摘要：
為了探究河流水沙的變化規律及影響因素,利用欽江陸屋流域1957—2016年的長時序年降水量、年徑流量和年輸沙率數據,採用5年滑動平均法、R/S檢驗法、Mann-Kendall突變檢驗法、累積距平法及復Morlet小波分析法分析以上序列的趨勢性、突變性和週期性;運用雙累積曲線法分析降水和徑流輸沙關係的變化;最後結合流域森林轉型特徵來進行分析。結果表明:(1)降水量弱上升、徑流量減少、輸沙率顯著減少,在α=0.05和β=0.01的顯著水平下,降水量和徑流量無變異,輸沙率弱變異。降水量在1962年、1971年、1989年和2013年發生突變,徑流量在1963年、1971年、1989年和2007年發生突變,輸沙率在1967年、1971年、1981年和2001年發生突變。降水量存在4類時間尺度,23 a、13 a分別為第一、二主週期;徑流量序列存在3類時間尺度,14 a、9 a分別為第一、二主週期;輸沙率序列存在4類時間尺度,22 a、5 a分別為第一、二主週期。(2)降水量-徑流量累積關係分為兩個階段,即1957—1988年和1989—2016年,斜率分別為0.006 8、0.005 8;降水量-輸沙量累積關係分為四個階段:1957—1962年、1963—1988年、1989—1998年和1999—2016年,斜率分別為0.014、0.019 4、0.016 4、0.009,造成水沙關係變化的原因是人類活動的影響。(3)廣西林業建設和森林轉型的發展過程是徑流量和輸沙量不斷髮生變化的原因。
關鍵詞：
降水量; 徑流量; 輸沙率; 趨勢; 突變; 週期; 森林轉型;
作者簡介：
莫劍(1994—),男,碩士研究生,研究方向為河流生態水文研究、GIS應用。E-mail:[email protected];
引用：
莫劍，盧遠，王丹媛，等 . 廣西欽江流域水沙年際變化規律分析［J］. 水利水電技術，2020，51( 1) : 130-138.
MO Jian，LU Yuan，WANG Danyuan，et al. Analysis of interannual water-sediment variation law of Qinjiang River Basin in Guangxi［J］.Water Resources and Hydropower Engineering，2020，51( 1) : 130-138.
基金項目：
國家自然科學基金(41661043);
廣西自然科學基金(2015GXNSFAA139234);
廣西科技重點研發計劃(AB16380318); 廣西研究生教育創新
計劃項目(YCSW2017185);
0 引用
陸地和海洋之間物質循環的一個重要環節是河流每年都向海洋輸送大量的淡水和泥沙,影響著河口生態和地貌演變。由於氣候變化,特別是人類活動的影響,使得流域產流產沙條件發生顯著變化。河流水沙通量變化表徵流域環境的同時也與河口生態系統息息相關,是各種水保措施和生態環境建設必須要考慮的問題。隨著科學研究的發展,氣候變化背景下人類活動對河流水沙的影響是目前水文學研究的重要議題[ ,探究河流水沙的變化規律及影響因素,有利於解決流域環境與河口生態問題。
許多學者根據流域降雨量、徑流量和輸沙量等長序列水文觀測數據,針對它們的變化規律和影響因素開展了一系列研究。研究發現,中國許多的河流湖泊水沙都發生了變化:幾十年來黃河的徑流輸沙量呈下降趨勢;長江干、支流的輸沙量也顯著下降;荊江三口徑流量和輸沙量顯著減少;洞庭湖徑流泥沙量呈減少趨勢;鄔玉琴等從降雨侵蝕力的角度出發,分析了烏江流域侵蝕性降雨和人類活動與輸沙量減小的關係。這些研究表明,徑流量,尤其是輸沙量減小的主要原因是人類活動、水土保持、水庫建設和土地利用變化等措施使得河流水沙發生變化。河流水沙之間的關係也會受氣候變化和人類活動的影響,如涇河流域和三川流域的降雨-徑流關係在以人類活動為主導的影響下發生了變化。
