鄱陽湖五河入湖水沙豐枯遭遇關(guān)系分析

簡鴻福，韓會(huì)明

（1.江西省水利科學(xué)院，南昌 330029；2.江西省鄱陽湖流域生態(tài)水利技術(shù)創(chuàng)新中心，南昌 330029）

0 引 言

鄱陽湖五河（贛江、撫河、信江、饒河、修水）作為入湖水沙的最主要來源，對鄱陽湖的水沙調(diào)節(jié)起到?jīng)Q定性的作用。由于鄱陽湖流域自然、氣候變化和人類活動(dòng)加劇，流域入湖水沙關(guān)系受到了深刻的影響因此，諸多學(xué)者[3-5]圍繞鄱陽湖流域水沙演變規(guī)律及其影響、歸因開展研究并取得了豐碩成果?！狙芯窟M(jìn)展】彭俊等[6]利用1950—2012 年的水文資料研究了鄱陽湖流域水沙長期變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)入湖總徑流呈增加趨勢，總輸沙量呈減少趨勢；劉同宦等[7]以1956—2018 年的水沙實(shí)測資料為基礎(chǔ)，對五河入湖水沙及河道形態(tài)變化開展研究，表明贛江、信江入湖沙量大幅減少，2014 年前五河斷面形態(tài)多呈鋸齒狀；曾瑜等[8]根據(jù)鄱陽湖流域“五河”基本水文站1961—2016年實(shí)測的水沙及流域降水量資料，對比研究入湖水沙演變過程及其影響因素，指出年降水量和降水侵蝕力對入湖徑流量和輸沙量起到關(guān)鍵作用；Gu 等[9]研究了1961—2013 年鄱陽湖入湖徑流量和入湖輸沙量的時(shí)空變化，評估了氣候變化和人類活動(dòng)對水沙變化的影響，結(jié)果表明，與參考期相比，人類活動(dòng)導(dǎo)致入湖徑流量減少5.5%，輸沙量減少121.4%；徐夏楠等[10]基于1956—2010 年鄱陽湖流域水文資料定量分析了入湖輸沙量的歸因問題，研究表明，20 世紀(jì)90 年代以前水庫攔沙量和水土流失增沙量基本持平，前者對輸沙量的影響是后者的近5 倍。

【切入點(diǎn)】近年來，在氣候變化和人類活動(dòng)加劇下，鄱陽湖入湖泥沙量受到深刻的影響，這將導(dǎo)致河床沖淤變化和河道改變，影響到洪水位的升降和流向，進(jìn)而可能引發(fā)水沙災(zāi)害?！緮M解決的關(guān)鍵問題】然而，目前有關(guān)鄱陽湖入湖水沙關(guān)系兩變量聯(lián)合分析略顯不足，同時(shí)，近年來鄱陽湖流域水沙豐枯問題頻現(xiàn)，通過研究五河入湖水沙豐枯遭遇問題，可定量揭示入湖水沙災(zāi)害發(fā)生頻率，為五河入湖水沙科學(xué)調(diào)控提供幫助。因此，本文基于1956—2018 年鄱陽湖五河徑流和含沙量資料，構(gòu)建了水沙聯(lián)合分布模型，分析鄱陽湖五河入湖不同水沙條件下的豐枯遭遇頻率，探討氣候變化和人類活動(dòng)對水沙變化的影響，以期為鄱陽湖流域的水沙調(diào)控、防洪減災(zāi)和生態(tài)保護(hù)等提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

