變化環(huán)境下西江下游高要段水沙變化及原因分析

高敏華

(廣東省水文局肇慶水文分局，廣東 肇慶 526060)

1 流域概況

西江發(fā)源于云南省曲靖市沾益區(qū)馬雄山，在廣東省珠海市的磨刀門注入南海，全長為2 214 km[1]，集水面積約為353 120 km2。其中南盤江與紅水河為西江上游，黔江與潯江為西江中游，梧州以下為西江下游。梧州至高要兩岸多為丘陵、山地，穿西江豬乸、三榕、大鼎、羚羊四峽。其中：豬乸峽長為2 km，三榕峽長為5 km，大鼎峽長為1 km，羚羊峽長為7 km，最窄處寬約為330 m，河谷切割深約為100 m，羚羊峽上、下基本屬堤圍區(qū)。

梧州水文站是西江干流控制站，集水面積為327 006 km2，占西江集水面積的94.6%，占西江(廣西境內(nèi))年徑流總量的85%[2]。梧州水文站斷面以上一級支流有桂江、右江、邕江、郁江、柳江以及清水河，二級支流有左江、洛清江、龍江，三級支流有黑水河。

高要水文站為西江進(jìn)入廣東省后首個干流控制站，位于西江梧州水文站下游約167 km處，集水面積為351 535 km2，占西江集水面積的99.6%。高要水文站多年平均年徑流量為2 187×108m3，多年平均年輸沙量為5 848×104t，多年平均年降水量為1 584.0 mm。本站斷面上游約1.3 km有西江大橋；下游右岸2 km處的新興江匯入，3 km處有閱江大橋，11 km為羚羊峽，峽長約9 km，峽谷內(nèi)河槽收縮，約44 km經(jīng)思賢滘與北江聯(lián)通。

梧州水文站下游有三大支流匯入西江干流，分別為賀江、羅定江以及新興江，其中新興江從高要水文站下游右岸2 km處匯入。梧州水文站至高要水文站河段共有4個水文站和4個水位站，其中4個水文站點(diǎn)均位于西江支流，分別為位于賀江的南豐水文站，位于羅定江的羅定古欖水文站、官良水文站，位于淥水河的小羅水文站。西江水系分布見圖1。

2 數(shù)據(jù)來源

西江下游高要段有區(qū)間雨量站27個(西山、大水口、白梅、大沖、大堡、馬跡河、金林、高良、桂圩、加益、泗淪、榕木寨、小垌、沙口、寧沙、云霄、羅定、船步、山垌、山田、金雞、高村、莫村、悅城、佐崗、水尾、平水)、水位站4個(古欖、封開江口、德慶、六都大堤)以及6個水文站(梧州、南豐、小羅、羅定古欖、官良、高要)，分布如圖2所示。

本文使用的數(shù)據(jù)為1974—2018年(45年)西江下游梧州水文站、高要水文站年徑流量及年輸沙量、官良水文站年輸沙量資料以及35個區(qū)間站點(diǎn)的降水資料。以上數(shù)據(jù)來源于《中華人民共和國水文年鑒(珠江流域水文資料)》。

3 水沙變化特征

3.1 徑流量的變化特征

對西江下游高要段的徑流量變化情況進(jìn)行分析，將西江梧州水文站及西江高要水文站年徑流量時間序列進(jìn)行累計(jì)距平法[3-4]檢驗(yàn)，這樣能直觀地了解西江下游高要段的徑流量變化情況(見圖3)。

通過累積距平法檢驗(yàn)，梧州水文站年徑流量時間序列在1982年、1992年、2003年以及2013年均發(fā)生趨勢變化(見圖3)。高要水文站年徑流量時間序列趨勢變化情況與梧州水文站年徑流量時間序列趨勢變化情況基本一致，在1982年、1992年、2003年以及2013年均發(fā)生趨勢變化。

圖3 梧州水文站、高要水文站年徑流量累積距平曲線示意

3.2 輸沙量的變化特征

梧州水文站和高要水文站年輸沙量年際變化對比見圖4，由圖4可見，1974—2018年，梧州水文站和高要水文站的最大年輸沙量均出現(xiàn)在1983年，分別為14 000×104t和13 100×104t。1994年，兩站年輸沙量差值最大，梧州水文站年輸沙量僅為高要水文站的61.7%。