欽江作為茅尾海入海河流之一,源源不斷地向海洋輸送淡水和泥沙,對河口生態和地貌造成影響。近年來,對欽江水沙變化的研究,人們一般採用數學模型和統計分析等方法。研究指出,欽江流域的降雨量呈弱上升趨勢,由於受到人類活動的影響,徑流量和輸沙量下降趨勢顯著,降雨和徑
流泥沙的關係可能發生了變化。但是對於這樣的水沙變化分析主要是從水保措施、水庫建設等來定性描述,鮮少有從廣西的特點——森林轉型的角
度來對水沙變化特徵進行分析。因此,本文選定欽江為研究區,以陸屋流域1957—2016年的年降水量、年徑流量和年輸沙率為研究對象。採用5點
滑動平均法、Hurst係數法、M-K法、小波分析法、雙累積曲線法和累積距平法等,分析60 a來欽江水沙變化的特徵,以及森林轉型在這些變化中的
作用,對流域環境和海岸帶的管理有重要的指導意義。
1 研究區概況及數據
欽江流域位於廣西的南部,東經108°34′—109°29′、北緯21°53′—22°36′,面積2457 km2,欽江從東北至西南,全長179 km。欽江上游地處靈山縣境內,地勢東北高而西南低,東北部多為高丘陵區(即低山),西南部地勢低平;欽江中下游位於欽州市境內,中游北部屬低山區,中游南部及下游為平原。該流域屬亞熱帶季風氣候區,氣候溫和,雨水充沛,光照足,降水時間以4—9月為主。陸屋水文站於1953年5月設立,位於靈山縣陸屋鎮三街,地理位置為東經108°57′,北緯22°17′,是欽江中上游的控制站,屬國家基本水文站和省級重要水文站(見圖1)。本站集水面積1400 km2,幹流河長98 km,主要觀測項目有:水位、流量、泥沙、降水量、蒸發量、水溫、岸溫、水質。收集欽江陸屋站1957—2016年實測年徑流量和年輸沙率數據作為欽江水沙趨勢、突變和週期分析的基礎數據。降水量數據來源於陸屋流域內28個雨量站,根據雨量站的位置和降水數據,採用泰森多邊形對流域的降水特徵進行剖分,然後再計算整個區域多年面平均降水量。
圖1 欽江流域示意
2 主要研究方法
2.1 Hurst係數法
如果水文序列的分佈形式或(和)分佈參數在整個時間內發生了顯著變化,則稱水文序列發生了變異 。Hurst係數的計算常用重標極差分析法,即R/S檢驗法,分數布朗運動增量的相關函數C(t)與Hurst係數H之間存在一定的關係 ,即
本文運用該方法來判斷和描述水文序列趨勢變化的程度。樣本資料長度n=60,自由度n-2=58,給定α=0.05和β=0.01的顯著水平,變異程度分級如表1所列。
表1 Hurst係數變異程度分級
2.2 Mann-Kendall突變檢驗法
本文以Mann-Kendall突變檢驗法 (簡稱M-K法)檢驗水沙突變點,在給定α=0.05顯著水平下,臨界值U =±1.96。計算出UF 和UB 兩個統計量序列,並將兩條序列曲線和兩條臨界直線繪在直角座標系上。若兩條曲線有交點並處在臨界直線之間,此交點就是突變點,交點所在的時刻就是突變開始的時刻。
2.3 累積距平法
距平為要素值與多年平均值的差,累積距平 則為距平值的累加。可用累積距平曲線來觀察欽江流域水沙年際變化的階段性特徵。
2.4 小波分析法
小波分析法 主要用於時間序列的消噪音和濾波、突變點的監測和週期成分的識別等。將小波方差繪製成曲線圖,小波方差的極大值點對應的時間尺度a即為主週期。本文采用復Morlet小波計算水沙序列的週期。
2.5 雙累積曲線法
雙累積曲線 就是一條同期內一個變量的連續累積值與另一個變量連續累積值的關係線,若其斜率發生變化,則說明兩個變量累積值的關係發生變化,同時可知關係出現變化的時間。
3 結果與分析
3.1 水沙趨勢、變異與突變性