鄱陽湖位于115°47'—116°45'E，28°22'—29°45'N之間，北通長江，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。流域總面積為16.22 萬km2，流域內(nèi)地形地貌由山地、丘陵和沖積平原組成，西部和東部高海拔，中部低海拔。湖泊水沙主要來自贛江、撫河、信江、饒河和修水五大支流。五河流域占鄱陽湖流域面積的84%左右，貢獻(xiàn)了鄱陽湖85%以上的徑流和輸沙量[10]，水沙入湖集中期一致，主要在4—7 月。湖面在豐水期（4—9 月）可超3 000 km2，而枯水期（10 月—次年3 月）則少于1 000 km2。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所使用的逐日徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)均來源于江西省水文監(jiān)測中心，資料年限為1956—2018 年，分別為鄱陽湖“五河”控制性水文站點(diǎn)，分別為：贛江流域水文控制站—外洲站，撫河流域水文控制站—李家渡站，信江流域水文控制站—梅港站，饒河流域樂安河支流水文控制站—虎山站，修水流域潦河支流水文控制站—萬家埠站，森林覆蓋和水庫保持?jǐn)?shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[6]，水庫資料來源于2018 年江西水利統(tǒng)計(jì)年鑒。

2 研究方法

2.1 水沙關(guān)系的聯(lián)合分布

Copula 函數(shù)可以連接多個(gè)邊緣分布得到聯(lián)合分布，其充當(dāng)著隨機(jī)向量X1、X2、…、Xn各自邊緣分布函數(shù)Fx1(x1)、…、Fxn(xn)和聯(lián)合分布函數(shù)H(x1,x2, …,xn)之間的媒介，對于水沙關(guān)系的兩變量r和s而言，其聯(lián)合分布函數(shù)可以描述為：

式中：r、s分別代表年徑流量和輸沙量；C為Copula函數(shù)；Fr(r)和Fs(s)分別代表年徑流量和輸沙量的邊緣分布函數(shù)；H(r,s)為水沙關(guān)系的聯(lián)合分布函數(shù)。

本文選取水文研究中最常用的Archimedean 型Copula 函數(shù)中的3 種單參數(shù)分布[11]，分別為：Gumbel copula、Clayton copula 和Frank copula 函數(shù)擬合聯(lián)合分布函數(shù)。并利用平方歐氏距離（d2）和赤司信息量準(zhǔn)則法（AIC 方法）[12]對3 種copula 函數(shù)進(jìn)行擬合優(yōu)選。

第四，文化消費(fèi)需求為演藝業(yè)創(chuàng)造了機(jī)遇。隨著生產(chǎn)力水平的提高與社會(huì)的發(fā)展，人們對文化旅游的需求越來越強(qiáng)烈，厚重的湘西文化吸引著無數(shù)游客，張家界旅游演藝成為旅游者了解湘西地區(qū)文化的重要途徑之一，這種文化消費(fèi)需求為張家界演藝業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了機(jī)遇。

2.2 水沙豐枯遭遇頻率劃分

應(yīng)用Copula 函數(shù)分析不同情景下水沙豐枯遭遇的聯(lián)合概率。Pf=P(X≥x)=25%和Pk=P(X≥x)=75%分別作為水沙豐枯頻率的標(biāo)準(zhǔn)，其中，P(X≥x)表示X≥x事件發(fā)生的概率，表1 給出了水沙豐枯遭遇劃分的9種組合。

表1 水沙關(guān)系豐枯組合Table 1 Combination of abundance and depletion of water-sand relationship

2.3 水沙關(guān)系變異診斷方法

本文分別采用了滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)和雙累積曲線法進(jìn)行水沙關(guān)系變異診斷的相互比較驗(yàn)證?；瑒?dòng)相關(guān)系數(shù)法[13]利用徑流量r和輸沙量s的關(guān)系特點(diǎn)，輸沙量和徑流量之間存在冪函數(shù)關(guān)系，在同時(shí)取對數(shù)之后呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，用lnr和lns之間的相關(guān)關(guān)系變化來描述水沙關(guān)系的變化，文中進(jìn)行檢驗(yàn)的滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)步長為5；雙累積曲線法[14]則以年徑流量累積值為橫軸、輸沙量累積值為縱軸，根據(jù)水沙累積值擬合線斜率偏轉(zhuǎn)程度來判斷水沙關(guān)系突變情況，觀察直線斜率的變化過程，如果直線斜率沒有明顯偏離，說明人類活動(dòng)對水沙無顯著影響，反之，則說明人類活動(dòng)有顯著趨勢性影響。斜率發(fā)生明顯改變的點(diǎn)對應(yīng)水沙關(guān)系發(fā)生顯著變化的年份。此外，采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法對水沙變化的趨勢進(jìn)行檢驗(yàn)，方法參考文獻(xiàn)[12]。

