长江入河口区含沙量和输沙量时间序列演变特征

长江入河口区含沙量和输沙量时间序列演变特征

长江是中国的一条大河，全长6300公里，总面积为1.94446公里。巨量的水沙输运可引起河口区域(如河槽、三角洲等)的地貌、沉积体系发生快速演化,并对邻近海岸带和大陆架的自然和生态环境产生重要的影响。以大通水文站为例,多年(1923—2004年间共62a数据)平均径流量为9156×108m3,多年(1951—2004年间共53a数据)平均输沙量为4.175×108t,并且长江大通水文站是离海最近的一个综合性水文站,因此,国内外都将它作为长江入海水沙的参考站。然而,大通水文站至长江入海口尚有642km,其间仍有较大的流域系统,其水沙交换是不容忽视的,并且人类活动也严重影响了这个区段的水沙变化,因此长江大通水文站的水沙变化仅代表了入河口区的水沙变化。本文基于50多年来的长江大通水文站的含沙量时间序列(1952—2004年,其中1952年缺1—5月资料)和输沙量时间序列(1951—2004年,其中1952年缺1—5月资料),探讨其变化特征及趋势。1数据和方法1.1月内沙量及输沙量采用长江大通水文站多年(1952—2004年共计53a)月均含沙量资料和多年(1951—2004年)月均输沙量资料,其中缺1952年1—5月的资料,1953—1987年含沙量数据来自中华人民共和国水文年鉴。1.2hilbert-shen1.2.1类距平值序列的ht内在模函数I(t)的求取步骤如下:a)找出原序列X(t)的各个局部极大值,为了更好地保留原序列的特性,局部极大值定义为时间序列中的某个时刻值,其前一时刻的值和后一时刻的值都不比它大。然后用三阶样条函数进行插值,得到原序列X(t)的上包络序列值Xmax(t)。反之,可以得到下包络序列值Xmin(t)。b)对每个时刻的Xmax(t)和Xmin(t)取平均,得到瞬时平均值m(t):c)用原序列X(t)减去瞬时平均值m(t),得到类距平值序列h(t):对于不同的序列,h(t)可能是内在模函数,也可能不是。IMF的判断标准是,h(t)中的极值点的数目和跨零的数目相等或只相差一个,且各个瞬时的平均值m(t)都等于零,那么h(t)就是内在模函数。否则,再把h(t)当作原序列,重复上述做法,直到满足内在模函数的定义为止,求出内在模函数。d)经验模态分解:求出第一个内在模函数L(t),即从原序列中分解出第一个分量。然后。用原序列减去L(t),得到剩余序列r1(t):至此,完成了第一个内在模函数的提取过程。然后,把r1(t)作为新的原序列,按照以上步骤,依次提取第二、第三、……、直至第n个内在模函数In(t)。直到rn(t)变成一个单序列,再也没有内在模函数能够被提取出来了。若把分解后的各个分量合并起来,就会得到原序列X(t):一般说来,第一个内在模函数L(t)是X(t)中频率最高、振幅最大、波数最多的分量。最后的剩余rn(t)或是一个常序列或是一个单调函数,反映数据序列X(t)的整体趋势。1.2.2条件二:fwelliet变换经过经验模态分解后,可对每个内在模函数作Hilbert变换,求出瞬时频率的Hilbert谱。Hilbert变换是一种线性变换,如果输入的信号是平稳的,那么输出信号也应该是平稳的。Hilbert变换强调了局地属性,可以得到瞬时频率,这就避免了用Fouriet变换时为拟合原序列所产生的实际上并不存在的高、低频成分。对内在模函数作Hilbert变换:式中:p为柯西主值,并定义I(t)的解析信号Z(t)为:分别为解析信号Z(t)的瞬时振幅和瞬时位相。在此基础上定义瞬时频率ω(t)为:所以,经Hilbert变换得到的振幅和频率都是时间的函数,而Fouriet变换中的谱值(振幅)和频率都与时间无关。由于经Hilbert变换的振幅和频率的瞬时性和局地性,在很大程度上提高了对数据特性的分辨率,如果把振幅显示在频率—时间平面上,就可得到较为直观的Hilbert谱图。2含沙量和输沙量的时空变化近50a来长江大通水文站年均径流量与年均含沙量和年均输沙量的关系和变化图1(a)表明,1950—2004年间多年年均径流量变化不大,仅在90年代以来表现出轻微增加的趋势。