漓江流域旱澇拐點(diǎn)研究

黃 丹，郭純青，習(xí)麗麗，徐寧濤

(1.桂林理工大學(xué)a.廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心;b.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林 541006;2.遼寧省鞍山水文局，遼寧鞍山114039;3.遼寧省白石水庫(kù)管理局，遼寧朝陽 122000)

0 引 言

漓江起源于興安、靈川兩縣交界的貓兒山，流經(jīng)桂林市區(qū)和陽朔縣，最后到達(dá)平樂縣城附近與恭城河交匯。漓江全長(zhǎng)214 km，流域面積為12 285 km2[1－2]。漓江的桂林水文站徑流特征值為年均徑流量41.8 億m3，最大58.8 億m3，最小24 億m3，年均徑流深1 510 mm。年均降水量為1 853.7mm，徑流系數(shù)0.63，徑流模數(shù)48.2 L/(s·km2)，平均流量為132.6 m3/s。本文中，漓江流域指從興安至陽朔間的河段，流域面積為5 585 km2[2]。2014年桂林城區(qū)有集中供水自來水廠4 座，生產(chǎn)能力44萬m3/d[3]，全部以漓江水為水源。

漓江流域的旱澇與桂林旅游業(yè)的發(fā)展及市區(qū)人民的生產(chǎn)和生活息息相關(guān)。漓江流域旱澇產(chǎn)生的原因主要有[4－6]:(1)降雨的天數(shù)、降雨量時(shí)空分布不均等自然因素;(2)漓江流域用水量增加，用水過度;(3)上游水源林遭破壞等人為因素。戴新[7]認(rèn)為漓江枯水期的水量逐年減少，主要是以下因素造成的:上游修建青獅潭水庫(kù)后攔蓄了水量;漓江上游的森林受到嚴(yán)重的破壞，蓄水保水的性能減弱;流域的降水量減少;桂林市工業(yè)和生活用水量不斷增大;河床抬高，河道受損等。然而，陳順天[8]對(duì)枯水期水量逐年減少，水源林破壞對(duì)旱澇的影響提出了質(zhì)疑，根據(jù)桂林2 個(gè)水文站的實(shí)測(cè)資料分析，不論是年最小流量或枯水期平均流量，其變化均有明顯的周期性，均不存在逐年減少的趨勢(shì)。

拐點(diǎn)存在于自然和社會(huì)一切事物發(fā)生、發(fā)展、消亡中，它產(chǎn)生于一切事物的發(fā)展、變化、演化過程中，存在人類思維變化中。廣義上講，拐點(diǎn)是指事物發(fā)展過程中或運(yùn)行速率發(fā)生本質(zhì)變化的點(diǎn)[9]，是描述變化過程中的扭轉(zhuǎn)點(diǎn)，即從量變到質(zhì)變的點(diǎn)，從漸變到突變的點(diǎn)。隨著“拐點(diǎn)論”在自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)研究中的不斷深入，“拐點(diǎn)”涵義也日趨完善。目前“拐點(diǎn)論”在社會(huì)科學(xué)中的經(jīng)濟(jì)、歷史等方面取得了較多的研究成果[9－12]，但在自然科學(xué)領(lǐng)域，對(duì)拐點(diǎn)的研究還相對(duì)較少。

本文中拐點(diǎn)分為U 型拐點(diǎn)、倒U 型拐點(diǎn)和反N 型拐點(diǎn)(圖1)。U 型拐點(diǎn)中上升拐點(diǎn)為旱澇頻率和程度長(zhǎng)時(shí)間或大幅度增多的點(diǎn)，而U 型減速拐點(diǎn)為旱澇變化減緩點(diǎn)，U 型加速拐點(diǎn)為旱澇增速的點(diǎn)。倒U 型曲線頂點(diǎn)為倒U 型下降拐點(diǎn)，為旱澇頻率和程度長(zhǎng)時(shí)間或大幅度減少的點(diǎn)。倒U 型加速點(diǎn)為旱澇開始加速的點(diǎn)，而倒U 型減速點(diǎn)為旱澇開始減速的點(diǎn)。而反N 型拐點(diǎn)為U 型和倒U型長(zhǎng)期積累的結(jié)果，即旱澇交替出現(xiàn)的結(jié)果。拐點(diǎn)的出現(xiàn)點(diǎn)為洪澇易發(fā)點(diǎn)，應(yīng)該采取有效方法防治旱澇災(zāi)害，旱澇的形成都有能量積累到能量釋放的拐點(diǎn)過程。對(duì)漓江流域旱澇拐點(diǎn)的研究有助于發(fā)現(xiàn)發(fā)生這些災(zāi)害的本質(zhì)，可以更好地幫助加強(qiáng)提高旱澇災(zāi)害的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、預(yù)警和應(yīng)急能力，進(jìn)而有效實(shí)施防災(zāi)減災(zāi)工作。

