長江入河口區(qū)含沙量和輸沙量時間序列演變特征

長江入河口區(qū)含沙量和輸沙量時間序列演變特征

長江是中國的一條大河，全長6300公里，總面積為1.94446公里。巨量的水沙輸運可引起河口區(qū)域(如河槽、三角洲等)的地貌、沉積體系發(fā)生快速演化,并對鄰近海岸帶和大陸架的自然和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要的影響。以大通水文站為例,多年(1923—2004年間共62a數(shù)據(jù))平均徑流量為9156×108m3,多年(1951—2004年間共53a數(shù)據(jù))平均輸沙量為4.175×108t,并且長江大通水文站是離海最近的一個綜合性水文站,因此,國內(nèi)外都將它作為長江入海水沙的參考站。然而,大通水文站至長江入?？谏杏?42km,其間仍有較大的流域系統(tǒng),其水沙交換是不容忽視的,并且人類活動也嚴重影響了這個區(qū)段的水沙變化,因此長江大通水文站的水沙變化僅代表了入河口區(qū)的水沙變化。本文基于50多年來的長江大通水文站的含沙量時間序列(1952—2004年,其中1952年缺1—5月資料)和輸沙量時間序列(1951—2004年,其中1952年缺1—5月資料),探討其變化特征及趨勢。1數(shù)據(jù)和方法1.1月內(nèi)沙量及輸沙量采用長江大通水文站多年(1952—2004年共計53a)月均含沙量資料和多年(1951—2004年)月均輸沙量資料,其中缺1952年1—5月的資料,1953—1987年含沙量數(shù)據(jù)來自中華人民共和國水文年鑒。1.2hilbert-shen1.2.1類距平值序列的ht內(nèi)在模函數(shù)I(t)的求取步驟如下:a)找出原序列X(t)的各個局部極大值,為了更好地保留原序列的特性,局部極大值定義為時間序列中的某個時刻值,其前一時刻的值和后一時刻的值都不比它大。然后用三階樣條函數(shù)進行插值,得到原序列X(t)的上包絡序列值Xmax(t)。反之,可以得到下包絡序列值Xmin(t)。b)對每個時刻的Xmax(t)和Xmin(t)取平均,得到瞬時平均值m(t):c)用原序列X(t)減去瞬時平均值m(t),得到類距平值序列h(t):對于不同的序列,h(t)可能是內(nèi)在模函數(shù),也可能不是。IMF的判斷標準是,h(t)中的極值點的數(shù)目和跨零的數(shù)目相等或只相差一個,且各個瞬時的平均值m(t)都等于零,那么h(t)就是內(nèi)在模函數(shù)。否則,再把h(t)當作原序列,重復上述做法,直到滿足內(nèi)在模函數(shù)的定義為止,求出內(nèi)在模函數(shù)。d)經(jīng)驗模態(tài)分解:求出第一個內(nèi)在模函數(shù)L(t),即從原序列中分解出第一個分量。然后。用原序列減去L(t),得到剩余序列r1(t):至此,完成了第一個內(nèi)在模函數(shù)的提取過程。然后,把r1(t)作為新的原序列,按照以上步驟,依次提取第二、第三、……、直至第n個內(nèi)在模函數(shù)In(t)。直到rn(t)變成一個單序列,再也沒有內(nèi)在模函數(shù)能夠被提取出來了。若把分解后的各個分量合并起來,就會得到原序列X(t):一般說來,第一個內(nèi)在模函數(shù)L(t)是X(t)中頻率最高、振幅最大、波數(shù)最多的分量。最后的剩余rn(t)或是一個常序列或是一個單調(diào)函數(shù),反映數(shù)據(jù)序列X(t)的整體趨勢。1.2.2條件二:fwelliet變換經(jīng)過經(jīng)驗模態(tài)分解后,可對每個內(nèi)在模函數(shù)作Hilbert變換,求出瞬時頻率的Hilbert譜。