而对于多年年均含沙量和输沙量来说(表1),自20世纪50年代初到60年代末两者变化波动剧烈;含沙量和输沙量的峰值均出现在1964年,年均含沙量为0.55kg/m3,年均输沙量为6.78×108t,这一个时期含沙量和输沙量处于高值阶段;从70年代到80年代中期两者虽有所降低,但总体仍处于较高的水平;从80年代末以来,含沙量已出现持续下降趋势,而输沙量呈现波动性下降,从90年代末开始输沙量明显下降。从图1(b)和(c)可以看出多年平均径流量与含沙量和输沙量之间相关关系不密切。图1(d)表示年均含沙量和输沙量之间相关关系密切,两者相关系数达0.86。2.1hhs分析了长江河口区含沙量和沉积物的范围2.1.1点线抑制方法数据边界问题是HHT方法进行样条插值的关键所在。由于时间序列的有限性,对于两端点的边界数据点不能获得足够的信息。如果不进行端点处理,则在EMD分解过程中,会出现端点飞翼(swing)现象,使得EMD分解效率变低,对IMF分量产生误差,甚至使其失去原来的意义。因此,端点抑制是EMD的重点所在。本文的抑制方法,是在端点附近数据变化的“平衡位置”附加上两条平行线段,再进行外延而成。由于两条直线段上的点即为极大值,也是极小值,使得端点处的上、下包络线向直线段集中,从而实现抑制。此抑制方法也解决了Hilbert变换中需要处理的端点效应。2.1.2经验模态分解经过EMD分解后可以得出,长江大通站含沙量系列包含有6个内在模函数(图2(b)~(g))和一个趋势项Re(图2(h)),其中图2(a)为多年(1952—2004年)月均含沙量的变化曲线图。内在模函数经过Hilbert变换后,得到了频率、振幅统计结果,并且利用跨零点个数计算了每个内在模函数的周期(表2)。从图2可以看出,第一个内在模函数是频率最高、波长最短的一个波动,依次下去的其他内在模函数振幅逐渐变小,频率逐渐变低,波长逐渐变大。但是,出现了个别内在模函数的振幅比前一个内在模函数大的现象,这种异常情况是经验模态分解经常出现的,不会对整体的变化趋势产生影响。从表1得到,第一个模态到第六个模态的中心频率是逐渐变低的,分别是0.28,0.10,0.05,0.03,0.06,0.005;除个别模态,总体来说振幅也是逐渐变小;而平均周期由短变长,分别是0.30,0.81,1.65,3.92,11.67,26.25a。图2(h)是经验模态分解得到的时间序列趋势项Re,表明近50多年来长江大通站的含沙量变化呈现出了缓慢下降的趋势。第一模态IMF1和第二模态IMF2的平均周期是0.30a和0.81a,说明大通站多年含沙量变化存在明显的季节与洪枯季变化。IMF3和IMF4的平均周期分别是1.65a和3.92a,说明了第三和第四模态代表了大通站含沙量的年际变化。IMF5和IMF6平均周期是11.67a和26.25a,说明IMF5和IMF6代表了含沙量的年代际变化。并且从第三模态和第四模态看出20世纪50年代末、70年代初、80年代初和90年代波动的振幅较大;Re是趋势项,可以看出多年含沙量变化呈下降的趋势,并且60年代到70年代含沙量下降剧烈,从80年代以来图中曲线的下降速率变小,这表明大通站含沙量下降趋势已减缓,同时表明在未来的一段时间内如果不发生极端事件,含沙量不会有大幅度的下降。图3是各个内在模函数的Hilbert谱,可以看出,各内在模函数不是一个定常量,而是围绕中心频率波动,并且频率越高,波动的幅度越大。尽管内在模函数的频率是围绕中心频率波动的,但其波动范围是有限的,互相之间很少有交叉重叠现象,保持了一定的清晰分布。图3像点以色标来表示能量的大小,Hilbert谱右边的标尺表示从下向上能量从弱到强。它们都表明波动的能量基本上都集中在频率小于0.1的范围内,也就是说,26a,12a,4a,2a波动是长江大通站含沙量的变化的主要模式,并且还有一部分能量分布在频率0.1~0.45之间。这一部分能量值代表了年内的季节和洪枯季变化,这表明季节和洪枯季变化对大通站含沙量变化也会有重要的影响,但是这部分高频能量与代表长周期的低频能量相比,在图中并不突出。其中第一个模态频率最高,但它的时间-频率关系散乱,在整个时间序列中呈无序的点分布,也说明年内变化是含沙量变化的重要波动。