3 結(jié)果與分析

3.1 水沙年際變化分析

鄱陽湖流域及五河1956—2018 年輸沙和徑流量變化過程如圖2 所示。鄱陽湖流域1956—2018 年五河入湖徑流總量多年平均值為1 088.3 億m3，輸沙總量多年平均值為1 194.4 萬t，徑流總量呈不顯著的增加趨勢，輸沙量呈顯著的減少趨勢（Zs＞Zα=0.05）；五河中只有撫河徑流量呈不顯著減少趨勢，其他四河均呈增多趨勢，修水徑流量增加趨勢顯著（Zr＞Zα=0.05），而輸沙量則是饒河呈顯著增加趨勢（Zs＞Zα=0.05），其他四河均呈降低趨勢，其中贛江、信江輸沙量減少趨勢顯著（Zs＞Zα=0.05）；五河年均徑流量和輸沙量大小排序一致，依次為贛、信、撫、饒、修，其中，對入湖徑流量和輸沙量影響最大的贛江年均徑流量和輸沙量分別為680億m3和764.4萬t，占入湖總量的62.5%和64%；“五河”入湖總徑流量和輸沙量變化過程在1990 年以前呈現(xiàn)相似的震蕩變化趨勢，1990 年以后，水沙變化過程存在明顯差異，徑流量仍呈現(xiàn)增加-減少-增加的波動(dòng)變化，而輸沙量明顯地減少，直至2010年以后略有回升；對比五河流域同時(shí)期輸沙量發(fā)現(xiàn)，除贛江從1990 年以后持續(xù)減少外，其他四河從1990年初—1990 年末—2000 年末—2018 年3 個(gè)時(shí)期內(nèi)，均呈增加-減少-增加的變化，與各自同時(shí)期的徑流變化保持相似起伏變化。

圖2 “五河”水沙年際變化過程Fig.2 Interannual variation of water and sand in the ‘Five Rivers’

3.2 水沙關(guān)系變異診斷及特征分析

圖3（a）以贛江水沙關(guān)系的變異診斷為例。從圖3（a）水沙相關(guān)系數(shù)變化可知，水沙相關(guān)系數(shù)在1992年到達(dá)低谷，出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折；同時(shí)采用雙累積曲線法對水沙關(guān)系進(jìn)一步診斷（圖3（b）），水沙雙累積曲線在1992年前后線性擬合斜率從1.644降至0.467，發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，同時(shí)線性關(guān)系有所減弱，說明贛江徑流量對輸沙量的影響變小，人類活動(dòng)的影響使得水沙關(guān)系累積曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折，這與已有的研究相一致[15-16]。1990 年在贛江干流上建成的萬安水庫，其庫容達(dá)22.16 億m3，對贛江泥沙起到重要的攔截作用，這也與滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)法和水沙關(guān)系雙累積曲線法診斷的贛江水沙關(guān)系在1990 年左右發(fā)生變異一致。此外，圖2 中，流域泥沙的顯著變化而徑流幾乎不變說明了人類活動(dòng)對水沙關(guān)系的影響顯著。

