湘江流域干流水沙變化特征分析

馮暢 曾佳圓 楊柳 周薇 劉子怡

摘要：運(yùn)用Mann-Kendall趨勢(shì)與突變檢驗(yàn)、Sen 斜率估計(jì)和Morlet小波分析等方法，基于湘江湘潭站1960-2015年的水沙實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析湘江干流年徑流量、水位和輸沙量變化的趨勢(shì)性和周期性規(guī)律以及突變特征，為湘江泥沙治理、防汛抗旱以及水資源開發(fā)與利用提供科學(xué)參考。結(jié)果表明：（1）湘江干流年徑流量和水位平均每10 a增加1.54%、0.04 %，增長(zhǎng)趨勢(shì)不顯著；年輸沙量平均每10 a減少16.49 %，呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢(shì)。湘江中上游長(zhǎng)期水土保持工程以及河道采砂活動(dòng)是輸沙量減少的主要原因。（2）在研究期內(nèi)，湘江干流年徑流量和水位沒有十分顯著的突變點(diǎn)，年輸沙量在1998 年存在一個(gè)顯著的突變點(diǎn)。對(duì)比1998年前后，水位與徑流量、水位與輸沙量的決定系數(shù)R2分別由0.66、0.31驟減至小于0.01，解釋關(guān)系變?yōu)闃O差；徑流量與輸沙量的解釋關(guān)系反而增強(qiáng)，決定系數(shù)從0.53增加至0.69。這些變化或與1998年湘江中下游特大洪水災(zāi)害事件及其后續(xù)高標(biāo)準(zhǔn)修筑防洪堤壩，加速推進(jìn)水庫(kù)閘壩和蓄滯洪區(qū)等水利工程建設(shè)相關(guān)。（3）湘江流域年徑流量、水位和輸沙量在長(zhǎng)時(shí)間尺度上存在相似且穩(wěn)定的27～28 a主周期，氣候變化及降水周期性是主要影響因素；而在短時(shí)間尺度上，水沙要素的次周期性不顯著且周期規(guī)律各異，流域內(nèi)逐漸增強(qiáng)的高強(qiáng)度人類活動(dòng)干擾是主要影響因素。

關(guān)鍵詞：水沙變化；突變性；周期性；湘江流域

中圖分類號(hào)：P333 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-3075（2023）01-0056-09

河流是區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“血脈”，受到自然條件變化和復(fù)雜人類活動(dòng)的影響，其水文和泥沙特征會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，這些變化往往又反饋影響著人類的生產(chǎn)生活。探明河流的水沙特征，從更深層次揭示河流的水沙變化規(guī)律對(duì)于江河開發(fā)治理和區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。河流的水沙變化特征是流域水文水循環(huán)和河流水文研究的重要內(nèi)容之一，對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了許多相關(guān)研究。20世紀(jì)70、80年代，國(guó)際水文學(xué)界（如國(guó)際水文科學(xué)協(xié)會(huì)等）便已著手研究河流的水沙特征，以及氣候變化和人類活動(dòng)與河流水沙之間的關(guān)系。進(jìn)入21世紀(jì)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究逐漸從定性轉(zhuǎn)向定量化。在定量研究初期，主要采用傳統(tǒng)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法（彭濤等，2018），隨著科技的發(fā)展，越來越多的技術(shù)方法被應(yīng)用于河流水沙變化研究。例如在國(guó)外，學(xué)者們運(yùn)用GIS空間分析技術(shù)、Mann-Kendall檢驗(yàn)、水文模型模擬等研究方法，分析了全球尺度（Gudmundsson et al， 2021）、區(qū)域尺度（如馬來西亞Langat流域、喜馬拉雅Kaneri流域）（Juahir et al，2010；Swami et al， 2016）徑流量或輸沙量的變化特征與趨勢(shì)，并揭示了氣候變化、土地利用及水土管理效應(yīng)對(duì)水沙變量的影響。國(guó)內(nèi)多以黃河、長(zhǎng)江及其支流為研究對(duì)象。我國(guó)學(xué)者利用Mann-Kendall檢驗(yàn)、Pettitt變點(diǎn)檢測(cè)方法、小波分析法、距平累積法、均值差異T檢驗(yàn)等方法，以長(zhǎng)江干流（彭濤等，2018）、黃河下游（Zhao et al， 2019）、湘江流域（胡光偉等，2014；隆院男等，2018；張曉艷和劉梅先，2018）、丹江流域（徐金鑫等，2019）為研究對(duì)象，分析了近幾十年河流的水沙變化特征。其中，針對(duì)湘江流域，主要探討分析了的徑流量和輸沙量的變化趨勢(shì)和突變特征，定量區(qū)分了氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)湘江水沙變化的影響貢獻(xiàn)率（胡光偉等，2014；隆院男等，2018；張曉艷和劉梅先，2018）。