从第二模态到第六模态有明确的时间-频率关系,在谱图上表现为清晰的变化轨迹,并且都贯穿整个时间序列,表明这些波动对大通站含沙量变化有重要影响。2.1.3输沙量的年代际变化经过EMD分解后可以得出,长江大通站输沙量系列包含有6个内在模函数(图4(b)~(g))和一个趋势项Re(图4(h)),其中图4(a)为多年(1951—2004年)月均输沙量的变化曲线图。表3表示了内在模函数经过Hilbert变换后,得到了频率、振幅统计结果,并且利用跨零点个数计算了每个内在模函数的周期。从图4和表3可以看出:大通站多年输沙量变化和多年含沙量变化有诸多相似之处;第一模态IMF1和第二模态IMF2的平均周期是0.35a和0.96a,说明大通站多年输沙量变化也存在明显的季节与洪枯季变化;IMF3和IMF4的平均周期分别是2.12a和3.85a,代表了大通站输沙量的年际变化,而IMF5平均周期是7.20a,IMF5更多的表现出了大通站输沙量的年代际变化;IMF6平均周期是27.00a,说明IMF6代表了输沙量的年代际变化;同时从第三模态和第四模态看出20世纪50年代末、70年代初、80年代初和90年代波动的振幅较大;Re是趋势项,可以看出多年输沙量变化是呈缓慢下降的趋势,并且从80年代中期到90年代输沙量出现轻微加速下降的趋势,但是自此下降速度减慢,近十年来下降趋势已减缓。从前面分析可知,含沙量和输沙量的变化有所不同,这是因为含沙量是输沙量与径流量的比值,所以含沙量不仅是输沙量的变量,还与径流量有关,因此两者的变化会不尽相同。图5是长江大通站输沙量Hilbert变换后各个内在模函数的Hilbert谱。图5像点以色标来表示能量的大小,Hilbert谱右边的标尺表示从下向上能量从弱到强。图中波动的能量基本上都集中在频率小于0.1的范围内,也就是说,27a,7a,4a,2a波动是长江大通站输沙量变化的重要模式,并且还有一部分能量分布在频率0.1~0.35之间,这一部分能量值代表了年内的季节和洪枯季变化,因此这一部分高频能量表明了季节和洪枯季变化对大通站输沙量变化也会有重要的影响,但是频率更高的能量在图中并不突出。3讨论3.1年际变化的影响因素分析有研究表明,大通水文站多年径流量变化具有10年以上的年代际波动和7~8a,4a,2a的年际变化及年内变化,并且同时期的大通水文站输沙率具有16a,7~8a,3a左右的周期,而大通站输沙量有每16a左右周期性,通过本文分析得知大通水文站多年含沙量变化具有26a和11a的年代际震荡和4a,2a的年际波动,还具有明显的年内季节变化,以及多年输沙量变化所具有的年代际、年际波动以及年内季节和洪枯季变化,这表明了含沙量和输沙量所具有的这些变化均与前人的结论一致,并且与径流量变化具有相似性,所以大通水文站多年含沙量和输沙量变化也会与多年径流量变化在长时间尺度是相一致的。由于长江径流受到PDO、太阳活动等气候波动的影响,具有年代际变化规律。通过本文分析得知,大通水文站多年含沙量和输沙量变化也具有十年以上的年代际波动,这说明大通水文站多年含沙量和输沙量变化与大尺度气候波动是有密切联系的,表明大尺度的气候波动对长江流域的降水、径流变化产生重要影响,进而影响到了大通站的含沙量和输沙量的变化。在中尺度上,厄尔尼诺事件和ENSO等气候事件是影响两者变化的一个重要因素。厄尔尼诺事件具有3.5a,4~8a的准周期变化,ENSO是全球年际气候变率最强的信号,它具有准2.5~7a的波动周期,通常表现为准3a,5a震荡周期。有研究表明,ENSO变化有3个主要分量,分别为2~7a循环尺度、8~20a的年代际尺度和20a以上的平均气候态变化,而从前面分析可知大通站多年含沙量和输沙量均出现了4a,2a的年际波动,这说明厄尔尼诺、ENSO等年际气候波动也会对两者产生影响。在短时间尺度上,影响含沙量和输沙量变化的因素更多,例如局地气候突变(如暴雨)、人类活动等,并且这些因素对含沙量和输沙量变化的影响更加强烈。对于年内变化而言,有文献表明长江入河口区的水、沙通量具有明显季节变化,并且沙通量的季节变化幅度和不对称性,这说明了沙通量的变化是复杂的,同时从本文的分析可知大通水文站含沙量和输沙量变化的Hilbert谱中有一部分能量是分布在频率大于0.1的范围内的,因此也说明了长江大通水文站多年含沙量和输沙量具有较明显的年内变化。