1 降雨與徑流變化趨勢(shì)拐點(diǎn)分析

漓江流域氣候?qū)儆跂|亞季風(fēng)區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，屬于豐水區(qū)。但夏季和冬季分別由不同氣流控制，漓江流域降雨年內(nèi)分配極不均衡，有雨季和旱季之分，降雨量的季節(jié)分配不均直接影響了河川徑流的季節(jié)性變化，因而漓江流量也就相應(yīng)有豐水期和枯水期之分，這也致使河川徑流暴漲暴落，洪澇和枯水問題突出。表1為漓江流域多年平均降雨量和流量年內(nèi)分配情況，漓江枯水期水資源嚴(yán)重短缺，干旱缺水問題突出。根據(jù)國(guó)際水資源的豐缺標(biāo)準(zhǔn)，漓江流域?qū)儆谪S水地區(qū)[13]。然而，漓江是雨源型河流，受季風(fēng)氣候影響，徑流年內(nèi)分配極不均勻，豐水期和枯水期的流量相差很大。在漓江流域枯水期時(shí)，常出現(xiàn)旅游通航中斷或部分中斷、城市供水告急、水質(zhì)惡化、生態(tài)環(huán)境用水受擠占等嚴(yán)重缺水現(xiàn)象，而在豐水期又極易發(fā)生洪澇災(zāi)害。洪澇災(zāi)害不斷發(fā)生和洪澇急轉(zhuǎn)直接制約了桂林市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。對(duì)降雨量和徑流量的拐點(diǎn)進(jìn)行分析，有利于尋找旱澇原因并幫助進(jìn)行旱澇防御。從表1可見，降雨量月分配與漓江平均流量的月分配基本呈對(duì)應(yīng)關(guān)系:漓江豐水期流量比值高于同期降雨比值，高出5.08%;而枯水期流量比值低于同期降雨比值，低5.08%[14]。原因是冬夏兩季流域內(nèi)產(chǎn)流模式不同:夏季多為大暴雨，降雨速度大于下滲速度，降雨轉(zhuǎn)變成徑流的效率高;冬季長(zhǎng)期干旱，土層干燥，且冬季降雨量少，降雨強(qiáng)度低，降雨轉(zhuǎn)變成徑流的效率低。

圖1 拐點(diǎn)類型Fig.1 Type of turning points

表1 漓江流域多年平均降雨量和流量年內(nèi)分配情況Table 1 Average annual rainfall and flow in Lijiang river

如圖2和圖3所示，漓江月平均流量和流域降雨量從8月末出現(xiàn)倒U 型減速拐點(diǎn)，說明流量下降速度變緩，一直到次年2月底3月初倒U 型加速拐點(diǎn)出現(xiàn)，這段時(shí)間降雨量和流量是一年中最少的時(shí)間，為漓江流域旱季，其降雨量為370 ～430 mm，僅占全年降雨量的20% ～25%[4－6]。降雨量和流量從9月初開始繼續(xù)下降，但減少速度變慢直至11月中旬前后出現(xiàn)U 型上升拐點(diǎn)，說明降雨量和流量最低進(jìn)入谷底，2月春雨開始，流量不斷增加，枯季便結(jié)束了。降雨量和流量一直不斷上升，到5月或6月左右到達(dá)下降拐點(diǎn)，這是一年中降雨量和流量最大的點(diǎn)，5、6月這兩個(gè)月的降雨量為507 ～683 mm，占全年降雨量的35%左右，這一時(shí)間是洪澇易發(fā)期，在此期間發(fā)生洪水?dāng)?shù)占洪水總數(shù)的66%，近100年來洪峰流量達(dá)到3 000 m3/s、洪水位超過146 m 危險(xiǎn)水位災(zāi)害性洪水都發(fā)生在6月。從3月末到9月初為漓江流域豐水期，其降雨量為1 100 ～1 400 mm，占全年降雨量的75% ～77%[6]。降雨量和流量的拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間基本吻合，印證了漓江是一條雨源型河流，徑流主要來自于降雨。而出現(xiàn)拐點(diǎn)的時(shí)間略有不同是因?yàn)樨S水期比枯水期降雨量轉(zhuǎn)化為徑流量的效率高[4]。