欽江陸屋流域的降水量、徑流量和輸沙率的年際變化曲線如圖2—圖4所示。結合滑動曲線和趨勢線來看,降水量呈弱上升趨勢,最大降水量出現在1970年,為2 476.9 mm,最小降水量出現在2007年,為1 008.6 mm,年均增加3.096 2 mm。徑流量呈下降趨勢;波動性強,1965—1992年波動週期長、幅度大,1993—2016年波動週期短、幅度小,年均減少0.067 5 m3/s。輸沙率顯著下降,年均減少0.086 2 kg/s,階段性強。運用R/S檢驗法計算H和C(t),結果如表2所列。對照表1可知,給定α=0.05和β=0.01的顯著水平下,降水量、徑流量無變異,輸沙率弱變異。
表2 水沙變異檢驗結果
圖2 陸屋流域降水量年際變化
圖3 陸屋站徑流量年際變化
圖4 陸屋站輸沙率年際變化
運用M-K突變檢驗和累積距平法,分析陸屋流域水沙序列的突變特徵。M-K突變檢驗在給定α=0.05顯著水平、臨界值為±1.96的條件下進行,使用累積距平法前先對年徑流量和年輸沙率的單位進行換算,水沙序列突變特徵如圖5所示,檢驗結果如表3所列。
圖5 陸屋流域水沙序列突變特徵
表3 水沙突變年份檢驗結果
從表3可知:M-K法檢測出的突變年份一般為水沙序列增大或減小的前一個年份,但可能存在虛假突變點。例如,降水量的兩個突變年份過於滯後,對比圖2較難觀察出2012年和2015年降水量發生突變;徑流量的突變年份過於靠前,如1957年,這些都可能是虛假突變點。累積距平法對序列變化的反應比較靈敏,檢測出的突變年份一般是水沙序列值較大或較小的年份,而且能反映水沙序列的階段性特徵;突變檢驗結果顯示,降水量、徑流量和輸沙量在1971年都發生了突變,表明這個時期降水能在較大程度上影響徑流輸沙的變化,但隨後兩個突變年份出現了不一致性,說明人類活動使得水沙關係發生了一些變化,尤其是對輸沙量影響較大。兩種檢驗結果僅有輸沙在2001年重複。
對比以上兩種方法的突變檢驗結果,就欽江陸屋流域而言,累積距平法能更好地反映出水沙的變化情況。結合年際變化曲線,最後將累積距平突變檢驗的結果作為水沙突變年份。
3.2 水沙週期性
對降水量、徑流量和輸沙率做復Morlet小波分析,結果如圖6—圖8所示。經過對小波係數實部等值圖和小波方差圖的判讀,得到水沙的時間尺度和主週期如表4所列。
表4 水沙週期性檢驗結果
圖6 降水量Morlet小波分析結果
圖7 徑流量Morlet小波分析結果
圖8 輸沙率Morlet小波分析結果
降水量有4類時間尺度:16～32 a時間尺度的週期變化穩定且具有全域性,存在3個完整的豐-枯交替震盪週期,2016年以後該時間尺度等值圖未閉合,未來幾年降水可能持續增加;10～15 a震盪週期在1985年之後增強,存在準3次震盪;6～9 a時間尺度在1965—1995年之間比較明顯。根據小波方差圖,可知序列存在4個明顯的波峰,依次為6 a、8 a、13 a和23 a,分別為第四、三、二、一主週期。
徑流量存在3類時間尺度:3～8 a,9～15 a和16～28 a。16～28 a時間尺度的週期變化表現為局部性,1965—1995年存在豐-枯交替的準2次震盪;9～15 a時間尺度的週期性在1965年以前和1992年之後較為穩定,存在準3次震盪。可能存在更長時間尺度的週期規律,需要做進一步研究。根據小波方差圖,可知序列有4個峰值:4 a、6 a、9 a和14 a,分別對應第四、三、二、一主週期。
輸沙率存在4類時間尺度:3～5 a,6～10 a,11～14 a和15～32 a。15～32 a時間尺度的週期變化在2000年以前很穩定,存在準3次震盪;11～14a時間尺度的週期性在1997年後得到加強;3～5 a和6～10 a時間尺度的週期性在1975年以前比較明顯。根據小波方差圖,可知序列存在3個明顯的峰值,依次為5 a、8 a和22 a,分別對應第二、三、一主週期。
根據小波方差檢驗的結果,分別繪製控制降水和徑流演變的第一主週期小波係數實部過程線如圖9和圖10所示。
圖9 降水量23 a時間尺度小波實部過程線
圖10 徑流量14 a時間尺度小波實部過程線
