摘要：
为了探究河流水沙的变化规律及影响因素,利用钦江陆屋流域1957—2016年的长时序年降水量、年径流量和年输沙率数据,采用5年滑动平均法、R/S检验法、Mann-Kendall突变检验法、累积距平法及复Morlet小波分析法分析以上序列的趋势性、突变性和周期性;运用双累积曲线法分析降水和径流输沙关系的变化;最后结合流域森林转型特征来进行分析。结果表明:(1)降水量弱上升、径流量减少、输沙率显著减少,在α=0.05和β=0.01的显著水平下,降水量和径流量无变异,输沙率弱变异。降水量在1962年、1971年、1989年和2013年发生突变,径流量在1963年、1971年、1989年和2007年发生突变,输沙率在1967年、1971年、1981年和2001年发生突变。降水量存在4类时间尺度,23 a、13 a分别为第一、二主周期;径流量序列存在3类时间尺度,14 a、9 a分别为第一、二主周期;输沙率序列存在4类时间尺度,22 a、5 a分别为第一、二主周期。(2)降水量-径流量累积关系分为两个阶段,即1957—1988年和1989—2016年,斜率分别为0.006 8、0.005 8;降水量-输沙量累积关系分为四个阶段:1957—1962年、1963—1988年、1989—1998年和1999—2016年,斜率分别为0.014、0.019 4、0.016 4、0.009,造成水沙关系变化的原因是人类活动的影响。(3)广西林业建设和森林转型的发展过程是径流量和输沙量不断发生变化的原因。
关键词：
降水量; 径流量; 输沙率; 趋势; 突变; 周期; 森林转型;
作者简介：
莫剑(1994—),男,硕士研究生,研究方向为河流生态水文研究、GIS应用。E-mail:[email protected];
引用：
莫剑，卢远，王丹媛，等 . 广西钦江流域水沙年际变化规律分析［J］. 水利水电技术，2020，51( 1) : 130-138.
MO Jian，LU Yuan，WANG Danyuan，et al. Analysis of interannual water-sediment variation law of Qinjiang River Basin in Guangxi［J］.Water Resources and Hydropower Engineering，2020，51( 1) : 130-138.
基金项目：
国家自然科学基金(41661043);
广西自然科学基金(2015GXNSFAA139234);
广西科技重点研发计划(AB16380318); 广西研究生教育创新
计划项目(YCSW2017185);
0 引用
陆地和海洋之间物质循环的一个重要环节是河流每年都向海洋输送大量的淡水和泥沙,影响着河口生态和地貌演变。由于气候变化,特别是人类活动的影响,使得流域产流产沙条件发生显著变化。河流水沙通量变化表征流域环境的同时也与河口生态系统息息相关,是各种水保措施和生态环境建设必须要考虑的问题。随着科学研究的发展,气候变化背景下人类活动对河流水沙的影响是目前水文学研究的重要议题[ ,探究河流水沙的变化规律及影响因素,有利于解决流域环境与河口生态问题。
许多学者根据流域降雨量、径流量和输沙量等长序列水文观测数据,针对它们的变化规律和影响因素开展了一系列研究。研究发现,中国许多的河流湖泊水沙都发生了变化:几十年来黄河的径流输沙量呈下降趋势;长江干、支流的输沙量也显著下降;荆江三口径流量和输沙量显著减少;洞庭湖径流泥沙量呈减少趋势;邬玉琴等从降雨侵蚀力的角度出发,分析了乌江流域侵蚀性降雨和人类活动与输沙量减小的关系。这些研究表明,径流量,尤其是输沙量减小的主要原因是人类活动、水土保持、水库建设和土地利用变化等措施使得河流水沙发生变化。河流水沙之间的关系也会受气候变化和人类活动的影响,如泾河流域和三川流域的降雨-径流关系在以人类活动为主导的影响下发生了变化。
钦江作为茅尾海入海河流之一,源源不断地向海洋输送淡水和泥沙,对河口生态和地貌造成影响。近年来,对钦江水沙变化的研究,人们一般采用数学模型和统计分析等方法。研究指出,钦江流域的降雨量呈弱上升趋势,由于受到人类活动的影响,径流量和输沙量下降趋势显著,降雨和径