但是以往湘江流域的水沙研究主要針對(duì)徑流量和輸沙量進(jìn)行分析，缺乏對(duì)于水位-徑流量、水位-輸沙量之間關(guān)系的深入探討；且主要從單一時(shí)間尺度進(jìn)行分析，缺乏對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間尺度（如大于25 a）和短時(shí)間尺度（如小于15 a）的區(qū)分研究。不同時(shí)間尺度的區(qū)分研究很有必要，因?yàn)樵诓煌瑫r(shí)域上河流水沙的趨勢(shì)性、突變性和周期性及其影響因素可能不相同。因此，該研究運(yùn)用Mann-Kendall趨勢(shì)與突變檢驗(yàn)、Sen 斜率估計(jì)，以及Morlet小波分析等方法，以不同時(shí)間尺度對(duì)年徑流量、水位和輸沙量進(jìn)行分析，進(jìn)而揭示湘江干流1960-2015年水沙過程的趨勢(shì)性、突變性和周期性，以及水沙過程在不同時(shí)間尺度上的變化特征。從不同時(shí)間尺度、水位-徑流-輸沙、趨勢(shì)性-突變性-周期性的復(fù)合視角，可以更加全面地分析湘江干流的水沙變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深入探討水沙發(fā)生變化的特征及原因，以期為湘江干流的泥沙治理、防汛抗旱、水資源開發(fā)利用和水生態(tài)環(huán)境管理提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 ? 區(qū)域概況

湘江是湖南省最大的河流（全長(zhǎng)856 km，流域面積94 660 km2），也是長(zhǎng)江中游洞庭湖水系的重要組成部分，自南向北流經(jīng)廣西省東北部，湖南省永州市、衡陽(yáng)市、株洲市、湘潭市、長(zhǎng)沙市，至岳陽(yáng)市匯入洞庭湖（胡光偉等，2014），見圖1。湘江流域三面環(huán)山，北面接壤洞庭湖平原，整體地形西南高東北低，起伏較大，地貌以低山丘陵為主，具有丘陵緩坡山溪河流特性；主要地層巖性為灰?guī)r和砂頁(yè)巖，主要土壤類型為紅壤和黃壤，抗蝕能力差，易受降雨、流水侵蝕致使水土流失問題加??；流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)氣候，雨量充沛，水系發(fā)達(dá)，多年平均降水量1 200～1 700 mm，多年平均徑流量約700×108 m3，年際變化較大，年內(nèi)分配不均，洪枯水位變化較大。湘江流域集中了湖南省大部分人口，經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)，人類活動(dòng)頻繁。湘江不僅是支撐湖南省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要河流，同時(shí)也對(duì)洞庭湖流域的水資源安全及水沙過程有著重要影響。

該研究以湘江干流作為研究對(duì)象，采用湘江湘潭站的水沙數(shù)據(jù)資料。湘潭水文站是湘江干流的水文控制站（集水面積81 638 km2，約占湘江流域總面積的86.2%），也是國(guó)家級(jí)重要水文站，其水沙實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本代表了湘江干流總體的水文和泥沙特征，具有典型性和代表性。

2 ? 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 ? 研究方法

該研究主要采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法、Sen 斜率估計(jì)法和Morlet小波分析等研究方法（王文圣等，2003；胡光偉等，2014；郭世興等，2015；阿如旱和車敏，2017；隆院男等，2018；張曉艷和劉梅先，2018）。Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法又分為M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)和M-K突變檢驗(yàn)，主要用于對(duì)長(zhǎng)時(shí)序數(shù)據(jù)的趨勢(shì)性和突變性進(jìn)行檢驗(yàn)分析。其中，M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)通常與用于計(jì)算趨勢(shì)值的Sen 斜率估計(jì)法結(jié)合應(yīng)用。首先計(jì)算Sen 趨勢(shì)的β值，若β大于0表示時(shí)間序列呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，反之時(shí)間序列逐漸降低。運(yùn)用M-K方法檢驗(yàn)趨勢(shì)顯著性，根據(jù)Z值查閱標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表（郭世興等，2015），得到置信度α與Zα/2，如果|Z|大于|Zα/2|，那么年徑流量、水位和輸沙量存在趨勢(shì)變化，反之則不存在。M-K突變檢驗(yàn)可以判別分析突變的起始點(diǎn)和時(shí)間區(qū)域（胡光偉等，2014）。假設(shè)有一個(gè)時(shí)間序列x（如本研究1960-2015年），給定顯著性水平α為0.05，那么此時(shí)臨界值Uα=0.05為±1.96。通過構(gòu)造秩序列等運(yùn)算，將統(tǒng)計(jì)量序列UFk及逆序列UBk以及Uα繪制成一幅M-K突變統(tǒng)計(jì)圖，如果UFk的值大于零，則表示該序列呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，反之亦反。當(dāng)|UFk|超出臨界值Uα?xí)r，表示上升或下降的變化趨勢(shì)非常顯著，超過臨界值的區(qū)域?yàn)槌霈F(xiàn)突變的時(shí)間范圍（阿如旱和車敏，2017）。如果UFk、UBk出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界值范圍以內(nèi)，那么該交點(diǎn)即突變點(diǎn)。