Hilbert變換是一種線性變換,如果輸入的信號是平穩(wěn)的,那么輸出信號也應該是平穩(wěn)的。Hilbert變換強調(diào)了局地屬性,可以得到瞬時頻率,這就避免了用Fouriet變換時為擬合原序列所產(chǎn)生的實際上并不存在的高、低頻成分。對內(nèi)在模函數(shù)作Hilbert變換:式中:p為柯西主值,并定義I(t)的解析信號Z(t)為:分別為解析信號Z(t)的瞬時振幅和瞬時位相。在此基礎上定義瞬時頻率ω(t)為:所以,經(jīng)Hilbert變換得到的振幅和頻率都是時間的函數(shù),而Fouriet變換中的譜值(振幅)和頻率都與時間無關。由于經(jīng)Hilbert變換的振幅和頻率的瞬時性和局地性,在很大程度上提高了對數(shù)據(jù)特性的分辨率,如果把振幅顯示在頻率—時間平面上,就可得到較為直觀的Hilbert譜圖。2含沙量和輸沙量的時空變化近50a來長江大通水文站年均徑流量與年均含沙量和年均輸沙量的關系和變化圖1(a)表明,1950—2004年間多年年均徑流量變化不大,僅在90年代以來表現(xiàn)出輕微增加的趨勢。而對于多年年均含沙量和輸沙量來說(表1),自20世紀50年代初到60年代末兩者變化波動劇烈;含沙量和輸沙量的峰值均出現(xiàn)在1964年,年均含沙量為0.55kg/m3,年均輸沙量為6.78×108t,這一個時期含沙量和輸沙量處于高值階段;從70年代到80年代中期兩者雖有所降低,但總體仍處于較高的水平;從80年代末以來,含沙量已出現(xiàn)持續(xù)下降趨勢,而輸沙量呈現(xiàn)波動性下降,從90年代末開始輸沙量明顯下降。從圖1(b)和(c)可以看出多年平均徑流量與含沙量和輸沙量之間相關關系不密切。圖1(d)表示年均含沙量和輸沙量之間相關關系密切,兩者相關系數(shù)達0.86。2.1hhs分析了長江河口區(qū)含沙量和沉積物的范圍2.1.1點線抑制方法數(shù)據(jù)邊界問題是HHT方法進行樣條插值的關鍵所在。由于時間序列的有限性,對于兩端點的邊界數(shù)據(jù)點不能獲得足夠的信息。如果不進行端點處理,則在EMD分解過程中,會出現(xiàn)端點飛翼(swing)現(xiàn)象,使得EMD分解效率變低,對IMF分量產(chǎn)生誤差,甚至使其失去原來的意義。因此,端點抑制是EMD的重點所在。本文的抑制方法,是在端點附近數(shù)據(jù)變化的“平衡位置”附加上兩條平行線段,再進行外延而成。由于兩條直線段上的點即為極大值,也是極小值,使得端點處的上、下包絡線向直線段集中,從而實現(xiàn)抑制。此抑制方法也解決了Hilbert變換中需要處理的端點效應。2.1.2經(jīng)驗模態(tài)分解經(jīng)過EMD分解后可以得出,長江大通站含沙量系列包含有6個內(nèi)在模函數(shù)(圖2(b)~(g))和一個趨勢項Re(圖2(h)),其中圖2(a)為多年(1952—2004年)月均含沙量的變化曲線圖。內(nèi)在模函數(shù)經(jīng)過Hilbert變換后,得到了頻率、振幅統(tǒng)計結果,并且利用跨零點個數(shù)計算了每個內(nèi)在模函數(shù)的周期(表2)。從圖2可以看出,第一個內(nèi)在模函數(shù)是頻率最高、波長最短的一個波動,依次下去的其他內(nèi)在模函數(shù)振幅逐漸變小,頻率逐漸變低,波長逐漸變大。但是,出現(xiàn)了個別內(nèi)在模函數(shù)的振幅比前一個內(nèi)在模函數(shù)大的現(xiàn)象,這種異常情況是經(jīng)驗模態(tài)分解經(jīng)常出現(xiàn)的,不會對整體的變化趨勢產(chǎn)生影響。