3.2泥沙对长江解决计算的影响结果主要反映长江是一条丰水多沙河流,长江大通水文站是离海最近的一个综合性水文站,控制着约占长江流域总面积94%的流域范围。根据资料统计,宜昌站每年汇集河道的径流总量为4382×108m3,并挟带5.01×108t(1950—2000年)泥沙输向长江中下游;而大通站多年(1923—2004年间共62a数据)平均径流量为9156×108m3,多年(1951—2004年间共53a数据)平均输沙量为4.175×108t,因此宜昌站多年平均径流量占大通站47.9%,但输沙量相近。由此可见,进入河口区的径流量有一半来自上游,而泥沙主要来自上游,因此上游地区的来沙情况会对大通水文站产生重要的影响;前人的研究也表明,长江流域产沙最集中的地区在宜昌以上的金沙江和嘉陵江区域。自上世纪五十年代初到六十年代中期大通水文站的上游汉口水文站和湖口站输沙量有所升高,但是自此以后输沙量逐渐降低,相应的含沙量也出现了相同的变化趋势,而汉口站和湖口站是距离大通站最近的上游站,与此同时大通水文站也表现出了与上游两站含沙量变化的一致性,因此长江大通站输沙量和含沙量的降低与汉口站和湖口站的减沙是有直接关系的。有资料显示,宜昌水文站的输沙量1950—1953年间径流量上升而输沙量下降,1954—1968年间输沙量上升;而1969—1979年间输沙量下降,随后1980—1985年间水沙都出现上升,但是1986年以后宜昌水文站的水沙量急剧下降。并且1988—2000年间的含沙量占到了1950—1987年平均含沙量的18.26%,而1988—2000年间的输沙量占1950—1987年平均输沙量的18.53%,这说明了宜昌站自1987年以后含沙量和输沙量有明显减少的趋势。汉江皇庄水文站从1951—2000年间资料来看,也出现了先升后降的趋势;而上游的屏山站、高场站、北碚站,除屏山站近几十年来输沙量和含沙量上升外,其他各站均在上世纪90年代初由升高转为下降。因此从整个流域的来沙情况来看,由于流域来沙减少造成了大通水文站含沙量和输沙量降低,但是人类活动起到了至关重要的作用。1950—1965年间长江流域未兴建大型水利工程,长江径流输沙过程基本处于自然状态下,这个时段径流变幅比较大,径流量也大;该时期,整个长江流域全民大办农业,开垦荒地,表层植被受到了严重的破坏,水土流失严重,因此这一阶段整个长江流域产沙丰富使得大通站含沙量和输沙量较高。1966—1979年间,长江干流及其主要支流开始兴建大型水利工程,主要有下荆江人工裁弯工程,汉水丹江口水库与岷江、嘉陵江和乌江等主要支流均修建了大型水库,并且绝大多数的水库都分布在长江流域的中游和下游径流片,对中下游片的径流输沙过程起到了较大的调节作用,径流变幅变小,加之这些水利工程开始拦沙蓄水,因此在随后的几年间尤其是中下游的水文站输沙量和含沙量均出现不同程度的下降,对大通站含沙量和输沙量下降产生重要影响。1980年以来长江干流修建了葛洲坝工程,同时年径流量>135×109m3/s的主要支流均兴建了大型水库,尤其是2003年三峡大坝正式下闸蓄水,这些水利设施对长江径流起到了重要的调节作用,对径流和输沙进行时空再分配,上游来沙入库淤积,清水下泄,对下游的泥沙供应显著减少,水流的挟沙能力下降,悬移质逐渐落淤到河道中,导致入河口区的泥沙减少,含沙量和输沙量下降。此外,长江流域自20世纪80年代以来开展了大量水土保持工作,上游等地开始封山育林,兴建保护林,起到了积极的作用,减少了泥沙入江的供应量。1989年国家实施长江上游水土保持重点防治工程以来,嘉陵江流域由于植被恢复迅速,加之降雨偏少,北碚站输沙量发生大幅下降,1990年前后的输沙量下降幅度达62.8%。虽然对于整个流域来说地表侵蚀没有得到减缓,还在加剧,但是由于兴修水利,水库库容剧增,拦沙能力大为增加,因此进入河口区的泥沙还是减少,使得从80年代中期到90年代大通站输沙量出现轻微加速下降的趋势。对于宜昌站下泄水沙,这部分泥沙除了沿程落淤,还要经过洞庭湖的调节才能到达大通站