Morlet小波分析是指用一簇小波函數(shù)系來表示或逼近某一函數(shù)或信號(hào)，可以同時(shí)從時(shí)域和頻域2個(gè)維度揭示時(shí)間序列的局部特征（王文圣等，2003；桑燕芳等，2013）。其中小波函數(shù)表示具有震蕩性、能夠迅速衰減到0的一類函數(shù)（李紅燕等，2021）。通過小波變換等運(yùn)算可以得到小波系數(shù)，將小波系數(shù)的平方值在b域上積分就可以得到小波方差（桑燕芳等，2013）。據(jù)此，對(duì)湘江湘潭站1960-2015年均徑流量、水位和輸沙率數(shù)據(jù)進(jìn)行了以下數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化→邊界效應(yīng)的消除或減小→計(jì)算小波系數(shù)→計(jì)算復(fù)小波系數(shù)的實(shí)部和方差→基于Surfer14繪制小波系數(shù)實(shí)部等值線圖→繪制小波方差圖。

2.2 ? 數(shù)據(jù)來源

研究所采用的湘江湘潭水文站1960-2015年徑流量、水位和輸沙量等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料主要來源于湖南省水文水資源勘測(cè)局。其中，年徑流量（m3）和年輸沙量（kg）由原始數(shù)據(jù)流量（m3/s）和輸沙率（kg/s）統(tǒng)一轉(zhuǎn)換而得。因?yàn)橄鄬?duì)于過程參數(shù)流量（m3/s）和輸沙率（kg/s），年徑流量（m3）和年輸沙量（kg）更具統(tǒng)計(jì)分析意義。

3 ? 結(jié)果與分析

3.1 ? 湘江干流水沙特征

通過計(jì)算分析湘江湘潭站年徑流量、水位和輸沙量數(shù)據(jù)，得到了M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)的Z值和Sen斜率估計(jì)的β值數(shù)據(jù)，以及水沙序列的變化趨勢(shì)及其顯著性，見表1。1960-2015年湘江湘潭站年徑流量、水位和輸沙量的Z值分別為0.954、0.466、-4.304。當(dāng)置信度α為0.1，即90%顯著性水平時(shí)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表（候英，2014）可知Zα/2的值為1.645，此時(shí)年平均徑流量和水位的|Z|小于|Zα/2|，均未通過90%顯著性水平檢驗(yàn)，所以徑流量和水位序列的增加趨勢(shì)不顯著，可以認(rèn)為沒有明顯的趨勢(shì)性變化。當(dāng)置信度α為0.02，即99%顯著性水平時(shí)，Zα/2的值為2.575，這時(shí)年輸沙量的|Z|明顯大于|Zα/2|，超過了99%的顯著性水平，由此可見輸沙量序列的趨勢(shì)性變化顯著，呈現(xiàn)出明顯的減少趨勢(shì)。

結(jié)合分析湘江湘潭站年徑流量和水位變化過程（圖2、圖3），1960-2015年，年徑流量平均每10 a增加 10.07×108 m3，相當(dāng)于平均每10 a僅增加1.54%；水位平均每10 a增加0.013 m，相當(dāng)于平均每10 a僅增加0.04%。由此可見，年徑流量和水位僅微弱增加，如果考慮測(cè)量誤差和自然波動(dòng)等其他影響因素，徑流量和水位的微弱增幅在統(tǒng)計(jì)學(xué)上不具有很好的解釋意義。這也證實(shí)了在長(zhǎng)時(shí)間尺度上湘江干流徑流量、水位的整體變化趨勢(shì)并不顯著。

由圖4及其趨勢(shì)線可知，1960-2015年湘江湘潭站的輸沙量平均每10 a減少了14.12×108 kg，相當(dāng)于平均每10 a減少16.49%，輸沙量呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢(shì)。依據(jù)徑流-輸沙的相關(guān)關(guān)系，假設(shè)其他水沙影響因素相同，河流水量大則輸沙量可能更大，河流水量小則輸沙量可能較小，即“大水大沙，小水小沙”。因?yàn)楫?dāng)流域降水及河道徑流量較大時(shí)（如洪水時(shí)期），河流能夠裹挾更多泥沙，使河流含沙量和輸沙量增大，而流域降水及河道徑流較小時(shí)（如枯水時(shí)期），河流裹挾泥沙的能力下降，輸沙率和輸沙量則會(huì)降低。但比較表1、圖2和圖4可知，在研究期內(nèi)湘江湘潭站的徑流量變化不明顯，未通過90%顯著性水平檢驗(yàn)，而年輸沙量變化顯著且整體呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。因此，分析結(jié)果表明徑流量和輸沙量的變化趨勢(shì)與變化過程并不一致。