圖4 梧州水文站、高要水文站輸沙量年際變化示意

梧州水文站、高要水文站年輸沙量累積距平曲線見圖5，由圖5可見，梧州水文站年輸沙量在1974—1993年呈增加的趨勢，1993年累積距平值達(dá)到最高值后，輸沙量呈持續(xù)減少的趨勢，時間序列的突變時間出現(xiàn)在1993年。

圖5 梧州水文站、高要水文站年輸沙量累積距平曲線示意

由表1可見，梧州水文站1994—2018年年輸沙量最大值為7 200×104t，較變異前1974—1993年的14 000×104t減少了48.5%；1994—2018年年輸沙量最小值為420×104t，較變異前1974—1993年的2 010×104t 減少了79.1%；1994—2018年年輸沙量平均值為2 630×104t，較變異前1974—1993年的7 390×104t減少了64.4%。巖灘水電站在1992年投入運(yùn)行后，根據(jù)巖灘水電站入庫泥沙率及出庫泥沙率計(jì)算的1992—2002年巖灘水電站攔截泥沙量為每年4 240×104t，攔截率達(dá)到71%，大量泥沙被巖灘水電站攔截[5]。梧州水文站輸沙量在1993年后呈減少的趨勢與巖灘水電站蓄水截沙有一定的關(guān)系。

表1 梧州水文站年輸沙量各階段變化情況 104 t

高要水文站年輸沙量時間序列累積距平法及Mann-Kendall[6-7]突變檢驗(yàn)法檢驗(yàn)分別見圖5和圖6，由圖5、圖6可見，通過累積距平法檢驗(yàn)，高要水文站年輸沙量時間序列在1974—1988年呈上升的趨勢，1989年有所下降，1989年年輸沙量較1988年減少68%，1989年后輸沙量繼續(xù)呈上升的趨勢，至1998年累積距平值達(dá)到最高值后，輸沙量持續(xù)減少的趨勢。由Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)，1998年以后，高要水文站輸沙量呈顯著減少的趨勢。高要水文站年輸沙量的突變時間出現(xiàn)在1998年。

圖6 高要水文站年輸沙量的M-K趨勢檢驗(yàn)曲線示意

高要水文站1974—2018年年輸沙量各階段變化情況見表2，由表2可見，高要水文站1999—2018年年輸沙量最大值為5 760×104t，較變異前1974—1998年的13 100×104t減少了56%；1999—2018年年輸沙量最小值為805×104t，較變異前1974—1998年的2 460×104t減少了67.3%；1999—2018年年輸沙量平均值為2 470×104t較變異前1974—1998年的7 620×104t減少了67.7%。1999—2018年，高要水文站年輸沙量呈減少的趨勢。

表2 高要水文站年輸沙量各階段變化情況 104 t

4 降水對水沙關(guān)系的影響

徑流量與輸沙量、降水量密切相關(guān)，梧州水文站位于高要水文站上游167 km處，梧州以下為西江下游，西江梧州至高要段主要匯入河流有賀江、羅旁水、羅定江、淥水河、馬圩河及悅城河。以泰森多邊形賦予權(quán)重對梧州水文站以下至高要水文站流域內(nèi)(西江干流、賀江、羅旁水、羅定江、淥水河、馬圩河、悅城河)35個雨量站點(diǎn)的1974—2018年年降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到流域區(qū)間降水量。

西江高要段1974—2018年流域區(qū)間年徑流量由高要水文站年徑流量與梧州水文站年徑流量差值求得。對1974—2018年流域區(qū)間年徑流量進(jìn)行累積距平法檢驗(yàn)見圖7。由圖7可見，區(qū)間年徑流量在1974—1978年呈增加的趨勢，1979—1992年呈現(xiàn)減少的趨勢，1993—2002年呈現(xiàn)增加的趨勢，2003—2013年呈現(xiàn)減少的趨勢，2014—2018年呈現(xiàn)增加的趨勢。

圖7 流域區(qū)間年徑流量累積距平曲線示意

通過對高要水文站區(qū)間年徑流量與流域區(qū)間降水量1974—1978年、1979—1992年、1993—2002年、2003—2013年、2014—2018年進(jìn)行Pearson相關(guān)系數(shù)[8-9]計(jì)算，進(jìn)行降水變化對徑流量變化影響程度的分析見表3和圖8。

