西江流域干流近年水沙变化特征

2020-06-23万家全

水运工程 2020年6期

万家全

(桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林 541000)

珠江三角洲地区是中国经济最发达地区之一，西江是珠江流域的干流，是珠江流域最大的水系，其水沙变化直接影响着珠江的水沙变化[1]。开展西江流域干流的水文特征研究对珠三角地区的经济发展、航道水运、生态环境治理及相关科研具有指导性意义。

前人对西江流域水沙变化的研究多基于单个干流水文控制站或者干流的中下游水文站的资料，运用常规方法分析得到控制站附近河流航道水沙变化[2]，本文基于西江流域干流上游红河水的迁江站、中游浔江的大湟江口站以及中下游梧州站和高要站的同步水文资料和采用模拟退火算法进行非线性回归分析，最后创新性地将4个站虚拟成“西江站”总站，沿程上全面分析其径流量和输沙量的变化规律，进而初步探寻影响西江流域干流水沙产生突变的因素。

1 数据来源及分析方法

西江流域干流迁江站、大湟江口站和高要站的径流泥沙数据来自中华人民共和国水利部刊发的2002—2016年《中国河流泥沙公报》，梧州水文站输沙量和径流量数据来自于梧州市水文水资源局。数据为1957—2016年的年时间序列，时间序列无缺失且各站数据时间一致。

采用Mann-Kendall趋势检验法[3-4]、五年滑动平均法和累积距平法[5-7]定量与定性分析4个代表站年径流量和年输沙量的演变趋势；结合T检验法[8-9]、累积距平法和有序聚类分析方法[10]，定性和定量分析年径流量与年输沙量的突变点；采用模拟退火法进行非线性拟合，获得年输沙量和年径流量间的定性关系，进而分析其年径流和年输沙量的变化规律。

2 西江流域干流径流年际变化

2.1 径流年际变化的特征值分析

统计分析西江流域干流上中下游主要控制站1957—2016年平均径流量实测资料，见表1。1957—2016年4个水文站多年平均径流量的偏差系数较低，均在0.177～0.216之间。其径流极值比介于2.628～2.760，表明西江干流主要水文站年径流量年际变化不大。

表1 4个水文站多年平均径流量和输沙量及其偏差系数

参照SL 250—2000《水文情报预报规范》，将年径流的距平值百分率Pi划分为5个级别：枯水年Pi< -20%，偏枯年Pi在-20%～-10%，平水年Pi在-10%～10%，偏丰年Pi在10%～20%，丰水年Pi> 20%。4个水文站年径流量距平值百分率见图1。

图1 4个水文站年径流量距平值百分率

由图1可知，干流各水文站年径流量丰、枯年波动规律基本一致。1955—1960年4个站平水年和枯水年次数较多，可视为平水期和枯水期；同理，1960—1980年为平水期和丰水期；20世纪80年代末—90年代初为枯水期；1990—2000年为丰水期和平水期；2000—2010年回到平水期和枯水期。2015年后除了大湟江口站，其他3站出现平水年和丰水年的趋势。可概括出西江干流丰枯年份出现规律可分3个阶段：平枯期→平丰期→枯水期。迁江站的丰枯变化最为明显，2013年Pi≤-40%的高概率，1968和1979年Pi≥50%，变化趋势最为显著，因此迁江站是4个站中极易发生干旱和洪涝灾害的。

2.2 径流序列变化的演变趋势

从站点年径流量序列过程线可直接观察到西江流域干流径流量年际变化不明显，大部分围绕于趋势线上下，较多年份的径流量均高于多年平均值；其中迁江站多年径流量总体上有下降趋势，且年径流量趋势线斜率最大，减少趋势较其他水文控制站更明显。

根据趋势线判断，大湟江口站、梧州站和高要站年径流量变化不明显，结合Mann-Kendall检验结果(表2)，大湟江口的标准统计量值Z为负值，|Z|< |Za/2|=1.96，表明该站年径流量增加趋势不显著；同理分析出梧州站和高要站年径流量在近59年均呈下降趋势，但下降趋势并不显著。

表2 1955—2016年径流变化趋势的Mann-Kendall检验结果

注：Z为标准统计量值；α为显著性参数。

4个水文站的年径流量序列过程线见图2。根据5年滑动平均分析，迁江站年径流量在1965年前呈下降幅度稍缓趋势，1965—1987年为平缓上升阶段，1987—2000年迁江站的径流量先平缓下降后平缓上升，2005年后急剧下降，迁江站在研究时间系列上总体呈下降趋势。大湟江口站、梧州站以及高要站的年径流量在20世纪70年代之前呈缓慢下降变化；第2阶段为1968—1985年，此阶段年径流量的变幅较小，呈上升趋势；第3阶段大湟江口站、梧州站和高要站的下降幅度均稍大；第4阶段为1995—2004年，3个水文站流量的变化趋势均为较快上升；第5阶段为2004年之后，年径流量呈加速下降趋势。结合一元趋势线和Mann-Kendall趋势检验法，可知大湟江口站、梧州站以及高要站的年径流量在研究时间系列上的总体变化趋势下降且不显著。