圖9顯示,23 a時間尺度在1957—1959年、1967—1973年、1981—1988年、1996—2003年和2013—2016年為正相位,表示降水量在這些時段為偏豐期,在1960—1966年、1974—1980、1989—1995年和2004—2012年為負相位,降水量為偏枯期。預計:在23 a時間尺度下,2017—2021年為降水量偏豐期,並於2017—2019年到達豐水期高峰時段。
圖10顯示,14 a時間尺度在1958—1962年、1968—1972年、1977—1979年、1983—1987年、1993—1996年、2002—2005年和2011—2015年為正相位,表示徑流量偏豐在1957年、1963—1967年、1973—1976年、1980—1982年、1988—1992年、1997—2001年、2006—2010年和2016年為負相位,徑流量偏枯。預計:徑流量在14 a時間尺度下,2017—2020年為偏枯期,2021—2025年為偏豐期。
4 討 論
4.1 人類活動對水沙的影響
本節主要討論人類活動對水沙關係和水沙變化的影響。從3.1節分析可知,降水量增大,徑流量、輸沙量減小,水沙變化趨勢呈現非一致性,說明水沙關係可能受到人類活動的影響而發生變化。為了檢驗水沙關係以及這種關係發生變化的年份,繪製降水量—徑流量、降水量—輸沙量雙累積曲線如圖11和圖12所示。
圖11 降水-徑流雙累積曲線
圖12 降水-輸沙雙累積曲線
從圖11可知,降水量-徑流量累積關係分為兩個階段,即1957—1988年和1989—2016年,斜率分別為0.006 8、0.005 8。從圖12可知,降水量—輸沙量累積關係分為四個階段:1957—1962年、1963—1988年、1989—1998年和1999—2016年,斜率分別為0.014、0.0194、0.0164、0.009。
可以分為兩個時期:發展時期(1958—1988年);90年代至21世紀穩步發展時期(1989至今)。其中:
(1)第一個時段,1957—1962年處於林業建設的奠基末期和探索發展初期,該時期人類活動的影響對徑流、輸沙的影響較小。
(2)第二個時段,1963—1988年完全處於探索發展時期。其中1967—1978年廣西林業發展受到重創,林業廳建制被撤銷,林區重採輕育,絕大部分水源林地區遭受破壞;到80年代初期,國營、集體林場爭奪山權,人們亂砍濫伐現象嚴重,屆時廣西的林地遭到前所未有的破壞,泥沙流失量達到最大。該時段降水量-輸沙量雙累積曲線的斜率為0.019 4,說明上述人類不合理的行為使得流域下墊面的產沙能力最強。從圖3和圖4可知,該時期內徑流量和輸沙率的值總體上高於其他時段且持續時間較長,徑流量主要受降水量控制,輸沙率受人類活動的影響較大。同時,從表3累積距平法突變檢驗結果可知徑流量和輸沙率首次發生突變的年份就處在這個時段。
(3)第三個時段,1989—1998年進入了穩步發展時期。降水量—徑流量和降水量—輸沙量的累積關係同時在1989年開始發生了變化,徑流量和輸沙率較上一個時期有所減小,人類活動降低了流域下墊面產流、產沙水平。
(4)第四個時段,1999—2016年降水量—輸沙量雙累積曲線的斜率最小、流域下墊面產沙能力最弱。究其原因主要是廣西從2000年開始實行“造、封、管、節”並舉,以人工造林為重點,森林面積逐年上升,2015年達1 629.50萬hm2,水源涵養、固沙防失作用明顯。人工造林對徑流量和輸沙率的影響在下一節詳細論述。
本文的研究時段,基本上處於第二、第三個時段。
4.2 水沙對森林轉型的影響
從4.1節可知,廣西從2000年開始人工造林為重點,而人工造林又以種植桉樹為重點。我國以廣西為桉樹的主要種植區,廣西桉樹的種植經歷了起步階段(1949—1977年)、推廣階段(1978—2000年)和大發展階段(2001至今),其中大發展階段桉樹的種植面積每年增加200萬畝,廣西正在經歷著森林轉型[ 27 ]。陸屋水文站控制流域內的桉樹種植面積從1987—2015年增加了207.68 km2,主要由林地轉化而來,還有部分果園和草地。近30年時間陸屋流域林地(含桉樹)總面積從526.48 km2增加到了557.54 km2。