從表1得到,第一個模態(tài)到第六個模態(tài)的中心頻率是逐漸變低的,分別是0.28,0.10,0.05,0.03,0.06,0.005;除個別模態(tài),總體來說振幅也是逐漸變小;而平均周期由短變長,分別是0.30,0.81,1.65,3.92,11.67,26.25a。圖2(h)是經(jīng)驗模態(tài)分解得到的時間序列趨勢項Re,表明近50多年來長江大通站的含沙量變化呈現(xiàn)出了緩慢下降的趨勢。第一模態(tài)IMF1和第二模態(tài)IMF2的平均周期是0.30a和0.81a,說明大通站多年含沙量變化存在明顯的季節(jié)與洪枯季變化。IMF3和IMF4的平均周期分別是1.65a和3.92a,說明了第三和第四模態(tài)代表了大通站含沙量的年際變化。IMF5和IMF6平均周期是11.67a和26.25a,說明IMF5和IMF6代表了含沙量的年代際變化。并且從第三模態(tài)和第四模態(tài)看出20世紀50年代末、70年代初、80年代初和90年代波動的振幅較大;Re是趨勢項,可以看出多年含沙量變化呈下降的趨勢,并且60年代到70年代含沙量下降劇烈,從80年代以來圖中曲線的下降速率變小,這表明大通站含沙量下降趨勢已減緩,同時表明在未來的一段時間內(nèi)如果不發(fā)生極端事件,含沙量不會有大幅度的下降。圖3是各個內(nèi)在模函數(shù)的Hilbert譜,可以看出,各內(nèi)在模函數(shù)不是一個定常量,而是圍繞中心頻率波動,并且頻率越高,波動的幅度越大。盡管內(nèi)在模函數(shù)的頻率是圍繞中心頻率波動的,但其波動范圍是有限的,互相之間很少有交叉重疊現(xiàn)象,保持了一定的清晰分布。圖3像點以色標來表示能量的大小,Hilbert譜右邊的標尺表示從下向上能量從弱到強。它們都表明波動的能量基本上都集中在頻率小于0.1的范圍內(nèi),也就是說,26a,12a,4a,2a波動是長江大通站含沙量的變化的主要模式,并且還有一部分能量分布在頻率0.1~0.45之間。這一部分能量值代表了年內(nèi)的季節(jié)和洪枯季變化,這表明季節(jié)和洪枯季變化對大通站含沙量變化也會有重要的影響,但是這部分高頻能量與代表長周期的低頻能量相比,在圖中并不突出。其中第一個模態(tài)頻率最高,但它的時間-頻率關系散亂,在整個時間序列中呈無序的點分布,也說明年內(nèi)變化是含沙量變化的重要波動。從第二模態(tài)到第六模態(tài)有明確的時間-頻率關系,在譜圖上表現(xiàn)為清晰的變化軌跡,并且都貫穿整個時間序列,表明這些波動對大通站含沙量變化有重要影響。2.1.3輸沙量的年代際變化經(jīng)過EMD分解后可以得出,長江大通站輸沙量系列包含有6個內(nèi)在模函數(shù)(圖4(b)~(g))和一個趨勢項Re(圖4(h)),其中圖4(a)為多年(1951—2004年)月均輸沙量的變化曲線圖。表3表示了內(nèi)在模函數(shù)經(jīng)過Hilbert變換后,得到了頻率、振幅統(tǒng)計結果,并且利用跨零點個數(shù)計算了每個內(nèi)在模函數(shù)的周期。從圖4和表3可以看出:大通站多年輸沙量變化和多年含沙量變化有諸多相似之處;第一模態(tài)IMF1和第二模態(tài)IMF2的平均周期是0.35a和0.96a,說明大通站多年輸沙量變化也存在明顯的季節(jié)與洪枯季變化;IMF3和IMF4的平均周期分別是2.12a和3.85a,代表了大通站輸沙量的年際變化,而IMF5平均周期是7.20a,IMF5更多的表現(xiàn)出了大通站輸沙量的年代際變化;IMF6平均周期是27.00a,說明IMF6代表了輸沙量的年代際變化;同時從第三模態(tài)和第四模態(tài)看出20世紀50年代末、70年代初、80年代初和90年代波動的振幅較大;Re是趨勢項,可以看出多年輸沙量變化是呈緩慢下降的趨勢,并且從80年代中期到90年代輸沙量出現(xiàn)輕微加速下降的趨勢,但是自此下降速度減慢,近十年來下降趨勢已減緩。