3.2 ? 湘江干流水沙特征的突變

分析M-K統(tǒng)計(jì)圖5可知，年徑流量的UFk曲線在1960-1962年、1973-2015年大于0，說明在這2個(gè)時(shí)期徑流量呈現(xiàn)了上升趨勢(shì)，但均未超出臨界值±1.96，沒有突破95%的置信水平，指示上升的趨勢(shì)不顯著。另外，年徑流量的UFk和UBk曲線在臨界值范圍內(nèi)存在多個(gè)交點(diǎn)年份，如1970、1974、1977、1979、2011和2014年，這些交點(diǎn)年份實(shí)際未發(fā)生突變，為波動(dòng)型交點(diǎn)。因此1970-1979年、2011-2014年屬于徑流量的波動(dòng)性振蕩。進(jìn)一步分析可知（圖5），交點(diǎn)年份1961、1986年是徑流量的可能突變點(diǎn)，但UFk和UBk兩條曲線相交后并未超過95%置信水平，這表明在1961、1986年發(fā)生的突變現(xiàn)象不具顯著性。結(jié)合分析相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，這是因?yàn)橄娼饔蛟?959-1961年連續(xù)3 a干旱及其滯后效應(yīng)使得徑流量在1961年突然下降，一直到1963年的相對(duì)低值。此外，湘江上游的大型水庫(kù)東江水庫(kù)（總庫(kù)容約91.5億m3）于1986年8月下閘蓄水，蓄水后的東江水庫(kù)對(duì)徑流產(chǎn)生了一定影響，例如對(duì)汛期洪峰的削減作用在一定程度上改變了下游的洪水特征，這使得湘江干流徑流量在1986年前后發(fā)生變化但并不顯著。

由圖6可知，在1960-1962、1968-2003、2014-2015年，年平均水位M-K統(tǒng)計(jì)量UFk大于0，但沒有突破95%的置信水平，說明在此期間湘江水位的上升趨勢(shì)并不顯著。此外，通過分析水位UFk和UBk曲線在臨界值范圍內(nèi)的5個(gè)交點(diǎn)，其中1960、1967和2014年屬于波動(dòng)型交點(diǎn)，而1962、1998年則屬于可能的突變點(diǎn)但不具顯著性，因?yàn)閁Fk和UBk曲線仍未達(dá)到0.05的顯著性水平。從理論上看，徑流量與水位密切相關(guān)，但圖5、圖6徑流量和水位的M-K分析結(jié)果表明，湘江徑流量與水位的波動(dòng)比較頻繁且不穩(wěn)定，其變化原因相對(duì)復(fù)雜，可能與不穩(wěn)定的氣候因素和高強(qiáng)度人類活動(dòng)相關(guān)。綜上，在短時(shí)間尺度上極端氣候事件和水利工程建設(shè)對(duì)湘江徑流和水位變化產(chǎn)生了一定波動(dòng)性影響，而在長(zhǎng)時(shí)間尺度上湘江徑流和水位的變化趨勢(shì)仍不顯著。其中，氣候變化、水利工程建設(shè)與城市不透水面增長(zhǎng)（要志鑫等，2020）的正負(fù)抵消效應(yīng)可能起到了一定作用，具體機(jī)理還需要進(jìn)一步揭示。

年輸沙量M-K統(tǒng)計(jì)如圖7。1960-1962、1973-1987年UFk大于0，且沒有超出臨界值，未突破95%的置信水平，說明在此期間湘江輸沙量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)但不明顯。而后在1988-2015年，輸沙量的UFk值小于0，并且在2004年超出UFk臨界值±1.96及95%置信水平區(qū)間，指示1988年后輸沙量呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢(shì)。進(jìn)一步分析輸沙量的突變特征，在整個(gè)研究期內(nèi)的UFk和UBk曲線在臨界值Uα=0.05內(nèi)只有一個(gè)交點(diǎn)相交于1998年，且之后曲線UFk、UBk均超過了95%置信水平，表明1998年是湘江干流輸沙量的顯著突變點(diǎn)。結(jié)合分析突變前后2個(gè)時(shí)期，由圖8-3可知，相同徑流量條件下，1960-1998年輸沙量的線性趨勢(shì)斜率明顯高于1999-2015年，年平均輸沙量由1960-1998年的101.21×108 kg下降至1999-2015年的49.80× 108 kg，降幅達(dá)50.8%。