由表3和圖8可見，1974—1978年，區(qū)間年降水量均值為1 490.9 mm，區(qū)間年徑流量與區(qū)間年降水量的相關(guān)系數(shù)為0.251，未通過0.01(0.875)顯著性水平檢驗(yàn)。1979—1992年，區(qū)間年降水量均值為1 479.2 mm，較1974—1978年減少0.8%。區(qū)間年徑流量與降水量的相關(guān)系數(shù)為0.271，未通過0.01(0.623)顯著性水平檢驗(yàn)。1993—2002年，區(qū)間降水量均值為1 557.3 mm，較1979—1992年增加了6%。區(qū)間年徑流量與降水量的相關(guān)系數(shù)為0.528，未通過0.01(0.708)顯著性水平檢驗(yàn)。表明這一階段區(qū)間年徑流量的增加與區(qū)間降水量變化相關(guān)，但影響程度不顯著。2003—2013年，區(qū)間降水量均值為1 470.7 mm，較1993—2002年減少了6.2%。區(qū)間年徑流量與降水量的相關(guān)系數(shù)為0.796，通過0.01(0.684)顯著性水平檢驗(yàn)。表明這一階段區(qū)間年徑流量的減少與區(qū)間降水量的變化相關(guān)，且影響程度顯著。2014—2018年，區(qū)間降水量均值為1 592.9 mm，較2003—2013年增加8.3%。區(qū)間年徑流量與降水量的相關(guān)系數(shù)為0.816，未通過0.01(0.875)顯著性水平檢驗(yàn)。1974—2018年各階段區(qū)間年徑流量和區(qū)間年平均降水量相關(guān)性整體不顯著。

表3 流域區(qū)間年徑流量及降水量各階段均值

圖8 1974—2018年不同階段區(qū)間年徑流量和區(qū)間年降水量相關(guān)關(guān)系示意

西江下游高要段1974—2018年流域區(qū)間年輸沙量由梧州水文站年輸沙量與高要水文站年輸沙量差值求得。對流域區(qū)間年輸沙量序列進(jìn)行累積距平法檢驗(yàn)見圖9，由圖9可見，1974—1983年流域區(qū)間輸沙量呈減少的趨勢，1984—1999年流域區(qū)間輸沙量呈增加的趨勢，2000—2005年呈現(xiàn)波動變化的階段，2006年累積距平值到最大值后，流域區(qū)間輸沙量呈減少的趨勢。

圖9 流域區(qū)間年輸沙量累積距平曲線示意

通過對流域區(qū)間輸沙量與流域區(qū)間降水量1974—1983年、1984—2006年、2007—2018年3個階段進(jìn)行Pearson相關(guān)系數(shù)計(jì)算，對降水變化對輸沙量變化影響程度進(jìn)行分析。

由圖10可見，1974—1983年，流域區(qū)間輸沙量與降水量的相關(guān)系數(shù)為0.296，未通過0.01(0.708)顯著性水平檢驗(yàn)。表明這一階段年輸沙量的減少受降水量變化的影響較小。1984—2006年，流域區(qū)間輸沙量與降水量的相關(guān)系數(shù)為0.488，未通過0.01(0.505)顯著性水平檢驗(yàn)。表明這一階段年輸沙量的增加受降水量的變化影響較小。2007—2018年，流域區(qū)間輸沙量與降水量的相關(guān)系數(shù)為0.243，未通過0.01(0.661)顯著性水平檢驗(yàn)。表明這一階段流域區(qū)間輸沙量的減少受降水量的變化影響較小。

圖10 1974—2018年各階段流域區(qū)間輸沙量和區(qū)間年降水量相關(guān)關(guān)系示意

根據(jù)梧州水文站至高要水文站區(qū)間徑流量與區(qū)間輸沙量的變化趨勢，分階段對流域區(qū)間降水與兩者的相關(guān)性進(jìn)行計(jì)算分析。表明1974—2018年西江高要段區(qū)間徑流量的變化受流域區(qū)間降水的影響較小，人類活動是影響區(qū)間徑流量變化的主要因素。

5 人類活動對水沙關(guān)系的影響

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越趨頻繁的人類活動對河流水文情勢的變化造成的影響越發(fā)顯著。水利工程的蓄放水對河流的徑流變化產(chǎn)生直接的影響，同時水利工程對河道泥沙的攔截也直接使流域輸沙量減少；城市化、森林砍伐、礦產(chǎn)開采、植被覆蓋率的變化導(dǎo)致流域下墊面發(fā)生改變，也使流域徑流和輸沙量產(chǎn)生變化；上游來水及來沙的變化、河道采砂量的變化使河床形態(tài)發(fā)生改變，從而對河道水位產(chǎn)生影響。