由圖4可見，下降拐點(diǎn)出現(xiàn)在1982、1987、1994、1998、2002年，說明在這些年份易發(fā)生洪澇;而上升拐點(diǎn)出現(xiàn)在1986、1991、1995、2001年，說明這些年份易發(fā)生旱情。這也與歷史資料顯示吻合，其中1998年發(fā)生了洪水位超過146 m 危險(xiǎn)水位的災(zāi)害性洪水。

圖2 漓江流域流量拐點(diǎn)Fig.2 Turning points of flow in Lijiang river basin

圖3 漓江月降雨量拐點(diǎn)分布Fig.3 Turning points of monthly rainfall in Lijiang river basin

圖4 漓江流域平均流量拐點(diǎn)Fig.4 Turning points of the average flow rate in Lijiang river basin

1.1 降雨變化拐點(diǎn)分析

降雨對(duì)漓江流域的旱澇作用很大。從漓江流域1957—2006年歷年平均降雨量變化曲線(圖5)可知，降雨量有上升的趨勢(shì)，但上升趨勢(shì)不十分明顯。采用有序聚類法[15]對(duì)漓江流域的年降雨量序列進(jìn)行拐點(diǎn)分析，由圖6可知，當(dāng)τ =36 時(shí)，離差平方和Sn(τ)最小，由此得出漓江流域降雨量拐點(diǎn)在1991年。

圖5 漓江流域年降雨量變化曲線Fig.5 Changing curve of the annual average flow in Lijiang river basin

圖6 漓江流域降雨拐點(diǎn)分析Fig.6 Turning points of rainfall in Lijiang river basin

1.2 年平均流量變化趨勢(shì)及突變分析

圖7為漓江流域年平均流量變化曲線(1958—2003)，其上升趨勢(shì)并不明顯。用有序聚類法對(duì)年平均流量序列進(jìn)行拐點(diǎn)分析，得到漓江流域年平均流量拐點(diǎn)分析圖。由圖8可知，當(dāng)τ =34 時(shí)，離差平方和最小，由此得年平均流量最為突出的拐點(diǎn)在1991年。年平均流量的突變點(diǎn)位置與年降水量的突變點(diǎn)位置都在1991年，而青獅潭水庫(kù)對(duì)漓江補(bǔ)水(一期)工程從1986年開工建設(shè)，至1990年完工，這與1991年比較接近，說明造成漓江桂林水文站徑流變異的主要因素是降水突變等氣候變化，同時(shí)人類活動(dòng)對(duì)漓江徑流序列的突變影響也比較大。

圖7 漓江流域年平均流量變化曲線Fig.7 Changing curve of the annual average flow in Lijiang river basin

圖8 漓江流域年平均流量拐點(diǎn)分析Fig.8 Turning points of the annual average flow in Lijiang river basin

1.3 最枯月平均流量變化趨勢(shì)及突變分析

圖9為漓江流域最枯月平均流量變化曲線(1958—2003)，用有序聚類法對(duì)最枯月平均流量進(jìn)行拐點(diǎn)分析，從圖10可知，當(dāng)τ=46 時(shí)，離差平方和Sn(τ)最小，因此漓江流域最枯月平均流量拐點(diǎn)出現(xiàn)在1987年，處于青獅潭水庫(kù)對(duì)漓江補(bǔ)水(一期)工程施工階段，最枯月平均流量拐點(diǎn)與降雨量和徑流量的拐點(diǎn)1991年接近但并不完全同步。這是由于最枯月平均流量不僅受降雨量控制，更可能是由于青獅潭水庫(kù)的修建蓄水所引起的。

圖9 漓江流域最枯月平均流量變化曲線Fig.9 Changing curve of the estimated monthly average flow in Lijiang river basin