图2 年径流量序列过程线

2.3 径流系列突变性分析

滑动T检验法(表3)和有序聚类法分析(图3)得到2002年为年径流量的显著突变点，而累积距平法计算的结果则是2003年，再结合图2确定迁江站年径流量变化的显著突变点为2002年，且突变前均值为677.83亿m3，突变后均值543.53亿m3，突变量为134.3亿m3。由图4也可以得到5年滑动平均值判断结果，均呈缓慢下降→平缓上升→下降→加速上升→急剧下降。

表3 4个水文站年径流量滑动T检验结果

注：t0为径流量滑动T检验初始值。

图3 年径流量有序聚类曲线

图4 年径流量累积距平曲线

由图3可知，1963年出现大湟江口站年径流量最小值，同时在图中存在2003年和1964年2个极值，利用滑动T检验时大湟江口站年径流量的统计量值小于置信度的临界值(α=0.05)，表明其没有显著的突变点，变化趋势缓慢(表3)。同理，梧州站与高要站均无突变点。

3 西江流域干流输沙量年际变化分析

3.1 输沙量时间变化特征分析

西江流域干流输沙量年际变化较大，各站的输沙量数据与控制站的面积有一定的关系，输沙量的空间分布不均。

干流年输沙量的极值比为15.757～551.877，大湟江口站、梧州站和高要站的极值比分别为15.757、26.310、32.510，迁江站的极值比551.877，变幅最大；4个水文站的最大值出现时段基本相同(图5)，迁江站、大湟江口站、高要站出现于1983年，梧州站出现于1982年，其主要原因是20世纪80年代西江流域干流不合理的土地利用、乱砍滥伐以及造成水土流失的工程建设；而年输沙量的最小值都在2011—2013年间出现，主要原因是各站上游兴修水利工程与实行水土保持方案以及大规模采砂现象，直接导致各站输沙量发生了巨大变化，总体上为丰水多沙、少水少沙。与年径流量变化趋势相比，输沙量过程曲线均在20世纪90年代后下降幅度变大，输沙量年际变化显著。

图5 年输沙量过程线

3.2 输沙量时间演变趋势

由图5可知，迁江站年输沙量在1964年前呈下降趋势，1964—1992年平缓上升，1992年后急剧下降；大湟江口站、梧州站和高要站的年输沙量均呈平缓上升趋势后急剧下降。总体上，西江流域干流迁江站、大湟江口站、梧州站和高要站的年输沙量总体上均呈下降趋势。

西江流域干流年输沙量变化趋势的Mann-Kendall检验结果见表4。4个站年输沙量统计值|Z|均大于置信度的临界值(α=0.05)，4个水文站年输沙量变化趋势均为显著；由于4个站的统计量值Z均为负数，因此年输沙量呈下降趋势。

表4 西江流域干流年输沙量变化趋势的Mann-Kendall检验结果

3.3 输沙量突变类型分析

3.3.1迁江站年输沙量的突变点

迁江站年输沙量有序聚类曲线和累积距平曲线见图6。迁江站有序聚类值在1988—1997年处于较低水平，在1991年时有序聚类值最低；利用累积距平曲线分析迁江站年输沙量，得1989—1995年累积距平值较高，1991年出现极大值点；两种方法结果皆说明迁江站年输沙量的跳跃时间点为1991年。通过滑动T检验法计算出的输沙量跳跃时间点也是1991年(表5)，且突变前输沙量平均值为5 035.59万t，突变后输沙量平均值为1 014.59万t，该点的突变量为4 021.01万t。由此可知迁江站年输沙量序列在1991年时发生显著突变。

图6 迁江站输沙量有序聚类曲线和累积距平曲线

表5 西江流域干流年输沙量突变性的滑动T检验结果

注：T为年输沙量滑动T检验初始值。

3.3.2大湟江口站年输沙量的突变点

大湟江口站年输沙量有序聚类曲线和累积距平曲线见图7。有序聚类分析得到的最小值出现时间点为1997年，累积距平值在较宽的时间域处于高水平阶段，出现最高值5.539 78亿t时间点为1998年，且最高值与1997和1999年对应的累计值相差较小；综合分析年输沙量的突变时间点为1997年。利用滑动T检验法再次确定1997年为突变点，且跳跃前后输沙量的均值分别为6 164.63万和1 960.63万t，突变量为4 204万t。

图7 大湟江口站输沙量有序聚类曲线和累积距平曲线

3.3.3梧州站年输沙量的突变点

梧州站年输沙量有序聚类曲线和累积距平曲线见图8。梧州站在1996年时出现最低值，最低值与左右聚类值之差较小；距平值结果显示1988和1994年的累积极大值相近，1994年值为最大；滑动T检验的结果与累积距平值方法结果一致，年输沙量的突变点均为1994年。结合实际资料以及有序聚类分析结果中1996年的最小值与两边(1988年和1994年)之差小，确认1994年为梧州站年输沙量序列的显著突变点，突变前后输沙量多年平均值为7 010.72万和2 598.04万t，突变量为4 412.67万t。