圖3 水沙關(guān)系變異診斷Fig.3 Diagnosis of variation in water-sand relationship

采用滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)和雙累積曲線法相互比較驗(yàn)證，對鄱陽湖“五河”進(jìn)行水沙關(guān)系變異診斷，并分析其變異前后的統(tǒng)計(jì)參數(shù)（表2）。由表2 可知，五河入湖總徑流量在變異后增加9.8%，輸沙總量發(fā)生顯著減少，輸沙量減少52.6%，變異系數(shù)Cv值也出現(xiàn)明顯增加，表明變異前后水沙序列波動(dòng)明顯。贛江、信江和修水的水沙變化與入湖總量變化相似，徑流量增減不明顯，其中信江徑流量增幅最高為15.9%，輸沙量較變異前均出現(xiàn)不同程度減少，依次減少67.3%、37.8%和28.0%；撫河水沙關(guān)系未發(fā)生明顯的變異，而饒河水沙關(guān)系則在1971 年和2003 年發(fā)生2 次變異，與其他流域不同，饒河輸沙量在2 次變異后均出現(xiàn)明顯增多，2 次增幅分別為41.3%和41.7%，相較于P1時(shí)期，P3時(shí)期輸沙量增幅更是高達(dá)100.3%，其徑流量則先增后減幅度不大。

表2 水沙關(guān)系變異前后特征Table 2 Characteristics before and after variation of water-sand relationship

3.3 水沙關(guān)系聯(lián)合分布函數(shù)確定

通過平方歐氏距離（d2）和赤司信息量準(zhǔn)則法（AIC 方法）分別確定鄱陽湖“五河”水沙關(guān)系變異前后的最優(yōu)聯(lián)合分布函數(shù)如表3 所示。由表3 可知，在研究期內(nèi)“五河”總量、贛江和撫河水沙關(guān)系最優(yōu)的聯(lián)合分布函數(shù)均為Frank Copula；而信江、饒河和修水的最優(yōu)聯(lián)合分布函數(shù)在突變前后發(fā)生了變化，信江在P1時(shí)期最優(yōu)聯(lián)合分布含水為Gumbel Copula，P2時(shí)期則為Frank Copula，饒河在P1時(shí)期和P2時(shí)期均為Frank Copula，P3時(shí)期則變?yōu)镃layton Copula，修河在P1時(shí)期最優(yōu)聯(lián)合分布為Gumbel Copula，P2時(shí)期為Clayton Copula。

表3 Copula 函數(shù)擬合優(yōu)選Table 3 Selection of the optimal Copula function

3.4 豐枯遭遇分析

表4 為應(yīng)用Copula 函數(shù)分析不同時(shí)期“五河”水沙關(guān)系的豐枯遭遇情況。由表4 可知，在水沙豐枯遭遇的9 種情況中，在不同時(shí)期“五河”水沙豐枯同平的概率最高，均在0.3～0.4 范圍內(nèi)，同時(shí)豐枯異步的概率要小于豐枯同步；水沙關(guān)系中水豐沙枯和水枯沙豐2 種相反組合發(fā)生的概率極小，均不足1%，這也說明“五河”水沙關(guān)系具有較強(qiáng)的相關(guān)性；贛江、信江和修水的水沙豐枯同步概率在P1時(shí)期均高于P2時(shí)期，相較于P1時(shí)期，豐枯同步概率分別減小了12%、5.3%和9.8%，饒河水沙豐枯同步概率從P1—P3時(shí)期都有略微的增加。

表4 不同時(shí)期水沙關(guān)系豐枯遭遇Table 4 Abundance and depletion encounters of water-sand relationship in different periods

4 討 論

4.1 氣候變化對水沙變化的影響

降水是影響流域土壤侵蝕產(chǎn)沙的主要驅(qū)動(dòng)因子，氣候變化影響著降水的頻率、強(qiáng)度等屬性[17]。鄱陽湖流域雨季主要集中在夏季，這也是流域土壤侵蝕和水土流失最嚴(yán)重的季節(jié)，同時(shí)近幾十年來由于流域的暖冬和降水增加，導(dǎo)致冬季土壤侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)也越來越高，從而進(jìn)一步導(dǎo)致集水區(qū)產(chǎn)沙量的變化；諸多的研究表明[18-20]，鄱陽湖流域降水量和降水侵蝕力呈升高趨勢；雷享勇等[21]發(fā)現(xiàn)氣候變化背景下鄱陽湖極端降水事件呈頻率高、強(qiáng)度大的新特征；Li 等[22]研究表明，鄱陽湖流域土壤侵蝕力與極端降水指數(shù)有著較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，氣候變化影響下極端降水加劇是土壤侵蝕力增加的重要因素；此外，2010 年的降水侵蝕力高于其他時(shí)期[23-24]，這也增加了2010 年以后“五河”入湖輸沙量（圖2（a））；“五河”流域中饒河流域降水侵蝕力最大且升高趨勢最強(qiáng)，贛江流域最小且趨勢最弱[25]，這也與圖2（e）中饒河流域在2010 年以后輸沙量明顯增多相一致，降水侵蝕力空間上高值傾向于流域的東北部，這也與地處流域東北部的饒河流域位置相吻合，其降水侵蝕力較高可能與東南登陸的臺(tái)風(fēng)型降水有關(guān)。雖然流域降水量和極端降水事件增多，加劇了土壤侵蝕，但針對性的治理措施會(huì)減少侵蝕和泥沙搬運(yùn)，從而弱化了降水特征變化帶來的影響。

