近年來珠江流域水位-流量演變與成因分析

唐嘉琪，段 凱*，郝 璐

(1.中山大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510275;2.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，江蘇 南京 210044)

隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，全球變化成為當(dāng)下和未來人類社會(huì)發(fā)展所關(guān)注的共同問題。全球變化不僅僅包含了氣候變化還包括人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境變化所造成的影響，導(dǎo)致了許多河流水文情勢(shì)變化顯著[1-4]，一定程度上破壞了水文時(shí)間序列的一致性[5-6]。ZHANG Q等[7]在分析1959—2005年珠江流域下游3個(gè)水文站的長(zhǎng)流量系列以及馬口站和三水站之間的流量比時(shí)，發(fā)現(xiàn)三水/(馬口+三水)流量比增加是珠江三角洲河道形態(tài)變化(下切)的結(jié)果，氣候變化對(duì)水文演變過程也有巨大影響；Yongqin David Chen等[8]指出珠江流域的年最小流量趨于增加，與年最小流量相比，年最大流量的標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，對(duì)珠江三角洲的洪水減緩條件不利，干旱或洪水等極端水事件的發(fā)生概率將更高；易靈等[9]研究發(fā)現(xiàn)近年來人類活動(dòng)對(duì)珠江流域徑流量及時(shí)空分布整體影響較小，但對(duì)珠江流域洪水量級(jí)、以及西江、北江和珠江三角洲地區(qū)的水位流量關(guān)系影響較大。珠江流域是中國南方經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一，同時(shí)也是中國洪澇災(zāi)害最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。因此，從各方面研究分析珠江流域徑流的變化趨勢(shì)，有利于認(rèn)識(shí)珠江流域水文情勢(shì)變化的演變規(guī)律和影響因素，有助于認(rèn)識(shí)人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)復(fù)合流域造成的綜合影響，為珠江流域的洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究與水資源管理提供重要的參考。

1 數(shù)據(jù)及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文選取珠江流域位于干流和主要支流上的16個(gè)水文站近年來的流量和水位數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，序列長(zhǎng)度為1997—2013年，且該序列資料通過累積平均曲線和差積曲線法分析均具有較好的代表性。水位和流量數(shù)據(jù)來源于廣東、廣西水文部門，少許水文站點(diǎn)缺失數(shù)據(jù)采用線性插值法進(jìn)行插補(bǔ)，降水?dāng)?shù)據(jù)來源于國家氣象局氣象信息中心，水文站點(diǎn)和氣象站點(diǎn)的地理位置分布見圖1。

圖1 珠江流域水庫、氣象和水文站點(diǎn)分布

1.2 研究方法

本文主要采用非參數(shù) Mann-Kendall[1]趨勢(shì)突變檢驗(yàn)法、線性趨勢(shì)等分析方法來檢驗(yàn)流量和水位的趨勢(shì)變化。Mann-Kendall是受到廣泛應(yīng)用的一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法[1]，具有檢驗(yàn)范圍寬、定量化程度高以及人為干擾性小等特點(diǎn)，更加適用于類型變量和順序變量的檢驗(yàn)。本文將對(duì)選取的16個(gè)水文站在1997—2013年的月平均流量和月平均水位時(shí)間序列進(jìn)行分析，利用MK趨勢(shì)檢驗(yàn)得出在珠江流域17年來流量和水位在全年、枯水期(10月至次年3月)和汛期(4月至9月)月平均的變化趨勢(shì)結(jié)果(表1)。

利用珠江流域1997—2013年實(shí)測(cè)的逐日流量和水位數(shù)據(jù)資料，通過水位流量關(guān)系的散點(diǎn)圖進(jìn)一步分析流域各站點(diǎn)的水位流量關(guān)系的變化情況。 根據(jù)MK突變檢驗(yàn)法檢驗(yàn)出各站點(diǎn)的水位和流量變化的突變點(diǎn)作為時(shí)段劃分依據(jù)畫出散點(diǎn)圖，從幾個(gè)對(duì)應(yīng)時(shí)段散點(diǎn)的上移和下降的幅度大小判斷各站點(diǎn)水位流量關(guān)系變化的情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 流量的趨勢(shì)變化特征