進(jìn)一步探討水位-徑流量、水位-輸沙量、徑流量-輸沙量之間的相關(guān)關(guān)系。如果以1998年突變前后為界劃分兩段時(shí)期，結(jié)合分析圖8-1、8-2的散點(diǎn)分布，1960-1998年水位-徑流量、水位-輸沙量的決定系數(shù)R2分別為0.66、0.31，1999-2015年驟降為0.0005、0.0004。這表明1998年以前水位66%的變化可以由徑流量來解釋，水位31%的變化可以由輸沙量來解釋，水位與徑流、輸沙量具有一定程度的相關(guān)性，但1998年之后水位與徑流量、輸沙量的關(guān)系發(fā)生了根本轉(zhuǎn)變。另一方面，對(duì)比分析1998年突變前后徑流量與輸沙量的關(guān)聯(lián)性（圖8-3），其決定系數(shù)R2從1960-1998年的0.53增加至1999-2015年的0.69，即表示1998年以前53%的輸沙量變化可以被徑流量解釋，而1998年以后這一數(shù)值增加至69%，徑流量與輸沙量的正相關(guān)性反而增強(qiáng)。

3.3 ? 湘江干流水沙特征的周期性

運(yùn)用Morlet小波分析，通過小波系統(tǒng)實(shí)部等值線圖內(nèi)正負(fù)系數(shù)的判別和圖像分析，得到了近半個(gè)多世紀(jì)以來湘江湘潭站年徑流量、水位和輸沙量的周期性分析結(jié)果（圖9、圖11、圖13）。結(jié)合分析小波方差（圖10、圖12、圖14），圖像中最大峰值為河流水沙變化的主周期，其余的小波峰可能為水沙變化的次周期。湘江湘潭站1960-2015年徑流量在這56年間主要存在25～32 a、15～20 a的周期變化規(guī)律（圖9）。其中在前者時(shí)間尺度上，出現(xiàn)了準(zhǔn)3次振蕩，表現(xiàn)為“枯-豐交替”變化的特點(diǎn)；在后者時(shí)間尺度上出現(xiàn)了4次“枯-豐交替”振蕩，并且這2種周期時(shí)間尺度覆蓋了整個(gè)56 a的研究期，具備全域性并呈現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的周期變化規(guī)律。結(jié)合分析小波方差（圖10），湘江年徑流量存在6 、18 和28 a的周期性，其中以6 a和18 a為次周期，28 a為主周期。

由湘江湘潭站年平均水位的周期性分析（圖11）可知，在研究期內(nèi)年平均水位存在25～32 a的周期特征。在該時(shí)間尺度上，實(shí)測(cè)水位出現(xiàn)準(zhǔn)3次振蕩，表現(xiàn)為“枯-豐交替”變化且交替變化相對(duì)穩(wěn)定。結(jié)合實(shí)測(cè)水位小波方差（圖12）可知，湘江年平均水位“低值期-高值期”的周期變化比較單一，僅存在27 a的主周期。因此，在長(zhǎng)時(shí)間尺度上水位的主周期27 a與徑流量的主周期28 a相近，但在短時(shí)間尺度上水位的周期性并不明顯。這與徑流-水位密切相關(guān)的常規(guī)認(rèn)知不相符，可能是由于流域水位在短時(shí)間尺度上更容易受到高強(qiáng)度復(fù)雜人類活動(dòng)（如修筑防洪堤壩、水利工程建設(shè)與運(yùn)行調(diào)度等）的干擾。結(jié)合分析相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料（水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)，2015）可知，至2010年湘江流域共建成各類蓄、引、提水工程39.15萬（座）處，其中水庫(kù)工程6 251座，總庫(kù)容185.7億m3，興利庫(kù)容156.6億m3；引水工程1.43萬處，現(xiàn)狀供水能力8.47億m3；提水工程1.45萬處，現(xiàn)狀供水能力9.01億m3；塘壩堰35.64萬座，總?cè)萘?4.35億m3。

研究期內(nèi)，湘江湘潭站年輸沙量主要存在23～32 a的變化規(guī)律（圖13），且出現(xiàn)了“沙少-沙多”的3次相間振蕩，變化周期相對(duì)穩(wěn)定。而在15～21 a、8～13 a、3～5 a這3種時(shí)間尺度中，“沙少-沙多”的周期序列并未覆蓋整個(gè)研究期。其中在后兩種短時(shí)間周期尺度上，輸沙量的周期性波動(dòng)強(qiáng)烈，特別是在1985年后周期性明顯減弱。結(jié)合輸沙量的小波方差（圖14）可知，湘江年輸沙量存在4、11、18和28 a的周期性，其中28 a為主周期。

4 ? 討論

4.1 ? 湘江干流水沙趨勢(shì)變化的影響因素

研究期內(nèi)，徑流量和水位平均每10 a僅增加1.54%、0.04%。從長(zhǎng)序列時(shí)間尺度上看，徑流量和水位雖有變化但趨勢(shì)性并不顯著，該結(jié)論與湘江流域內(nèi)大氣降水的變化規(guī)律（即降水變化趨勢(shì)不顯著的分析結(jié)果）相一致（肖義等，2013；羅梅芳等，2020）。湘江流域地處亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū)，該區(qū)域大氣降水呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性：降水的年內(nèi)變幅較大，絕大部分地區(qū)降水集中在夏季5、6、7月，該時(shí)期是湘江的豐水期，徑流量較大；但從年際上看近幾十年湘江流域平均降水量總體變化趨勢(shì)不顯著?？梢姡娼饔蚓哂械湫偷募撅L(fēng)性氣候特征，大氣降水是徑流水源補(bǔ)給的主要來源。一般而言，在不考慮其他影響因素的情況下，降水補(bǔ)給型河流的徑流量與水位變化具有較好的相關(guān)性，并與該流域范圍內(nèi)的降水量密切相關(guān)。因此，在長(zhǎng)時(shí)間尺度上，當(dāng)湘江流域降水量無顯著增減變化時(shí)，徑流量和水位的總體趨勢(shì)變化也不明顯。