由於種植的桉樹具有數量多、密度大、生長速度較快、生長週期較短的特點,在果園、草地等被桉樹替代後,增大了植被攔截和生長耗水量,使得徑流量減少。桉樹的生長過程雖然對土壤肥力的消耗大,嚴重的甚至會導致水土流失,但只要科學管理,給土壤補充養分,合理施肥,桉樹種植過程中的土壤問題是可以避免的。此外,種植桉樹能夠提供保育土壤等生態系統服務價值,減少水土流失,降低泥沙量。
在徑流量和輸沙率對森林轉型響應的過程中,輸沙率的反應比較靈敏。從3.1節和3.2節可知,2000年以後輸沙率較之前顯著減小,並且在2001年發生突變,15～32a時間尺度的週期性在2000年以後顯著減弱。綜上所述,相對於徑流量,桉樹種植在大發展階段對輸沙率具有更顯著影響,不僅使得輸沙率減小,還大幅度減弱了其原先的週期變化規律。
5 結 論
本文以欽江陸屋水文站控制流域的年降水量、年徑流量和年輸沙率為研究對象,運用多種分析方法,通過滑動檢驗、R/S檢驗、M-K突變檢驗、累積距平法和小波分析法分析水沙序列的趨勢、突變和週期,並運用雙累積曲線分析降水量-徑流量和降水量-輸沙量關係的變化,最後結合廣西林業發展和陸屋流域森林轉型特徵來進行分析,結果表明:
(1)在研究時段內,降水量弱上升、徑流量減少、輸沙率顯著減少。在α=0.05和β=0.01的顯著水平下,降水量和徑流量無變異,輸沙率弱變異。降水量在1962年、1971年、1989年和2013年發生突變,徑流量在1963年、1971年、1989年和2007年發生突變,輸沙率在1967年、1971年、1981年和2001年發生突變。降水量存在4類時間尺度,23a、13a分別為第一、二主週期,2019—2021年可能為降水偏豐期。徑流量序列存在3類時間尺度,14a、9a分別為第一、二主週期,可能存在更高時間尺度的週期規律。在14a時間尺度下,2019—2020年為徑流量偏豐期;輸沙率序列存在4類時間尺度,22a、5a分別為第一、二主週期,22a時間尺度的週期性從1994年開始減弱,2000年之後明顯減弱。
(2)運用雙累積曲線法分析降水和徑流輸沙的關係可知:降水量-徑流量累積關係分為兩個階段,即1957—1988年和1989—2016年,斜率分別為0.0068、0.0058,人類活動使第二階段的徑流量減少;降水量—輸沙量累積關係分為四個階段:1957—1962年、1963—1988年、1989—1998年和1999—2016年,斜率分別為0.014、0.0194、0.0164、0.009,在人類活動的影響下,第二、第三階段流域下墊面的產沙水平明顯高於其他兩個階段,第四階段流域下墊面的產沙水平最低。
(3)1987—2015年陸屋流域森林轉型的特徵表現為林地、果園和草地轉化為桉樹共207.68 km2,林地(含桉樹)面積增加了31.06 km2,植被耗水量增大、保育土壤。徑流量和輸沙率的趨勢性、突變性、週期性以及與降水量關係變化的特徵,不僅受降水影響,還與廣西林業建設和森林轉型緊密相關,輸沙率對森林轉型的響應更靈敏。
水利水電技術
水利部《水利水電技術》雜誌是中國水利水電行業的綜合性技術期刊（月刊），為全國中文核心期刊，面向國內外公開發行。本刊以介紹我國水資源的開發、利用、治理、配置、節約和保護，以及水利水電工程的勘測、設計、施工、運行管理和科學研究等方面的技術經驗為主，同時也報道國外的先進技術。期刊主要欄目有:水文水資源、水工建築、工程施工、工程基礎、水力學、機電技術、泥沙研究、水環境與水生態、運行管理、試驗研究、工程地質、金屬結構、水利經濟、水利規劃、防汛抗旱、建設管理、新能源、城市水利、農村水利、水土保持、水庫移民、水利現代化、國際水利等。