影響西江下游高要段輸沙量變化的眾多人類活動中，以水利工程的建設(shè)運(yùn)行影響最為直接和顯著，隨著西江流域水資源的持續(xù)開發(fā)利用，流域梯級水利工程的陸續(xù)建成運(yùn)行，對西江下游水文情勢變化的影響越趨明顯[5]。

高要水文站位于西江下游，為西江進(jìn)入廣東境內(nèi)后首個干流控制站，其斷面上游167 km處為廣西梧州水文站，高要水位站至梧州水文站河段，干流上無水利工程。支流賀江有合面獅水庫，建成時間是1961年，總庫容為3×108m3。

梧州水文站斷面以上西江干流的主要水利工程有長洲水利樞紐、大藤峽水利樞紐、樂灘水電站(惡灘水電站)、百龍灘水電站、大化水電站、巖灘水電站、龍灘水利樞紐以及天生橋一級電站等(均為大(一)型水庫，具體情況見表4)。

表4 梧州水文站斷面以上水利工程一覽

梧州水文站斷面以上還有位于桂江的京南電站于1997年建成，庫容為2.7×108m3，裝機(jī)容量為69 MW；位于北流河下游的交口電站于1976年投產(chǎn)運(yùn)行，裝機(jī)容量為11 MW。位于右江上游的百色水利樞紐，2006年投產(chǎn)運(yùn)行，總庫容為56.6×108m3[10]。

高要水文站斷面上游約1.3 km有西江大橋；下游右岸2 km處新興江匯入，3 km處有閱江大橋，閱江大橋于2012—2017年進(jìn)行施工建設(shè)，11 km為羚羊峽，峽長約9 km，峽谷內(nèi)河槽收縮，約44 km處經(jīng)思賢滘與北江聯(lián)通。該河段受洪水漲落、北江洪水頂托和潮汐等諸多因素影響，枯水期大潮時有負(fù)流出現(xiàn)。

5.1 水利工程的影響

運(yùn)用雙累積曲線法繪制以累積年徑流量為橫坐標(biāo)，累積年輸沙量為縱坐標(biāo)的關(guān)系線，來檢驗(yàn)在排除降水量影響后，人類活動對年輸沙量的影響情況。若關(guān)系線為直線，表示在排除降水量的影響后，年輸沙量的變化只與年徑流量的變化相關(guān)；若關(guān)系線斜率產(chǎn)生變化，則表示斜率產(chǎn)生變化的年份，人類活動對年輸沙量的變化產(chǎn)生了影響。梧州水文站年徑流量和年輸沙量的雙累積曲線見圖11。

圖11 梧州水文站年徑流量和年輸沙量雙累積曲線示意

由圖11可見，梧州水文站年徑流量和年輸沙量的關(guān)系線，斜率分別在1982年、1992年以及2003年發(fā)生變化，表明人類活動是影響年輸沙量變化的主要貢獻(xiàn)因子。1981年梧州水文站斷面以上樂灘水電站投入運(yùn)行，1992年巖灘水電站投入運(yùn)行，2003年龍灘水利樞紐大江截流，2006年投入運(yùn)行，其位于天峨水文站上游170 km處，天峨水文站1954—2006年輸沙率為4 752×104t/a，占同期高要水文站輸沙率的71%，表明高要水文站的輸沙量變化主要受上游來沙量的影響[5]。隨著梧州水文站斷面以上水電站的增加，流域水庫累積庫容也隨之增加，流域輸沙量呈減少的趨勢。

高要水文站年徑流量和年輸沙量的雙累積曲線見圖12，由圖12可見，高要水文站年徑流量和年輸沙量的雙累積曲線關(guān)系線，斜率的變化時間與梧州水文站的變化情況一致。表明高要水文站年輸沙量的變化主要與上游水利工程蓄水對泥沙的攔截有關(guān)。

