鄱陽湖流域降水量變化對(duì)水沙演變影響研究

李 英，涂安國(guó)，胡根華，張華明

(江西省水土保持科學(xué)研究所，江西南昌330029)

鄱陽湖流域地處亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，區(qū)內(nèi)降水豐富但時(shí)空分布不均，其特有的氣候特征、地理環(huán)境和人類活動(dòng)等因素的疊加，導(dǎo)致該區(qū)水土流失嚴(yán)重。水體含沙主要是雨水沖刷流域內(nèi)土壤的結(jié)果，與流域地表水文過程有著密切的關(guān)系。目前，許多學(xué)者對(duì)鄱陽湖流域地表水文過程演變特征及演變的原因進(jìn)行了探討，郭鵬等［1］對(duì)鄱陽湖湖口、外洲、梅港三站水沙變化進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，孫鵬等［2］研究了鄱陽湖流域水沙時(shí)空演變特征及其機(jī)理，樊哲文等［3］研究了鄱陽湖流域土地利用變化的土壤侵蝕效應(yīng)，葉許春等［4］研究了氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)鄱陽湖流域徑流變化的影響。然而，以往的研究往往局限于鄱陽湖流域的某個(gè)水文要素或流域的局部水文變化，很少對(duì)整個(gè)流域的水沙演變過程進(jìn)行系統(tǒng)的研究與分析，尤其是降水對(duì)流域水沙演變影響的研究。降水是引起水土流失的動(dòng)力，而雨強(qiáng)對(duì)降水和徑流產(chǎn)沙形成過程有著重要的影響［5］。因此，研究鄱陽湖流域降水與產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)系，對(duì)于該流域綜合治理和科學(xué)進(jìn)行水資源配置具有重要的意義。

1 鄱陽湖流域降水演變過程分析

1．1 降水演變過程

圖1(a)是鄱陽湖流域1961—2006年降水量年際變化曲線和5年滑動(dòng)平均趨勢(shì)線。鄱陽湖流域近半個(gè)世紀(jì)以來的年平均降水量為1 633 mm。從降水量年際變化曲線來看，年際降水量表現(xiàn)出不同程度的波動(dòng)，極值比(最大值與最小值之比)達(dá)1.92，年際降水量變異系數(shù)為0．14，說明該流域降水年際變化較大。1962—1968年、1984—1991年和2003—2006年是3 個(gè)較長(zhǎng)的連續(xù)枯水期，且1962—1968年降水量的平均值、最大值均比2003—2006年的相應(yīng)值小。從5年滑動(dòng)平均趨勢(shì)線來看，流域降水量總體上有增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)但增長(zhǎng)不顯著。需要指出的是，2001—2006年期間，流域年平均降水量比1961—2000年的平均值減少了6．08%。

圖1 鄱陽湖流域降水演變過程

從圖1(b)年內(nèi)各月降水分布來看，鄱陽湖流域降水主要集中在每年的3—8月，期間降水量占全年降水量的73．74%。鄱陽湖流域各月降水變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果顯示，1月和7月降水量有顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)，5月降水量有顯著減少趨勢(shì)，降水的年內(nèi)分布更加集中。

從圖1(c)可知，鄱陽湖流域近50年來平均每年的降水天數(shù)為160 d，年際變化較大，最多年份為1970年，最少年份為2003年，兩者相差61 d。從降水趨勢(shì)來看，該流域降水天數(shù)呈下降趨勢(shì)，尤其是1997—2006年期間更為顯著，表明流域降水強(qiáng)度增加后降水時(shí)間分布不均勻更加明顯。

采用Mann－Kendall 法對(duì)鄱陽湖流域的年降水量、降水天數(shù)進(jìn)行突變檢測(cè)，其結(jié)果表明:近50年來鄱陽湖流域的年降水量總體上呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，但未通過95%的顯著性檢驗(yàn);流域降水量在1970—1980年間逢偶數(shù)年出現(xiàn)突變點(diǎn)，同時(shí)1983年之后出現(xiàn)突變點(diǎn)，降水量呈下降趨勢(shì);流域降水量于1990年發(fā)生突變后迅速增加，1991—2002年年均降水量比1961—1990年年均降水量高出170．27 mm。

采用Mann－Kendall 法統(tǒng)計(jì)流域1961—2006年降水天數(shù)可知，流域年降水天數(shù)呈波動(dòng)減少趨勢(shì)，但未通過95%的顯著性檢驗(yàn)。分析曲線顯示，20 世紀(jì)60年代中后期和80年代中期以前流域年降水天數(shù)呈上升趨勢(shì)，80年代中期以后均呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，2003年以后流域年降水天數(shù)均呈明顯下降趨勢(shì)。