從前面分析可知,含沙量和輸沙量的變化有所不同,這是因為含沙量是輸沙量與徑流量的比值,所以含沙量不僅是輸沙量的變量,還與徑流量有關,因此兩者的變化會不盡相同。圖5是長江大通站輸沙量Hilbert變換后各個內(nèi)在模函數(shù)的Hilbert譜。圖5像點以色標來表示能量的大小,Hilbert譜右邊的標尺表示從下向上能量從弱到強。圖中波動的能量基本上都集中在頻率小于0.1的范圍內(nèi),也就是說,27a,7a,4a,2a波動是長江大通站輸沙量變化的重要模式,并且還有一部分能量分布在頻率0.1~0.35之間,這一部分能量值代表了年內(nèi)的季節(jié)和洪枯季變化,因此這一部分高頻能量表明了季節(jié)和洪枯季變化對大通站輸沙量變化也會有重要的影響,但是頻率更高的能量在圖中并不突出。3討論3.1年際變化的影響因素分析有研究表明,大通水文站多年徑流量變化具有10年以上的年代際波動和7~8a,4a,2a的年際變化及年內(nèi)變化,并且同時期的大通水文站輸沙率具有16a,7~8a,3a左右的周期,而大通站輸沙量有每16a左右周期性,通過本文分析得知大通水文站多年含沙量變化具有26a和11a的年代際震蕩和4a,2a的年際波動,還具有明顯的年內(nèi)季節(jié)變化,以及多年輸沙量變化所具有的年代際、年際波動以及年內(nèi)季節(jié)和洪枯季變化,這表明了含沙量和輸沙量所具有的這些變化均與前人的結論一致,并且與徑流量變化具有相似性,所以大通水文站多年含沙量和輸沙量變化也會與多年徑流量變化在長時間尺度是相一致的。由于長江徑流受到PDO、太陽活動等氣候波動的影響,具有年代際變化規(guī)律。通過本文分析得知,大通水文站多年含沙量和輸沙量變化也具有十年以上的年代際波動,這說明大通水文站多年含沙量和輸沙量變化與大尺度氣候波動是有密切聯(lián)系的,表明大尺度的氣候波動對長江流域的降水、徑流變化產(chǎn)生重要影響,進而影響到了大通站的含沙量和輸沙量的變化。在中尺度上,厄爾尼諾事件和ENSO等氣候事件是影響兩者變化的一個重要因素。厄爾尼諾事件具有3.5a,4~8a的準周期變化,ENSO是全球年際氣候變率最強的信號,它具有準2.5~7a的波動周期,通常表現(xiàn)為準3a,5a震蕩周期。有研究表明,ENSO變化有3個主要分量,分別為2~7a循環(huán)尺度、8~20a的年代際尺度和20a以上的平均氣候態(tài)變化,而從前面分析可知大通站多年含沙量和輸沙量均出現(xiàn)了4a,2a的年際波動,這說明厄爾尼諾、ENSO等年際氣候波動也會對兩者產(chǎn)生影響。在短時間尺度上,影響含沙量和輸沙量變化的因素更多,例如局地氣候突變(如暴雨)、人類活動等,并且這些因素對含沙量和輸沙量變化的影響更加強烈。對于年內(nèi)變化而言,有文獻表明長江入河口區(qū)的水、沙通量具有明顯季節(jié)變化,并且沙通量的季節(jié)變化幅度和不對稱性,這說明了沙通量的變化是復雜的,同時從本文的分析可知大通水文站含沙量和輸沙量變化的Hilbert譜中有一部分能量是分布在頻率大于0.1的范圍內(nèi)的,因此也說明了長江大通水文站多年含沙量和輸沙量具有較明顯的年內(nèi)變化。3.2泥沙對長江解決計算的影響結果主要反映長江是一條豐水多沙河流,長江大通水文站是離海最近的一個綜合性水文站,控制著約占長江流域總面積94%的流域范圍。根據(jù)資料統(tǒng)計,宜昌站每年匯集河道的徑流總量為4382×108m3,并挾帶5.01×108t(1950—2000年)泥沙輸向長江中下游;而大通站多年(1923—2004年間共62a數(shù)據(jù))平均徑流量為9156×108m3,多年(1951—2004年間共53a數(shù)據(jù))平均輸沙量為4.175×108t,因此宜昌站多年平均徑流量占大通站47.9%,但輸沙量相近。