另一方面，輸沙量平均每10 a減少16.49%，輸沙量呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢(shì)，河流泥沙量明顯削減。由此可見，輸沙量、徑流量與水位在長(zhǎng)時(shí)間尺度上的變化趨勢(shì)并不一致。這主要是因?yàn)椋海?）湘江流域上游的水土保持工程帶來的減沙作用。20世紀(jì)90年代以來，湖南省政府部門加大了湘江流域水土流失綜合治理力度，至2010年湘江流域共治理水土流失面積約7 834 km2，完成坡改梯27.35萬hm2（水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)，2015），有效削減了流域內(nèi)水土流失、入河泥沙量以及河流泥沙的輸移量。（2）20世紀(jì)90年代及之后，“芙蓉杯”水利建設(shè)競(jìng)賽掀起了水利工程修復(fù)、水庫(kù)除險(xiǎn)保安、河道清障、灌區(qū)配套挖潛等水利建設(shè)高潮。例如1992年湘江流域最大的東江水庫(kù)（總庫(kù)容約91.5億m3）全面竣工，水庫(kù)在蓄水同時(shí)攔蓄了大量泥沙。（3）隨著湘江經(jīng)濟(jì)帶的發(fā)展，流域內(nèi)泥沙的使用量不斷增加，導(dǎo)致河道中的采砂活動(dòng)和采砂量也大幅增加，例如《湖南省湘資沅澧干流及洞庭湖河道采砂規(guī)劃（湘水發(fā)[2019]9號(hào)）》設(shè)定了年采砂控制總量為6 500萬t。這是泥沙資源化的表現(xiàn)，也在一定程度上削減了湘江干流的輸沙量。綜上，湘江流域內(nèi)長(zhǎng)期水土保持工程建設(shè)、水利設(shè)施興建、河道采砂等人類活動(dòng)及其攔沙減沙效應(yīng)是輸沙量不斷減少的主要原因。

4.2 ? 水位、徑流量和輸沙量關(guān)系的突變特征

湘江干流水位、徑流量在短時(shí)間尺度上波動(dòng)頻繁且不穩(wěn)定，但可能的突變點(diǎn)不顯著；輸沙量在研究期內(nèi)存在1個(gè)顯著的突變點(diǎn)即1998年。1998年突變前后，湘江水位-徑流、水位-輸沙之間的關(guān)系發(fā)生了根本轉(zhuǎn)變，決定系數(shù)R2分別從0.66、0.31驟降至0.0005、0.0004（圖8）。這種轉(zhuǎn)變可能與1998年發(fā)生的長(zhǎng)江中下游特大洪水密切相關(guān)。1998年以前湘江流域水庫(kù)、防洪工程建設(shè)速度慢且標(biāo)準(zhǔn)低，抵御洪澇災(zāi)害的能力偏弱，1980-1998年，平均2年經(jīng)歷1次洪災(zāi)。1998年及之后湘江干支流加速推進(jìn)興修水庫(kù)、閘壩和蓄滯洪區(qū)等水利工程建設(shè)與修復(fù)，尤其是湘江干流高標(biāo)準(zhǔn)修筑防洪堤壩（毛德華等，2003），對(duì)河道水位產(chǎn)生了根本性影響。因此，1998年之后受洪水災(zāi)害事件及其后續(xù)人類活動(dòng)反饋影響，水位-徑流量、水位-輸沙量之間的解釋關(guān)系明顯減弱?？梢姡唬ㄏ噍^于徑流量）是一個(gè)不太穩(wěn)定的變量，在未來湘江水沙特征分析中須謹(jǐn)慎考慮水位變量。

1998年突變前后，湘江徑流-輸沙的決定系數(shù)R2從0.53增加至0.69（圖8），徑流量與輸沙量的解釋關(guān)系增強(qiáng)。這可能是因?yàn)?，一方面興修水利工程使河道的攔沙減沙效應(yīng)增強(qiáng)，進(jìn)一步減少了湘江干流的輸沙量并使之發(fā)生突變。另一方面水利工程的運(yùn)行調(diào)度及其徑流調(diào)節(jié)作用也使徑流-輸沙的波動(dòng)性減弱，穩(wěn)定性增加，從而使突變后徑流-輸沙的解釋關(guān)系變得更好。可見，湘江流域內(nèi)人類活動(dòng)（如水利設(shè)施興建等工程措施）及其滯后效應(yīng)對(duì)輸沙量的突變特征產(chǎn)生了重要影響，但河道徑流依然是河道輸沙的主要驅(qū)動(dòng)力。綜上，1998年湘江中下游特大洪水災(zāi)害事件及其后續(xù)高強(qiáng)度人類活動(dòng)響應(yīng)（如高標(biāo)準(zhǔn)修筑防洪堤壩、興建水利設(shè)施及水利工程運(yùn)行調(diào)度）是水位、徑流量和輸沙量關(guān)系調(diào)整的重要原因。