1．2 鄱陽湖流域降水—徑流演變過程

1．2．1 鄱陽湖入湖徑流量演變過程

鄱陽湖流域贛、撫、信、饒、修“五河”多年平均入湖年徑流量為1 099．17 億m3，入湖年徑流量的極值比為4．4，變異系數(shù)為0．27，年際變化幅度較大。入湖徑流量年內(nèi)分配極不均勻，月入湖徑流量極值比達(dá)6．7。入湖徑流量主要集中在4—7月，占全年徑流量的61．4%，其中6月入湖徑流量最大，占全年徑流量的19．3%。7月雨季基本結(jié)束而轉(zhuǎn)入干旱季節(jié)，入湖徑流量急劇減少，9月至次年2月各月入湖徑流量占年徑流量的比例都小于5．0%。最小月入湖徑流量出現(xiàn)在12月，只占2．9%，徑流量?jī)H為41．2 億m3。

據(jù)分析，1961—2006年鄱陽湖流域入湖年徑流量總體呈上升趨勢(shì)，但1998年之后入湖徑流量呈較為明顯的減少趨勢(shì)，尤其是進(jìn)入21 世紀(jì)減少趨勢(shì)更為明顯，2001—2006年較1995—2000年年均減少241．43 億m3。

1．2．2 鄱陽湖流域降水—徑流關(guān)系

徑流系數(shù)可以很好地表征流域內(nèi)降水—徑流的關(guān)系及水循環(huán)程度，可以較好地檢測(cè)流域內(nèi)水循環(huán)隨時(shí)間的變化，能在一定程度上說明人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響。1961—2006年，鄱陽湖流域年均徑流系數(shù)為0．585，極值比為1．33。從圖2(a)看出，近50年來流域徑流系數(shù)呈顯著增大趨勢(shì)，通過了95%以上的顯著性水平檢驗(yàn)，有較為明顯的突變性和階段性，突變主要出現(xiàn)在20 世紀(jì)90年代初。

鄱陽湖流域降水和徑流關(guān)系十分密切，降水強(qiáng)度和降水量均與徑流量有著很好的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0．828 和0．922，均達(dá)到99%的顯著性水平。分析結(jié)果表明，鄱陽湖流域入湖徑流量不僅與降水量有關(guān)，而且與降水強(qiáng)度有密切關(guān)系〔圖2(b)〕。對(duì)年平均降水量和徑流量進(jìn)行擬合的結(jié)果是二者基本為冪函數(shù)關(guān)系，其表達(dá)式為

式中:y 為年平均徑流量，億m3;x 為年降水量，mm。

圖2 鄱陽湖流域降水—徑流關(guān)系

2 鄱陽湖流域泥沙演變過程分析

鄱陽湖的泥沙來源于鄱陽湖流域的“五河”、湖區(qū)集水區(qū)和長(zhǎng)江倒灌，且以“五河”來沙為主。統(tǒng)計(jì)1961—2006年泥沙資料可知，鄱陽湖流域的“五河”年平均入湖泥沙量為1 428．22 萬t，占年入湖泥沙總量的85．4%，極值比達(dá)8．93，年變異系數(shù)為0．44，說明流域入湖泥沙總量年際變化幅度很大。入湖泥沙量年內(nèi)分布主要集中在3—7月，可占年入湖泥沙量的85%以上。

1985年之前“五河”入湖泥沙量呈增加趨勢(shì)，但至20 世紀(jì)80年代末開始呈減少趨勢(shì)，尤其是在1998年突變之后減少更為明顯，比多年平均值減少了53．06%。采用Mann－Kendall 法的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)顯示，1961—2006年鄱陽湖流域年入湖泥沙量總體呈顯著減少趨勢(shì)，且具有95%以上的顯著性。

隨著鄱陽湖流域降水量的增加和入湖泥沙量的減少，鄱陽湖水體中的泥沙含量也呈減少趨勢(shì)，流域在20 世紀(jì)60年代初到80年代中期水體泥沙含量一直較高，但在1985年突變之后下降趨勢(shì)十分明顯(圖3)。

3 入湖泥沙對(duì)降水過程的響應(yīng)

降水變化是引起徑流量變化的直接原因，而徑流量與輸沙量有著較為密切的關(guān)系。表1 中的相關(guān)分析結(jié)果顯示:1961—2006年鄱陽湖入湖泥沙總量和徑流量、降水量、降水強(qiáng)度均具有很好的正相關(guān)關(guān)系，顯著性水平達(dá)99%以上;水體泥沙含量和徑流系數(shù)具有很好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為－0．531。說明流域降水量和降水強(qiáng)度均對(duì)流域產(chǎn)沙和輸沙有促進(jìn)作用，而水體含沙量是降水和徑流綜合作用的結(jié)果。