從表1可以看出，汛期絕大部分站點(diǎn)的流量呈減少趨勢(shì)，僅金雞和河源2站汛期流量呈增加趨勢(shì)，其中江邊街、涌尾和遷江等5個(gè)站的汛期流量減少趨勢(shì)達(dá)到了統(tǒng)計(jì)意義上(顯著性水平=0.05)的顯著性水平?？菟诹髁坑谐^一半的站點(diǎn)呈增加趨勢(shì)，其中大湟江口、河源和博羅增加趨勢(shì)顯著，江邊街和柳州站呈顯著的減少趨勢(shì)。從年尺度來看，除了江邊街、涌尾和柳州站的流量表現(xiàn)為顯著的減少趨勢(shì)，其他站點(diǎn)表現(xiàn)出的變化趨勢(shì)均不顯著。

2.2 水位的趨勢(shì)變化特征

珠江流域水位與流量的趨勢(shì)變化特征各不相同，但水位在各時(shí)間尺度上表現(xiàn)出相似的變化特征。整個(gè)流域共有13個(gè)站(占總站數(shù)的81%)的變化趨勢(shì)通過了5%顯著性水平檢驗(yàn)，西江水系的大部分站點(diǎn)呈顯著的升高趨勢(shì)，北江和東江大部分的站點(diǎn)呈顯著的降低趨勢(shì)(表1)。其中，遷江、貴港和梧州在汛期呈顯著的降低趨勢(shì)，在枯水期和年尺度上西江只有貴港站呈顯著的降低趨勢(shì)，北江和東江只有河源站在各時(shí)間尺度上表現(xiàn)為顯著的升高趨勢(shì)。從整個(gè)流域的空間分布來看，流域各站點(diǎn)水位的時(shí)空變化差異很大。通常情況下，在自然河道中，若河道斷面僅隨沉積和侵蝕變化，那么水位變化是相對(duì)緩慢的，珠江流域的水位在時(shí)空間上呈現(xiàn)的顯著變化趨勢(shì)與流域各水系不同強(qiáng)度、不同方式的人類活動(dòng)有關(guān)。

表1 珠江流域近年來流量和水位汛期、枯水期和年變化趨勢(shì)的MK檢驗(yàn)結(jié)果

2.3 水位和流量關(guān)系的變化特征

為了全面反映流域流量和水位在時(shí)間上的變化特征，利用1997—2013年實(shí)測(cè)資料進(jìn)一步分析珠江流域水位流量關(guān)系變化，大部分站點(diǎn)歷年水位流量關(guān)系變化幅度不大，本文選擇其中變化比較顯著的結(jié)果進(jìn)行論述，圖2為典型站點(diǎn)水位流量關(guān)系散點(diǎn)圖，圖中根據(jù)每個(gè)站點(diǎn)水位和流量對(duì)應(yīng)的MK突變檢驗(yàn)法檢驗(yàn)出的時(shí)間突變點(diǎn)作為時(shí)段劃分的依據(jù)。

柳州、平樂和河源站在1997—2013年的水位流量關(guān)系呈現(xiàn)相似的變化特征：在2005—2008年間，低流量下的水位均發(fā)生了大幅度的上升。其中，柳州站在汛期流量12 000 m3/s時(shí)水位上升幅度較小，但在流量為10 000 m3/s以下時(shí)上升幅度很大，上升數(shù)值約為2～10 m，其水位流量關(guān)系在2005—2006年發(fā)生跳躍，從1997—2005年單一穩(wěn)定的水位流量關(guān)系到2006—2013年變?yōu)椴环€(wěn)定的水位流量關(guān)系；平樂站的水位流量關(guān)系從2008年開始逐年上移，從1997—2007年單一穩(wěn)定的水位流量關(guān)系到2008—2013年變?yōu)椴环€(wěn)定的水位流量關(guān)系，且在同一流量下2008—2013年時(shí)段的水位與1997—2007年的相比，水位上升幅度與柳州站的一致；河源站的水位流量關(guān)系上升的時(shí)間連續(xù)較強(qiáng)，流量在1 600 m3/s以下時(shí)上升幅度非常顯著，水位上升值約為1～3 m。