由此可見,進入河口區(qū)的徑流量有一半來自上游,而泥沙主要來自上游,因此上游地區(qū)的來沙情況會對大通水文站產(chǎn)生重要的影響;前人的研究也表明,長江流域產(chǎn)沙最集中的地區(qū)在宜昌以上的金沙江和嘉陵江區(qū)域。自上世紀五十年代初到六十年代中期大通水文站的上游漢口水文站和湖口站輸沙量有所升高,但是自此以后輸沙量逐漸降低,相應的含沙量也出現(xiàn)了相同的變化趨勢,而漢口站和湖口站是距離大通站最近的上游站,與此同時大通水文站也表現(xiàn)出了與上游兩站含沙量變化的一致性,因此長江大通站輸沙量和含沙量的降低與漢口站和湖口站的減沙是有直接關系的。有資料顯示,宜昌水文站的輸沙量1950—1953年間徑流量上升而輸沙量下降,1954—1968年間輸沙量上升;而1969—1979年間輸沙量下降,隨后1980—1985年間水沙都出現(xiàn)上升,但是1986年以后宜昌水文站的水沙量急劇下降。并且1988—2000年間的含沙量占到了1950—1987年平均含沙量的18.26%,而1988—2000年間的輸沙量占1950—1987年平均輸沙量的18.53%,這說明了宜昌站自1987年以后含沙量和輸沙量有明顯減少的趨勢。漢江皇莊水文站從1951—2000年間資料來看,也出現(xiàn)了先升后降的趨勢;而上游的屏山站、高場站、北碚站,除屏山站近幾十年來輸沙量和含沙量上升外,其他各站均在上世紀90年代初由升高轉(zhuǎn)為下降。因此從整個流域的來沙情況來看,由于流域來沙減少造成了大通水文站含沙量和輸沙量降低,但是人類活動起到了至關重要的作用。1950—1965年間長江流域未興建大型水利工程,長江徑流輸沙過程基本處于自然狀態(tài)下,這個時段徑流變幅比較大,徑流量也大;該時期,整個長江流域全民大辦農(nóng)業(yè),開墾荒地,表層植被受到了嚴重的破壞,水土流失嚴重,因此這一階段整個長江流域產(chǎn)沙豐富使得大通站含沙量和輸沙量較高。1966—1979年間,長江干流及其主要支流開始興建大型水利工程,主要有下荊江人工裁彎工程,漢水丹江口水庫與岷江、嘉陵江和烏江等主要支流均修建了大型水庫,并且絕大多數(shù)的水庫都分布在長江流域的中游和下游徑流片,對中下游片的徑流輸沙過程起到了較大的調(diào)節(jié)作用,徑流變幅變小,加之這些水利工程開始攔沙蓄水,因此在隨后的幾年間尤其是中下游的水文站輸沙量和含沙量均出現(xiàn)不同程度的下降,對大通站含沙量和輸沙量下降產(chǎn)生重要影響。1980年以來長江干流修建了葛洲壩工程,同時年徑流量>135×109m3/s的主要支流均興建了大型水庫,尤其是2003年三峽大壩正式下閘蓄水,這些水利設施對長江徑流起到了重要的調(diào)節(jié)作用,對徑流和輸沙進行時空再分配,上游來沙入庫淤積,清水下泄,對下游的泥沙供應顯著減少,水流的挾沙能力下降,懸移質(zhì)逐漸落淤到河道中,導致入河口區(qū)的泥沙減少,含沙量和輸沙量下降。此外,長江流域自20世紀80年代以來開展了大量水土保持工作,上游等地開始封山育林,興建保護林,起到了積極的作用,減少了泥沙入江的供應量。1989年國家實施長江上游水土保持重點防治工程以來,嘉陵江流域由于植被恢復迅速,加之降雨偏少,北碚站輸沙量發(fā)生大幅下降,1990年前后的輸沙量下降幅度達62.8%。雖然對于整個流域來說地表侵蝕沒有得到減緩,還在加劇,但是由于興修水利,水庫庫容劇增,攔沙能力大為增加,因此進入河口區(qū)的泥沙還是減少,使得從80年代中期到90年代大通站輸沙量出現(xiàn)輕微加速下降的趨勢。對于宜昌站下泄水沙,這部分泥沙除了沿程落淤,還要經(jīng)過洞庭湖的調(diào)節(jié)才能到達大通站