為了進(jìn)一步探究降水和泥沙的關(guān)系，對(duì)鄱陽湖流域降水量和輸沙量進(jìn)行了曲線擬合，其結(jié)果見圖4。圖4 中月降水量與月輸沙量基本符合冪函數(shù)關(guān)系，其表達(dá)式為

式中:y 為月平均輸沙量，萬t;x 為月降水量;mm。

圖3 鄱陽湖入湖泥沙演變過程

表1 泥沙與降水相關(guān)系數(shù)

圖4 鄱陽湖流域降水量—輸沙量關(guān)系曲線

月降水量與月輸沙量基本符合冪函數(shù)關(guān)系，說明降水量變化對(duì)鄱陽湖流域的泥沙量具有很大的影響。流域水沙變化主要受自然因素中氣候變化和人類活動(dòng)兩方面的作用，自然因素主要是氣候和下墊面因子的影響，其中以氣候因子的影響最為明顯。降水是土壤侵蝕的直接動(dòng)力，是氣候因子中影響泥沙產(chǎn)生的最主要因子。鄱陽湖流域泥沙的年輸移量對(duì)降水的響應(yīng)明顯低于對(duì)月降水的響應(yīng)，這說明該流域產(chǎn)沙是降水量和降水強(qiáng)度綜合作用的結(jié)果。因?yàn)樵陆邓坎粌H反映了降水量，而且也反映了降水強(qiáng)度的分布。已有的研究表明［6－8］，內(nèi)陸水體泥沙變化主要由降水變化與人類活動(dòng)兩大因素造成，但其長(zhǎng)期變化(即多年變化)主要由人為因素引起。

4 結(jié)果與討論

(1)鄱陽湖流域近50年來年均降水量為1 633 mm，年際降水量表現(xiàn)出不同程度的波動(dòng)，極值比達(dá)1．92，年際降水量變異系數(shù)為0．14，說明鄱陽湖流域降水年際變化較大。從年內(nèi)各月降水分布看，鄱陽湖流域降水主要集中在每年的3—8月，期間降水量占全年降水量的73．74%。1961—2006年流域降水總體呈緩慢上升趨勢(shì)，降水日數(shù)呈下降趨勢(shì)，表明降水強(qiáng)度增加，降水時(shí)間分布不均勻更加明顯，洪澇干旱等氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)增加。

(2)鄱陽湖流域徑流和降水關(guān)系十分密切，降水強(qiáng)度、降水量與徑流量均具有很好的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0．828和0．922，均達(dá)到99%的顯著性水平，其年降水量和年徑流量基本符合冪函數(shù)關(guān)系。分析1961—2006年逐日流量資料結(jié)果表明:鄱陽湖流域入湖年徑流量總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但1998年之后入湖徑流量呈較為明顯的減少趨勢(shì)，尤其是進(jìn)入21 世紀(jì)減少趨勢(shì)更為明顯，2001—2006年較1995—2000年年均減少了241．43 億m3。

(3)根據(jù)1961—2006年泥沙資料統(tǒng)計(jì)，鄱陽湖流域水體含沙量為0．046～0．186 mg/m3，“五河”年平均入湖泥沙量為1 428．22萬t，占年總?cè)牒嗌沉康?5．4%，極值比達(dá)8．93，年變異系數(shù)為0．44，說明流域入湖泥沙總量年際間變化幅度很大。入湖泥沙量年內(nèi)分布主要集中在3—7月，占年入湖泥沙量的85%以上。鄱陽湖水體泥沙含量和入湖泥沙總量均呈減少趨勢(shì)。應(yīng)當(dāng)注意的是，鄱陽湖流域入湖泥沙的減少并不意味著流域侵蝕產(chǎn)沙減少或強(qiáng)度減弱，而是說明流域在受自然因素影響的同時(shí)，越來越多地受到人為活動(dòng)的影響，尤其是森林覆蓋率和水保工程措施對(duì)流域入湖泥沙有著極為重要的影響［4］。

(4)鄱陽湖入湖泥沙總量和徑流量、降水量、降水強(qiáng)度均具有很好的正相關(guān)關(guān)系，顯著性水平達(dá)99%以上，水體泥沙含量和徑流系數(shù)具有很好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為－0．531，說明流域降水量和降水強(qiáng)度對(duì)流域產(chǎn)沙量和輸沙量均有促進(jìn)作用，而水體含沙量是降水和徑流綜合作用的結(jié)果。流域月降水量與月輸沙量的關(guān)系基本符合冪函數(shù)關(guān)系，但年輸沙量對(duì)降水的響應(yīng)明顯低于對(duì)月降水的響應(yīng)，這說明鄱陽湖流域產(chǎn)沙是降水量和降水強(qiáng)度綜合作用的結(jié)果。

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