圖10 漓江流域最枯月平均流量拐點(diǎn)分析Fig.10 Turning points of the estimated monthly average flow in Lijiang river basin

通過對(duì)研究區(qū)的洪枯水特征進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)漓江流域的多年平均月降雨量與桂林水文站的多年平均月徑流量大致呈現(xiàn)同步增長(zhǎng)和降低趨勢(shì)，一般9月至翌年2月為研究區(qū)的枯水期;根據(jù)桂林水文站1936—2003年間的67 場(chǎng)洪水統(tǒng)計(jì)分析，年最大洪水主要發(fā)生在4—7月份，以5—6月份最多，災(zāi)害性洪水則集中發(fā)生于6月份。

2 漓江流域植被覆蓋的拐點(diǎn)分析

森林在漓江流域水循環(huán)中作用很重大，雖然漓江流域的森林覆蓋率比較高，但是水源林所占比例卻僅為整個(gè)森林的30%，且質(zhì)量較差。漓江流域植被平均蓄積量?jī)H為44.1 m3/hm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全國(guó)平均值90 m3/hm2。楊永德等利用GIS 對(duì)漓江流域TM/ETM + 影像監(jiān)督分類結(jié)果作出測(cè)量[16]，結(jié)果見表2。

表2 不同生態(tài)區(qū)監(jiān)督分類統(tǒng)計(jì)Table 2 Classification of different patterns

圖11 漓江源頭水源林面積拐點(diǎn)Fig.11 Turning point of ecosystem areas at the source of Lijiang river

由圖11可見，漓江水源林區(qū)的面積在最近幾十年里的變化趨勢(shì)是先增多再減少，拐點(diǎn)出現(xiàn)在1998年前后。漓江水源林區(qū)的面積從1986年的1 584 km2減少到2002年的1 222 km2，面積總量減少約22.8%，表明了漓江源生態(tài)環(huán)境在退化[16－17]，而造成這種退化的時(shí)間主要是從1998年以后。鄧世宗等[18]認(rèn)為，30年內(nèi)水源林蓄積量總共下降了30%多，水源林受到嚴(yán)重的破壞，涵養(yǎng)水源功能急劇減弱。因此必須保護(hù)好漓江上游現(xiàn)有的森林，尤其是常綠闊葉林，計(jì)算得到增加2.65 ×104hm2常綠闊葉林，使其覆蓋率達(dá)32.95%，使森林覆蓋率達(dá)到60.4%，漓江枯水期各月流量就可以增加4 m3/s，枯水期就可能從現(xiàn)在的6 個(gè)多月縮短為2 個(gè)月甚至2 個(gè)月以下[18]，這樣就可以大大緩解漓江枯水期的干旱問題。

由于亂砍濫伐，近30年來漓江水源林破壞嚴(yán)重，林區(qū)的面積也急劇減少，水源林的減少導(dǎo)致漓江流域蓄水保土的性能減弱，水位流量也發(fā)生了變化。以貓兒山林區(qū)的社水河為例:2002年的正常流量?jī)H為0.7 m3/s，只相當(dāng)于1995年以前枯水期的流量，而現(xiàn)在枯水期流量只有0.3 m3/s，導(dǎo)致河水顯著減少的一個(gè)重要原因就是亂砍濫伐，使得森林的固土保水、維護(hù)生態(tài)環(huán)境的功能減弱[19－20]。

3 漓江流域最小生態(tài)需水量拐點(diǎn)分析

漓江流域雖然水資源豐富，但其時(shí)間和空間分布卻極為不均勻，導(dǎo)致漓江流域枯季水資源緊張，加之在以前的水資源配置中對(duì)生態(tài)需水的考慮并不全面，使得生態(tài)用水被擠占，這也導(dǎo)致了河流生態(tài)系統(tǒng)功能有一定的受損?；诖耍瑢?duì)漓江流域旱澇的研究離不開對(duì)漓江流域生態(tài)需水量進(jìn)行研究。Covic[21]在1993年提出生態(tài)需水量的定義，即保證恢復(fù)和維持生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展所需要的水量。對(duì)漓江桂林站1958—2003年徑流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，月天然徑流量排序結(jié)果如表3。