貴港、石角和博羅站近年來的水位流量關(guān)系均呈一寬帶狀分布，并且在近年來其水位流量關(guān)系均表現(xiàn)出不同程度的下移趨勢(shì)。貴港站從2004年開始，在同一流量下其水位呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，且在中高流量段水位下降的幅度最大，最大水位差約為4 m。石角站在任一流量下的水位基本保持相同的下移差值；博羅站在流量為1 000 m3/s以下時(shí)下降幅度大，每年的水位基本保持0.25m的下降幅度，流量在1 000 m3/s以上時(shí)的下降幅度比流量在1 000 m3/s以下的更大，1997—2013年的水位差最高值達(dá)到5 m。

a)柳州

d)石角

2.4 成因分析

水資源的形成遵循自然的水循環(huán)規(guī)律，越來越多的研究表明[10-18]，氣候變化與人類活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致自然水循環(huán)發(fā)生顯著變化，河川徑流量和水位對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)敏感，一般來說，河川徑流和水位，除了氣候因素外，它同時(shí)受人類活動(dòng)引起的流域下墊面變化的影響。對(duì)珠江流域近17年流量與水位的長(zhǎng)期變化規(guī)律的分析可以看出，珠江流域的流量在汛期、枯水期和全年的時(shí)間尺度上存在著一定的差異性，大部分站點(diǎn)呈現(xiàn)減少趨勢(shì)；而水位在空間分布上存在較大的差異，大部分站點(diǎn)呈現(xiàn)升高趨勢(shì)；整個(gè)流域的水位流量關(guān)系也在近年來發(fā)生了復(fù)雜的變化。氣候變化從多方面影響流域徑流量和水位， 降水變化是影響流域徑流最為直接的因素之一[19-20]，人類活動(dòng)如采砂活動(dòng)、水庫建設(shè)等改變了流域下墊面，也會(huì)影響流域的產(chǎn)匯流機(jī)制。

2.4.1氣候變化

由圖3可見，在年尺度上(圖3a)，珠江流域94.8%站點(diǎn)的降水量表現(xiàn)出不顯著的減少趨勢(shì)，流量呈顯著減少趨勢(shì)的3個(gè)水文站所在區(qū)域的降雨量均表現(xiàn)為減小趨勢(shì)。在汛期(圖3b)，幾乎所有氣象站的降雨量均呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)，其中有4個(gè)氣象站的降雨量呈顯著的減小趨勢(shì)且均分布在西江流域，珠江流域汛期的流量變化大多數(shù)與降雨量的一致。在枯水期(圖3c)，超過一半的水文站點(diǎn)流量在近年來有增加趨勢(shì)，同時(shí)，有11個(gè)氣象站的降雨量也表現(xiàn)出了增加趨勢(shì)；其中江邊街的流量以及其周圍的氣象站的降雨量均保持一致的顯著減小趨勢(shì)。

