本文的創新點在于首此將水位、流量、含沙量的歷史數據運用于瀾滄江流域，且以汛期（6~10月）為研究時段，彌補了瀾滄江流域歷史水情要素的空白，且選擇含沙量代替輸沙量分析水沙關系，為歷史洪水和古洪水的研究提供便利。但本文不足的地方在于實測數據選擇的年份較少。接下來需要改進的地方，如水位-流量關系曲線呈逆時針繩套曲線可以考慮對洪水漲落率進行改正，并對曲線進行檢驗，繼續提高曲線的精度；對于水位、流量、含沙量的趨勢分析，可以引入Mann-Kendall秩次相關檢驗法。今后可以繼續延長水位-流量，流量-含沙量關系的時間序列，從而獲得不同尺度上的水沙的變化。Figure9.Relationshipbetweenrunoffandsedimentconcentrationinthe60~80years圖9.含外包線60~80年代徑流量含沙量關系6結論本文選取了瀾滄江允景洪站汛期水位、徑流量、含沙量8年的數據，運用相關性分析了水位-流量、徑流量-含沙量的關系，得出以下結論：允景洪水文站60~80年代水位與過水斷面面積呈單一直線，表明該階段允景洪站斷面穩定，沖淤保持平衡，排除斷面變化對水位流量關系的影響。但汛期允景洪水文站水位流量關系主要受洪水漲落的影響，使得水位流量曲線呈逆時針繩套曲線，二者也表現出了極強的正相關關系，即流量越大，水位越高。通過趨勢分析，水位、流量整體呈上升趨勢；水位流量雙累積曲線呈直線分布，斜率無明顯變化，說明水位流量關系穩定。由于汛期水量增大，帶來大量泥沙，使得水沙關系較枯水