表3 漓江排序過后的天然徑流量Table 3 Natural runoff in Lijiang river basin after sortingm3/s

研究表明，10%的河道流量是最低下限，如果河道流量低于10%，則河流生態(tài)系統(tǒng)健康得不到保障，河流的生態(tài)環(huán)境就會(huì)遭到破壞[22]。因此，采用改進(jìn)后的月保證率設(shè)定法計(jì)算漓江生態(tài)需水量[23]。

設(shè)i 保證率下第j月的某一推薦流量等級(jí)(k)的河道生態(tài)需水量為Qi，j，k，根據(jù)月保證率設(shè)定法其公式為

式中:Ri，j表示i 保證率下第j月的月徑流量;Ri，ave表示i 保證率下的年平均徑流量;Wk為某一推薦流量等級(jí)(k)所采用的年平均徑流量比例。用式(1)計(jì)算得到的不同保證率下的逐月河道生態(tài)需水量，可能會(huì)出現(xiàn)最小生態(tài)需水量小于月平均徑流量10% 的情況，因此在這種情況下需依照下式進(jìn)行修正[23]

式中:Rave，j表示多年平均第j月的月徑流量;Rave，ave表示多年平均年徑流量。

根據(jù)式(2)計(jì)算出漓江不同保證率下最小生態(tài)需水量，由圖12可以看出，在10月到來年3月的枯水期，保證率越高，最小生態(tài)需水量越少;而在3月份出現(xiàn)的拐點(diǎn)和8月份出現(xiàn)拐點(diǎn)之間，保證率對(duì)最小生態(tài)需水量的影響較少，說明河流徑流量的年際變化對(duì)生態(tài)需水量的影響在枯水季節(jié)表現(xiàn)的比豐水季節(jié)明顯。對(duì)比漓江月平均流量(圖13)，生態(tài)需水量拐點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間和月平均流量的時(shí)間基本一致，說明月平均流量對(duì)生態(tài)需水量的影響較大，而河流徑流量的年際波動(dòng)對(duì)河流最小生態(tài)需水量影響卻較小。因此，河流生態(tài)最小需水量是維持河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和發(fā)展的剛性需求。

圖12 漓江同保證率年份逐月生態(tài)需水量(最小)Fig.12 Monthly ecological flow requirements in Lijiang river basin under different guaranteed rates

圖13 漓江月平均流量(1976—2003年)Fig.13 Average monthly flow in Lijiang river

4 結(jié)束語

根據(jù)大量數(shù)據(jù)對(duì)漓江降雨量、植被變化和生態(tài)需水量與漓江徑流量間的關(guān)系進(jìn)行了分析。在分析結(jié)果圖中出現(xiàn)了大量的拐點(diǎn):其中漓江月平均流量與降雨量拐點(diǎn)重合說明漓江是一條雨源性河流，其徑流量主要受降雨影響;漓江年平均流量、最小流量與最枯月平均流量的拐點(diǎn)，其徑流變異的主要因素除降水突變等氣候變化，人類活動(dòng)對(duì)漓江徑流序列的突變影響也比較大;植被覆蓋率倒U 型拐點(diǎn)的出現(xiàn)，說明近些年植被破壞嚴(yán)重也是漓江旱澇的一個(gè)主要原因;生態(tài)需水量拐點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間和月平均流量的時(shí)間基本一致，這說明月平均流量對(duì)生態(tài)需水量的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于河流徑流量的年際波動(dòng)的影響。

通過分析印證了漓江旱澇出現(xiàn)與降雨和徑流的分布不均，與補(bǔ)給區(qū)植被覆蓋率和流域生態(tài)需水量的增加有關(guān)。漓江流域已不是一個(gè)純自然系統(tǒng)，而是一個(gè)自然界與人類社會(huì)相互影響的復(fù)合系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)不僅服從于自然規(guī)律，受自然規(guī)律的影響，同時(shí)還受社會(huì)規(guī)律和經(jīng)濟(jì)規(guī)律的影響，而且來自人類的影響越來越大，人類很多的行為也成為引發(fā)漓江旱澇的一個(gè)重要原因。近年來通過修建水庫(kù)蓄水、植樹造林等方法對(duì)旱澇起到一定的緩和作用。要想減少漓江流域旱澇帶來的災(zāi)害，必須科學(xué)的規(guī)劃漓江流域的水資源，做到科學(xué)的可持續(xù)發(fā)展。

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