图8 梧州站输沙量有序聚类曲线和累积距平曲线

3.3.4高要站年输沙量的突变点

高要站年输沙量有序聚类曲线和累积距平曲线见图9。年输沙量序列的统计量值|T|大于置信度的临界值(α=0.05)，由此可知高要站年输沙量序列存在突变点，时间为1998年，跳跃前后输沙量均值分别为7 249.33万和2 532.17万t，突变量为4 717.17万t；有序聚类分析结果与滑动T检验结果相同，高要站年输沙量有序聚类曲线在1998年出现最小值；累积距平值曲线的最高点所对应的时间为1999年，其值为5.943 63亿t，1998年的年输沙量累积距平值为5.900 55亿t，而2000年的值为5.747 91亿t，与1999前后累积距平值之差分别为0.043 08亿与0.195 72亿t。综合分析3种方法，确认高要站年输沙量的显著跳跃点为1999年。

图9 高要站输沙量有序聚类曲线和累积距平曲线

4 水沙变化趋势分析

4.1 西江站整体水沙变化趋势

假设存在一个水文站能够控制整个西江流域干流，将此虚拟站命名西江站。通过模拟退火算法进行年径流量非线性拟合，年径流量变化拟合结果见图10a)，拟合得到的曲线相关系数R2为0.500 83。

由图10a)可知，西江流域干流年径流量呈波动变化，变化趋势较平缓，趋势变化具体可细分为：1957—1974年缓慢上升趋势，1974—1986年缓慢下降趋势，1986—1998年呈上升趋势，1998—2011年以较快速度下降，而后至2016年呈急剧上升趋势。

西江流域干流西江站年输沙量拟合结果见图10b)。经过多次调节参数，最终求得年输沙量模拟曲线的相关系数R2为0.87321，拟合度较高。西江流域干流西江站年输沙量变化趋势不复杂，总体上呈下降趋势：1970年以前呈波动变化，1970年后呈显著下降。1960—1970年年输沙量急剧增大。

注：年份1～59代表1957—2016年。

4.2 西江站年输沙量与年径流量的关系

非线性回归曲线如图11所示，其拟合相关系数R2为0.507 99，说明1957—2015年西江总站年径流量与输沙量呈显著的相关关系。

图11 西江站年径流量与年输沙量非线性拟合曲线

模拟退火法计算的西江站年径流量与年输沙量非线性拟合所得的方程为：

y=p1+p2x0.5+p3x+p4x1.5+p5x2+p6x2.5+p7x3

(1)

式中：y为年输沙量；p1～p7均为参数；x为年径流量。

多次调整参数，最终确定出图11拟合曲线参数值，利用式(1)计算出1957—2015年输沙量的回归值。统计实际年输沙量和计算值的偏差系数Cv，其结果分别为0.529和0.269，说明实际输沙量的变化幅度比回归值的大。

西江站年输沙量与计算年输沙量过程线见图12。年输沙量、计算年输沙量均与年径流呈波动状态，变化过程基本同步；然而实际年输沙量变化量均比年径流量的变化幅度大，1990年之后实际输沙量下降速度显著，另一方面回归推算的年输沙量与径流量的变化幅度相对较小，而且是丰水多沙、少水少沙的规律。

图12 西江站年输沙量与计算年输沙量过程线

有研究表明在气候条件和下垫面综合作用下流域径流和侵蚀产沙[11]。气候变化可能多方面影响径流过程和侵蚀产沙过程，其中，最直接的影响因素是降水变化[12]。人类活动如水利工程建设和水土保持措施等均改变流域下垫面，也影响流域产汇流和侵蚀产沙过程[13]。若流域的输沙量变化只与气候变化相关，则径流量与输沙量的变化幅度不大。而由图11可知，西江流域干流实际年输沙量变化幅度远大于年径流量的变幅，其非参数回归模拟后计算得到的输沙量变化与年径流变化幅度相对较小，因此，该时间段内人类活动作用应当是西江流域干流西江站输沙量减少的主要因素。

1992年库容为34.3亿m3的岩滩水库开始发挥拦水蓄沙作用，龙滩水电站也于2006年建成并投入使用，1990—2010年以来水利工程建成的总库容为493.03亿m3，占1960—2010年总水利工程建造库容的94%，可见这些大型水利工程对西江流域干流输沙量下降的影响力不容忽视[14]。此外1991年国家通过《中华人民共和国水土保持法》，运用法律规范实施水土保持措施，广西壮族自治区人民政府出台各种控制水土流失的政策，1979—1998年期间，广西壮族自治区总造林面积达3 591 km2；2003—2009年，广西壮族自治区内每年采砂量为120万t。

根据上述资料，西江流域干流输沙量自1990年后持续下降原因主要是受人类活动作用。