4.3 ? 不同時(shí)間尺度上水沙特征的周期性規(guī)律

在大于25 a的長(zhǎng)時(shí)間尺度上，湘江干流徑流量、水位和輸沙量的變化周期十分相似，主周期均為27～28 a。主周期尺度上，水沙要素均呈現(xiàn)出準(zhǔn)3次“低值期-高值期”的交替振蕩，且偏高值周期中心尚未閉合，目前湘江水沙要素仍處于偏多時(shí)期。結(jié)合區(qū)域降水分析（肖義等，2013；羅梅芳等，2020）可知，徑流量和水位的27～28 a長(zhǎng)時(shí)間周期尺度主要受到氣候因素與降水周期性影響，且27～28 a主周期變化非常規(guī)律和穩(wěn)定。另外，輸沙量的主周期28 a與徑流量和水位的主周期27～28 a相近且比較穩(wěn)定，這表明輸沙量的周期性在長(zhǎng)時(shí)間尺度上與徑流量和水位的周期性高度相關(guān)，即降水-徑流周期性及其水土流失效應(yīng)是輸沙量主周期28 a的主要影響因素。因此，在長(zhǎng)時(shí)間尺度上氣候波動(dòng)與降水周期性是水沙主周期的主要影響因素。

在小于15 a的短時(shí)間尺度上，湘江干流徑流量、水位和輸沙量的周期規(guī)律具有明顯差異，次周期的顯著性較弱。人類活動(dòng)（如修筑防洪堤壩、水利工程建設(shè)及其調(diào)節(jié)作用等）對(duì)徑流和水位的短時(shí)間周期產(chǎn)生了重要影響和干擾，這使得徑流和水位的周期變化在短時(shí)間尺度上不顯著，例如徑流量呈現(xiàn)出不顯著的6 a次周期，水位未顯示出次周期。而對(duì)于輸沙量，次周期4 a、11 a在1985年后呈現(xiàn)出明顯減弱的趨勢(shì)，這可能與湘江流域20世紀(jì)80、90年代后加大投入水利設(shè)施和水土保持工程建設(shè)相關(guān)，例如1990年代后建成或擴(kuò)建的大型水庫(kù)東江水庫(kù)、株樹橋水庫(kù)、洮水水庫(kù)、涔天河水庫(kù)，以及湘江干流的大源渡航電樞紐、近尾州水電樞紐、株洲航電樞紐、湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐等。人類活動(dòng)干預(yù)的逐漸加強(qiáng)，對(duì)輸沙量變化周期的影響也逐漸加深，從而可能導(dǎo)致輸沙量在短時(shí)間尺度上的周期性削弱。因此，人類活動(dòng)也是輸沙量次周期波動(dòng)的主要影響因素。綜上，流域內(nèi)復(fù)雜人類活動(dòng)干擾（如水土保持工程建設(shè)、水利工程建設(shè)、城市不透水面擴(kuò)張與水利工程運(yùn)行調(diào)度等的累積效應(yīng)、滯后效應(yīng)及抵消效應(yīng)）是短時(shí)間尺度上水沙周期性減弱的重要影響因素。

參考文獻(xiàn)

阿如旱， 車敏， 2017. 近60年多倫縣氣候特征變化分析[J]. 內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)漢文版）， 46（3）： 426-430.

郭世興， 劉斌， 王光社， 等， 2015. 基于Mann-Kendall法的漢江上游水沙趨勢(shì)分析[J]. 水電能源科學(xué)， 33（11）： 140-142.

胡光偉， 毛德華， 李正最， 等， 2014. 1951-2011年湘江徑流泥沙演變過程與特征分析[J]. 水土保持通報(bào)， 34（1）： 166-172.

李紅燕， 王志平， 羊華， 等， 2021. 基于Morlet小波分析的彌苴河徑流量變化及其影響因素分析[J]. 人民珠江， 42（3）： 53-60.

隆院男， 唐蓉， 蔣昌波， 等， 2018. 近60年湘江流域水沙特性及其對(duì)人類活動(dòng)的響應(yīng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 34（24）： 132-143.

羅梅芳， 馮暢， 楊柳， 2020. 長(zhǎng)沙市降水變化規(guī)律研究[J]. 江西科學(xué)， 38（5）： 694-709.