圖12 高要水文站年徑流量和年輸沙量雙累積曲線示意

5.2 水土保持的影響

水土流失問題也是影響輸沙量變化的主要因素之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，1988年珠江流域水土流失面積達(dá)5.71×104km2[5]。城市人口的增加，城市化進(jìn)程的加快，對土地的需求也越來越大，對山林荒地的開發(fā)程度也逐漸提高，這使流域內(nèi)土壤植被覆蓋率顯著減少，造成水土流失。同時西江流域降水充沛，降水對流域內(nèi)土壤的沖刷也是水土流失的其中一方面。1975—1988年，廣西境內(nèi)水土流失面積占土地總面積的4.5%～5.7%[10]。1974—1992年，梧州水文站和高要水文站年輸沙量均呈增加的趨勢，同期西江流域投入運(yùn)行的水利工程的總庫容為19.1×108m3，占高要水文站1974—1992年年平均徑流量2 104×108m3的0.9%，對輸沙量變化的影響較小，表明1974—1992年高要水文站輸沙量的增加主要與氣候變化以及水土流失有關(guān)。

1993—1998年，梧州水文站輸沙量呈現(xiàn)小幅減少的情況，表明這一時期氣候變化、上游水利工程對泥沙的攔截、流域內(nèi)水土流失對梧州水文站輸沙量的變化起共同的作用。但高要水文站輸沙量在1993—1998年呈增加的趨勢。圖9中已對1974—2018年流域區(qū)間輸沙量進(jìn)行累積距平檢驗(yàn)，可知，區(qū)間輸沙量在1993—1998年呈增加的趨勢，1999—2006年，區(qū)間輸沙量無明顯變化趨勢；2007—2018年區(qū)間輸沙量呈減少的趨勢。結(jié)合西江梧州至高要段流域特點(diǎn)，分析西江梧州至高要段的一級支流羅定江上官良水文站年輸沙量變化情況。

羅定江由于受其土壤的組成結(jié)構(gòu)及森林砍伐、礦產(chǎn)開采等影響，流域內(nèi)水土流失嚴(yán)重，有“小黃河”之稱[11-12]。對官良水文站1974—2018年輸沙量進(jìn)行累積距平檢驗(yàn)見圖13，由圖13可見，1998年后，官良水文站的平均年輸沙量持續(xù)減少。1993—1998年，羅定官良水文站的平均年輸沙量為96.9×104t，高要水文站輸沙量在1993—1998年呈現(xiàn)一定的增長趨勢，這與以羅定江流域?yàn)榇淼牡膮^(qū)間水土流失及氣候變化有關(guān)。

圖13 官良水文站年輸沙量的累積距平曲線示意

高要水文站輸沙量的突變時間出現(xiàn)在1998年，隨著1991年《中華人民共和國水土保持法》的實(shí)施，西江流域水土保持能力顯著提升，2002—2008年兩廣地區(qū)水土整治面積增幅為24.9%[5]。由表5可見，高要水文站1999—2018年平均年輸沙量為2 470×104t，較1974—1998年的7 642×104t減少了67.7%；官良水文站1999—2018年平均輸沙量為65.1×104t，較1974—1998年的147.5×104t減少了55.9%；1999—2018年平均區(qū)間年輸沙量為549.5×104t，較1974—1998年的726.2×104t減少了24.3%，區(qū)間水土流失問題得到改善。1992年后，西江上游水利工程陸續(xù)投入運(yùn)行水庫工程的總庫容為426×108m3，占高要水文站1993—2018年年平均徑流量2 239×108m3的19%。

表5 高要、官良水文站、流域區(qū)間輸沙量年際變化

6 結(jié)語

綜上所述，在排除降水因素的影響后，高要水文站年徑流量時間序列趨勢變化情況與梧州水文站年徑流量時間序列趨勢變化情況基本一致，在1982年、1992年、2003年以及2013年均發(fā)生趨勢變化。這表明高要水文站徑流變化主要受到梧州水文站上游水利工程投產(chǎn)運(yùn)行的影響。1974—2018年高要水文站年輸沙量的突變點(diǎn)出現(xiàn)在1998年，1998年以后，輸沙量呈下降的趨勢，這與上游水利工程蓄水截沙及水土保持等因素有一定關(guān)系。梧州水文站1974—2018年年輸沙量的突變點(diǎn)出現(xiàn)在1993年，1993年以后，輸沙量呈下降的趨勢。1993—1998年高要水文站年輸沙量仍呈現(xiàn)增長趨勢，這與以羅定江流域?yàn)榇淼膮^(qū)間水土流失有關(guān)。隨著梧州水文站上游水電站的陸續(xù)建成，1992年巖灘水電站投入運(yùn)行，2006年龍灘水利樞紐投入運(yùn)行，流域水利工程累積庫容也隨之增加，對泥沙的攔截量同時增加，流域輸沙量呈減少的趨勢。