4.2 人類活動(dòng)對水沙變化的影響

1）水土保持情況

圖4 為鄱陽湖流域森林覆蓋率和水土流失面積比例。鄱陽湖流域歷史上是森林資源豐富的地區(qū)，但新中國成立初，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口迅速增長，森林砍伐現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，森林覆蓋率明顯下降，在1960年降低至31.2%，之后的20 多年雖然略有增多，但一直維持在較低的水平，使鄱陽湖流域生態(tài)環(huán)境惡化，水土流失面積比例持續(xù)升高，在1988 年水土流失面積比例高達(dá)28.5%；由于1950 年到1980 年水土流失面積比例的不斷攀升，從1980 年開始，江西省開展了以“治湖必先治江，治江必先治山”的流域綜合治理理念的山江湖工程建設(shè)，大量植樹造林，森林覆蓋率迅速提高[10]，加上“國家水土流失重點(diǎn)治理工程”、“小流域綜合治理”等一系列水土保持工程的建設(shè)[15]，水土流失面積比例開始減少，并對影響流域產(chǎn)匯流狀況，進(jìn)而減少流域的輸沙量[26]。如聶小飛等[27]對贛江上游平江流域的水土流失綜合治理進(jìn)行評估時(shí)發(fā)現(xiàn)，流域長期水土保持顯著減少，以水土保持為主的長期生態(tài)保護(hù)工程導(dǎo)致平江全年、汛期、非汛期輸沙量分別減少59.3%、60.7%和55.7%。

圖4 鄱陽湖流域森林覆蓋率和水土流失面積比例Fig.4 Proportion of forest coverage and soil erosion area in Poyang Lake Basin

2）水庫建設(shè)情況

當(dāng)河流受到水庫蓄水的影響時(shí)，徑流和泥沙量往往會(huì)迅速變化。如圖5 和圖6 所示，鄱陽湖流域水利工程經(jīng)過近幾十年不斷的建設(shè)，流域水庫庫容不斷增加；根據(jù)2018 年江西水利統(tǒng)計(jì)年鑒，江西省已建水庫10 809 座，總庫容321.68 億m3，其中大型水庫30 座，總庫容189.9 億m3，中型水庫262 座，總庫容64.74億m3，10 517 座，總庫容67.04 億m3。水庫的建設(shè)不僅改變了徑流和泥沙的關(guān)系，同時(shí)減少產(chǎn)沙量（圖6）；從鄱陽湖流域水庫總庫容與入湖輸沙量的關(guān)系圖6 可知，輸沙量與總庫容具有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2=0.6），隨著庫容的增加，入湖輸沙量相應(yīng)減少。贛江流域作為鄱陽湖“五河”中最大的支流，也是大中型水庫最多的流域，據(jù)統(tǒng)計(jì)贛江流域已建大中型水庫132 座，累積庫容近95 億m3，圖3 中由于萬安水庫蓄水影響贛江水沙關(guān)系于1992 年發(fā)生突變，圖2 中贛江輸沙量從2010 年以后仍在持續(xù)減少，與其他“四河”輸沙增多的趨勢相反，這可能與這段時(shí)期水庫的持續(xù)建設(shè)有直接關(guān)系。2010—2018 年間，贛江新增水庫總庫容14.056 億m3，其中修建在贛江干流上的峽江水利樞紐總庫容為11.87 億m3，于2015 年投入運(yùn)行。水庫建設(shè)對水沙關(guān)系的影響最為直接，但是，水庫對泥沙量的影響不僅取決于其庫容，還取決于其在河流中的位置；如新中國成立初至20 世紀(jì)80 年代，雖然贛江流域興建了眾多水庫，但大多庫容較小或是少數(shù)大型水庫建在支流上，由于集水面積小，對輸沙量的影響十分有限。直至萬安水庫、峽江水利樞紐這類直接建設(shè)在干流上的水庫，流域的水沙關(guān)系開始出現(xiàn)明顯變化。