a)年尺度

c)枯水期

近年來西江和北江流量變化在年尺度、汛期和枯水期大多數(shù)與降水量基本一致，珠江流域?qū)贊駸岫嘤甑臒釒Ш蛠啛釒夂颍跐駶?rùn)地區(qū)，徑流對(duì)降水的響應(yīng)比徑流對(duì)氣溫的響應(yīng)更為顯著[16]，張強(qiáng)等[21]研究結(jié)果表明在大于95%置信水平下降水和徑流之間存在顯著的相關(guān)性，降水對(duì)珠江流域地表水資源量具有決定性的作用。華南地區(qū)[22]以及珠江流域[17]冬季降水量呈上升趨勢(shì)的區(qū)域要多于夏季降水量呈上升趨勢(shì)的區(qū)域，這與本文流量的枯汛期變化研究結(jié)果也基本吻合，因此，1997—2013年，珠江流域西江和北江的流量在汛期和枯水期變化趨勢(shì)不同的原因應(yīng)該與氣候趨勢(shì)性變化有關(guān)，因?yàn)橥诘慕邓亢土髁康淖兓厔?shì)基本一致。而在東江流域，各時(shí)間尺度上的降雨在近年來都表現(xiàn)為減小趨勢(shì)，而流量卻基本表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，研究表明[9]相對(duì)于整個(gè)珠江流域，人類活動(dòng)對(duì)東江河流的來水量影響較大，且東江蓄水工程的建設(shè)對(duì)徑流量年內(nèi)年際分配有直接的影響。以博羅站為例，受已建的新豐江、楓樹壩、白盆珠等蓄水工程影響，其多年平均汛期徑流量由天然的76.5%變?yōu)閷?shí)測(cè)的71.7%，而枯水期徑流量由天然的23.5%增加到實(shí)測(cè)的28.3%，徑流的年際變化更加均勻[9]。

2.4.2水庫建設(shè)

到2010年，珠江流域現(xiàn)已經(jīng)建成的大型水庫約72座，總庫容493.09億m3，其中西江已有的大型水庫36座，總庫容290億m3；北江流域的大型水庫總庫容已超過50億m3，但其主要的水利工程尚不能對(duì)整個(gè)流域的水文過程起到控制性作用；東江流域擁有三大控制性水庫——楓樹壩、新豐江和白盆珠，總控制集水的面積達(dá)1.17萬km2，以46.6%的比例占了東江下游博羅水文站以上控制面積[23]。北江、東江及西江部分站點(diǎn)的水位近年來變現(xiàn)為顯著的降低趨勢(shì)，一部分的原因考慮與珠江流域近年來水利工程的建設(shè)有關(guān)。

90年代中期北江干流中游河道陸續(xù)修筑了孟洲壩、白石窯、飛來峽等水利樞紐，其中1999年建成的飛來峽水利樞紐是廣東省建國以來建設(shè)規(guī)模最大的綜合性水利樞紐工程[24]，建庫后的1999—2001年飛來峽壩下至河口鎮(zhèn)105 km下游河段的河道累計(jì)沖刷沙量510萬t，平均每年的沖刷沙量較建庫前增加了近4倍，且沖刷河段主要在三水河口鎮(zhèn)至石角區(qū)間的北江大堤河段[25]。整個(gè)北江流域的輸沙量在20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初一直保持著減少趨勢(shì)，且建庫后5年的石角站平均輸沙量比建庫前的降低了50% ，近年來石角站的水位流量關(guān)系表現(xiàn)出大幅度的下移趨勢(shì)(同一流量下的水位下降幅度為1～5 m)。

2.4.3水土流失

在1997—2013年期間，西江流域中上游大部分站點(diǎn)的水位呈增加趨勢(shì)，這與中國不合理的土地利用方式以及肆意砍伐森林有關(guān)。據(jù)1995年全國第二次遙感調(diào)查統(tǒng)計(jì)，珠江流域水土流失面積為6.270萬km2；另據(jù)《珠江流域2004年水土保持監(jiān)測(cè)公報(bào)》，2004年珠江流域水土流失面積6.273萬km2[26]；而據(jù)2011年全國第一次水利普查成果，珠江流域水土流失面積9.64萬km2，占流域土地總面積的21.8%，水土流失區(qū)域平均土壤侵蝕模數(shù)2 790 t/(km2·a)，上游的南、北盤江也是中國水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一[27]。也就是說，1995—2011年這10多年來珠江流域水土流失面積增加了53.7%，并且水土流失最為嚴(yán)重的江河位于西江流域。1955—2005年西江的柳州站和南寧站的輸沙量呈上升趨勢(shì)[26]，本文研究的南寧和柳州站年尺度下水位呈上升趨勢(shì)。因此水土流失可能是西江流域的部分站點(diǎn)水位升高的影響因素之一。

