1954—2015 年東江流域水沙演變規(guī)律

摘要： 流域水沙過程在區(qū)域水土資源形成、河流海岸地貌重塑及生態(tài)環(huán)境演變中起著關(guān)鍵作用，在氣候變化和人類活動(dòng)雙重影響下其演變規(guī)律一直以來備受關(guān)注?；诙嘣獣r(shí)序聚類與侵蝕性降雨分析，以博羅水文站為例，探討東江流域水沙演變規(guī)律及潛在驅(qū)動(dòng)因素。結(jié)果表明：①大規(guī)模的植樹造林活動(dòng)使得1980—2015 年研究區(qū)域的森林覆蓋率增長(zhǎng)了超過30%；②博羅水文站的水沙關(guān)系在1987 年后發(fā)生明顯變異，主要原因可歸結(jié)為由水庫修建運(yùn)行及植樹造林所造成；③2005 —2006 年出現(xiàn)與1954 —1987 年相似的水沙關(guān)系，原因是極端天氣帶來降雨侵蝕力的異常增強(qiáng)，超過了產(chǎn)沙閾值。相關(guān)研究結(jié)果可為東江流域水沙關(guān)系及其對(duì)全球變化的響應(yīng)研究提供科學(xué)依據(jù)，支撐東江流域氣候變化應(yīng)對(duì)和水土資源開發(fā)。

關(guān)鍵詞： 水沙演變；多元時(shí)序聚類；侵蝕性降雨；東江

中圖分類號(hào)： P399 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1001-6791（ 2024） 05-0763-10

水沙過程是地表物質(zhì)循環(huán)的重要組成部分，對(duì)區(qū)域水土資源的形成和演變具有關(guān)鍵性作用[1]。在全球氣候變化和人類活動(dòng)日益加劇的背景下，深入研究水沙過程的演變規(guī)律和影響因素，對(duì)于保障水資源的可持續(xù)利用、維護(hù)生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定具有重要意義[2]。以往研究發(fā)現(xiàn)，近80 a 來全球眾多河流的輸沙率出現(xiàn)明顯下降，與之相比流量的變化趨勢(shì)并不明顯，大部分學(xué)者將上述現(xiàn)象歸結(jié)為水庫修建以及水土流失治理措施等一系列人類活動(dòng)形成對(duì)水沙的攔蓄作用[3-5]。Zhang 等[6] 采用兩階段線性回歸和t 檢驗(yàn)方法對(duì)珠江流域主要水文站的水沙過程進(jìn)行趨勢(shì)分析，認(rèn)為水庫修建主導(dǎo)了東江水沙過程的變化趨勢(shì)，其中對(duì)輸沙過程的影響尤其明顯。李華東等[7] 結(jié)合雙累積曲線法和改進(jìn)的變化歸因模擬法分析了東江流域的水沙過程，發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)對(duì)泥沙的影響要遠(yuǎn)高于對(duì)徑流的影響。另外，氣候變化對(duì)水沙關(guān)系的影響不容忽略。

以往的水沙演變研究一般采用Mann-Kendall、Pettitt 和滑動(dòng)t 檢驗(yàn)等方法確定水沙時(shí)間序列的變異點(diǎn)，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)子序列進(jìn)行提取和分析。然而，上述方法往往只能對(duì)徑流或輸沙時(shí)間序列進(jìn)行獨(dú)立檢驗(yàn)，因而忽略了兩者時(shí)序之間潛在的協(xié)同關(guān)系信息[6]。雙累積曲線法雖然在一定程度上解決了2 個(gè)變量分析的難題，但在高度非線性系統(tǒng)識(shí)別問題上卻容易引起較大誤差[8]。對(duì)于廣泛存在于不同領(lǐng)域中與時(shí)間密切相關(guān)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的分析方法主要基于某種統(tǒng)計(jì)分布假設(shè)，再選取理論模型來對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，時(shí)間序列的時(shí)間維度長(zhǎng)、屬性變量多和數(shù)據(jù)體量大等特征越發(fā)明顯。與傳統(tǒng)基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論模型相比，機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別和智能計(jì)算等模型和算法在處理多維乃至高維時(shí)間序列方面具有先天優(yōu)勢(shì)。聚類算法作為其中非常重要的方法之一，已被廣泛應(yīng)用到智能駕駛、生物信息學(xué)和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)等領(lǐng)域[9]。

本文以珠江流域重要支流東江的博羅水文站為研究對(duì)象，采用基于無監(jiān)督學(xué)習(xí)的聚類算法，從多元時(shí)序的角度分析水沙演變規(guī)律，結(jié)合下墊面條件和侵蝕性降雨的時(shí)空特征，探討水沙關(guān)系演變規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)因素。