圖5 鄱陽湖流域水庫累積庫容變化Fig.5 Changes of accumulated reservoir capacity in Poyang Lake basin

圖6 鄱陽湖流域水庫累積庫容與入湖輸沙量的關(guān)系Fig.6 Relationship between accumulated reservoir capacity and incoming sand transport in Poyang Lake basin

3）河道采砂情況

鄱陽湖流域航道整治和采砂活動(dòng)對入湖輸沙量也會(huì)產(chǎn)生影響。長江于2000 年開始實(shí)施禁止采砂后，鄱陽湖流域逐漸出現(xiàn)大量采砂船只；鄔國鋒等[28]通過遙感技術(shù)對鄱陽湖流域2000—2005 年間的采砂船只進(jìn)行識(shí)別中發(fā)現(xiàn)，2000 年幾乎沒有大型船只開展采砂活動(dòng)，隨后的4 a 間采砂船數(shù)量不斷增多，2001 年大約140 艘，到2004 年則約為450 艘，2005 年略有減少，但仍有近350 艘；雖然2006 年、2008 年江西省連續(xù)出臺(tái)了河道采砂相關(guān)管理辦法，采砂船數(shù)有所減少，但由于高利潤驅(qū)使，之后的2010 年采砂船數(shù)明顯反彈，2014 年更是達(dá)到了850 多艘；2012 年規(guī)范采砂前，僅贛江每年偷采砂量就達(dá)3 000 萬～4 000萬t[7]；采砂活動(dòng)對河道演變、湖區(qū)地形等水文狀況有著重要影響，Yao 等[29]發(fā)現(xiàn)隨著采砂量的增加，鄱陽湖出湖水位呈非線性累積下降。

本文對鄱陽湖五河入湖水沙豐枯遭遇關(guān)系進(jìn)行分析，并就降水特征變化、水土保持建設(shè)、水庫建設(shè)和河道采砂等對入湖水沙關(guān)系的影響做了宏觀上的時(shí)空介紹，但文中發(fā)現(xiàn)五河水沙關(guān)系大致呈現(xiàn)出徑流多水沙多的同步變化和徑流多水沙少的異步變化特征，為何出現(xiàn)這種差異特征還有待未來進(jìn)一步細(xì)化研究。

5 結(jié) 論

1）鄱陽湖五河入湖徑流總量呈不顯著的增加趨勢，輸沙量呈顯著的減少趨勢，五河中徑流量只有撫河呈減少趨勢，輸沙量只有饒河呈增加趨勢；五河年均徑流量和輸沙量大小排序一致，依次為贛、信、撫、饒、修，其中，贛江年均徑流量和輸沙量占入湖總量的62.5%和64.0%；

2）1992 年水沙關(guān)系發(fā)生突變后，五河入湖總徑流量增加9.8%，輸沙量減少52.6%；其中，信江徑流量增幅最大為15.9%；贛江輸沙量降幅最多為67.3%；

3）在不同時(shí)期“五河”水沙豐枯異步的概率要小于豐枯同步，豐枯同平的概率最高。

4）極端降水特征、水土保持項(xiàng)目的實(shí)施、水庫建設(shè)和河道采砂對流域水沙變化影響深遠(yuǎn)。

（作者聲明本文無實(shí)際或潛在的利益沖突）