2.4.4河道采砂

在1997—2013年期間，北江、東江下游和西江三角區(qū)部分站點(diǎn)的水位呈顯著的降低趨勢(shì)，主要是由人類的無序采砂活動(dòng)所致[28]。城市化建設(shè)的快速發(fā)展，導(dǎo)致對(duì)沙子的需求量急劇增加，并且采砂活動(dòng)在珠三角地區(qū)不均勻分布，沙子質(zhì)量和運(yùn)輸條件決定了在不同區(qū)域的采砂量，從而導(dǎo)致珠江不同流域的河床下降的程度不同。在過去的20年中，北江三角洲的采砂量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于西江三角洲，東江下游河床的下降程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上游[28]。

20世紀(jì)70年代中期以前，北江下游北江大堤河段年淤積量約為48萬～64萬m3，之后人類開始在河道挖掘泥沙，到90年代初演變?yōu)榇笠?guī)模河道采砂，從1999—2007年已從北江干流下游河道取走河床泥沙1.49億m3，相當(dāng)于北江下游北江大堤河段近300年的自然淤積量。北江干流石角河道石咀至靈洲河段主槽河床(2007—2011年)大幅下切，平均下切幅度超過3 m[29]，在本文中北江下游石角站的水位流量關(guān)系在近年來也大幅度往下偏移。1980—2002年間東江下游以及東江三角洲的采沙總量達(dá)到了3.32億m3[30]，1988—2002 年是東江干流河床下切最快的時(shí)段，惠州至東江口河槽容積共增加17 230.50萬m3[31]。根據(jù)胡曉張等[32]2002—2015年東江中下游干流河床演變特征分析結(jié)論，20世紀(jì)90年代以后，河源至博羅區(qū)間河段兩岸開發(fā)程度不高，斷面變化相對(duì)較??；博羅以下石龍樊屋河段兩岸開發(fā)程度教高，河道下切幅度也較大，且由于河道不均勻下切在東江干流下游最為集中，東江干流中上游河道的水位流量關(guān)系變化不大，但下游河道水位流量關(guān)系大幅度往下偏移，這與本文中東江下游博羅站的水位流量關(guān)系在1997—2013年的變化情況基本一致。整體來說，采砂活動(dòng)嚴(yán)重的區(qū)域其水位在近年來也呈顯著的降低趨勢(shì)。

3 結(jié)論

a)整個(gè)流域共有13個(gè)站(占總站數(shù)的81%)發(fā)生了顯著的變化趨勢(shì)。從年尺度上看，珠江流域流量變化總體上比較穩(wěn)定，只有西江的江邊街、涌尾和柳州水文站表現(xiàn)出了顯著的減少趨勢(shì)。

b)汛期絕大部分站點(diǎn)的流量呈減少趨勢(shì)，在枯水期有超過一半的站點(diǎn)流量呈增加趨勢(shì)。流量在汛期和枯水期變化趨勢(shì)不同的原因是汛枯不同時(shí)期降水量的變化趨勢(shì)存在差異，氣候趨勢(shì)性變化是導(dǎo)致珠江流域的流量在汛期和枯水期變化趨勢(shì)不同的重要因素。

b)汛期

c)西江流域大部分站點(diǎn)的水位呈現(xiàn)顯著的升高趨勢(shì)，水土流失可能是重要影響因素之一；而北江、東江下游和西江三角區(qū)部分站點(diǎn)的水位呈顯著的降低趨勢(shì)，貴港、石角和博羅站的水位流量關(guān)系呈不同程度的逐年下降趨勢(shì)，這與水庫的建設(shè)以及人類大量的采砂活動(dòng)有關(guān)。