毛德華， 夏軍， 龔重惠， 2003. 長(zhǎng)沙市防洪建設(shè)中若干重要問題探討[J]. 地理研究， （6）： 716-724.

彭濤， 田慧， 秦振雄， 等， 2018. 氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)長(zhǎng)江徑流泥沙的影響研究[J]. 泥沙研究， 43（6）： 54-60.

桑燕芳， 王中根， 劉昌明， 2013. 水文時(shí)間序列分析方法研究進(jìn)展[J]. 地理科學(xué)進(jìn)展， 32（1）： 20-30.

水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)， 2015. 湘江流域綜合規(guī)劃[R]. 長(zhǎng)沙： 湖南省水利廳.

王文圣， 丁晶， 衡彤， 等， 2003. 水文序列周期成分和突變特征識(shí)別的小波分析法[J]. 工程勘察， （1）： 32-35.

肖義， 唐少華， 陳華， 等， 2013. 湘江流域1960-2008年降水氣溫變化趨勢(shì)分析[J]. 人民長(zhǎng)江， 44（3）： 10-12， 32.

徐金鑫， 丁文峰， 林慶明， 2019. 丹江流域水沙變化特征分析[J]. 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境， 28（8）： 1956-1964.

要志鑫， 孟慶巖， 孫震輝， 等， 2020. 不透水面與地表徑流時(shí)空相關(guān)性研究——以杭州市主城區(qū)為例[J]. 遙感學(xué)報(bào)， 24（2）： 182-198.

張曉艷， 劉梅先， 2018. 氣候變化及人為活動(dòng)對(duì)湘江流域徑流和輸沙的影響[J]. 水土保持研究， 25（1）： 30-37.

Gudmundsson L， Boulange J， ?Hong X D， et al， 2021. Globally observed trends in mean and extreme river flow attributed to climate change[J]. Science， 371： 1159-1162.

Juahir H， Zain S M， Aris A Z， et al， 2010. Hydrological Trend Analysis Due to Land Use Changes at Langat River Basin[J]. Environment Asia， 3（special issue）： 20-31.

Swami V A， Kulkarni S S， 2016. Simulation of Runoff and Sediment Yield for a Kaneri Watershed Using SWAT Model[J]. Journal of Geoscience and Environment Protection， 4（1）： 1-15.

Zhao Y， Cao W H， Hu C H， et al， 2019. Analysis of changes in characteristics of flood and sediment yield in typical basins of the Yellow River under extreme rainfall events[J]. Catena， 177： 31-40.

（責(zé)任編輯 ? 鄭金秀）

Variation of Annual Runoff， Sediment Discharge and Water Level

in Xiangjiang River

FENG Chang， ZENG Jia‐yuan， YANG Liu， ZHOU Wei， LIU Zi‐yi

（College of Geography and Tourism， Hengyang Normal University， Hengyang ? 421002， P.R. China）

Abstract：In this study， the Xiangjiang River was selected for a case study and the trends， alterations， and periodicities of annual runoff， water level， and sediment discharge were analyzed. The analysis was based on measured water and sediment data collected from 1960 to 2015 at Xiangtan station， which covers 86.2% of the Xiangjiang River basin （81 638 km2）. The succession of water and sediment at different time scales， and the influencing factors， were also characterized and analyzed. Statistical methods included the Mann-Kendall test， Sen slope estimation and Morlet wavelet. Results show that： （1） The annual runoff and water level of Xiangjiang River increased respectively by 1.54 % and 0.04 % per decade from 1960 to 2015， not a significant increase， while the annual sediment discharge decreased by 16.49 % per decade， which was a significant decrease. Long-term soil and water conservation projects and sand mining in Xiangjiang River were the primary reasons for the decreased sediment discharge. （2） During the study period， there were no significant deviations in the annual runoff and water level of the Xiangjiang River， but the annual sediment discharge did vary significantly in 1998. The correlation coefficients （R2） between water level and runoff， and between water level and sediment discharge decreased， respectively， from 0.66 and 0.31 before 1998 to less than 0.01 after 1998. However， the correlation between runoff and sediment discharge increased， with the R2 value increasing from 0.53 to 0.69. This change may be related to the catastrophic flood of Xiangjiang River in 1998 and the construction and operation of water conservancy projects that included reservoirs， flood control dams， and flood storage areas after 1998. （3） The annual runoff， water level and sediment discharge in Xiangjiang River had similar and stable primary periods of 27-28 years on a long time scale， and the characteristics of each primary period were very similar and stable. Climate change and precipitation periodicity were the primary influencing factors. On the short-term， the sub-periodicity of water and sediment elements were different， but not significantly， and the increase of high-intensity human activities in the basin was the primary influencing factor. The results of this study provide a scientific basis for sediment management， flood control， drought relief， water resource utilization and sustainable development in the Xiangjiang River basin and other similar basins.

Key words：water and sediment variation； deviation； periodicity； Xiangjiang River basin