流泥沙的关系可能发生了变化。但是对于这样的水沙变化分析主要是从水保措施、水库建设等来定性描述,鲜少有从广西的特点——森林转型的角
度来对水沙变化特征进行分析。因此,本文选定钦江为研究区,以陆屋流域1957—2016年的年降水量、年径流量和年输沙率为研究对象。采用5点
滑动平均法、Hurst系数法、M-K法、小波分析法、双累积曲线法和累积距平法等,分析60 a来钦江水沙变化的特征,以及森林转型在这些变化中的
作用,对流域环境和海岸带的管理有重要的指导意义。
1 研究区概况及数据
钦江流域位于广西的南部,东经108°34′—109°29′、北纬21°53′—22°36′,面积2457 km2,钦江从东北至西南,全长179 km。钦江上游地处灵山县境内,地势东北高而西南低,东北部多为高丘陵区(即低山),西南部地势低平;钦江中下游位于钦州市境内,中游北部属低山区,中游南部及下游为平原。该流域属亚热带季风气候区,气候温和,雨水充沛,光照足,降水时间以4—9月为主。陆屋水文站于1953年5月设立,位于灵山县陆屋镇三街,地理位置为东经108°57′,北纬22°17′,是钦江中上游的控制站,属国家基本水文站和省级重要水文站(见图1)。本站集水面积1400 km2,干流河长98 km,主要观测项目有:水位、流量、泥沙、降水量、蒸发量、水温、岸温、水质。收集钦江陆屋站1957—2016年实测年径流量和年输沙率数据作为钦江水沙趋势、突变和周期分析的基础数据。降水量数据来源于陆屋流域内28个雨量站,根据雨量站的位置和降水数据,采用泰森多边形对流域的降水特征进行剖分,然后再计算整个区域多年面平均降水量。
图1 钦江流域示意
2 主要研究方法
2.1 Hurst系数法
如果水文序列的分布形式或(和)分布参数在整个时间内发生了显著变化,则称水文序列发生了变异 。Hurst系数的计算常用重标极差分析法,即R/S检验法,分数布朗运动增量的相关函数C(t)与Hurst系数H之间存在一定的关系 ,即
本文运用该方法来判断和描述水文序列趋势变化的程度。样本资料长度n=60,自由度n-2=58,给定α=0.05和β=0.01的显著水平,变异程度分级如表1所列。
表1 Hurst系数变异程度分级
2.2 Mann-Kendall突变检验法
本文以Mann-Kendall突变检验法 (简称M-K法)检验水沙突变点,在给定α=0.05显著水平下,临界值U =±1.96。计算出UF 和UB 两个统计量序列,并将两条序列曲线和两条临界直线绘在直角坐标系上。若两条曲线有交点并处在临界直线之间,此交点就是突变点,交点所在的时刻就是突变开始的时刻。
2.3 累积距平法
距平为要素值与多年平均值的差,累积距平 则为距平值的累加。可用累积距平曲线来观察钦江流域水沙年际变化的阶段性特征。
2.4 小波分析法
小波分析法 主要用于时间序列的消噪音和滤波、突变点的监测和周期成分的识别等。将小波方差绘制成曲线图,小波方差的极大值点对应的时间尺度a即为主周期。本文采用复Morlet小波计算水沙序列的周期。
2.5 双累积曲线法
双累积曲线 就是一条同期内一个变量的连续累积值与另一个变量连续累积值的关系线,若其斜率发生变化,则说明两个变量累积值的关系发生变化,同时可知关系出现变化的时间。
3 结果与分析
3.1 水沙趋势、变异与突变性
钦江陆屋流域的降水量、径流量和输沙率的年际变化曲线如图2—图4所示。结合滑动曲线和趋势线来看,降水量呈弱上升趋势,最大降水量出现在1970年,为2 476.9 mm,最小降水量出现在2007年,为1 008.6 mm,年均增加3.096 2 mm。径流量呈下降趋势;波动性强,1965—1992年波动周期长、幅度大,1993—2016年波动周期短、幅度小,年均减少0.067 5 m3/s。输沙率显著下降,年均减少0.086 2 kg/s,阶段性强。运用R/S检验法计算H和C(t),结果如表2所列。对照表1可知,给定α=0.05和β=0.01的显著水平下,降水量、径流量无变异,输沙率弱变异。
表2 水沙变异检验结果
图2 陆屋流域降水量年际变化
图3 陆屋站径流量年际变化
图4 陆屋站输沙率年际变化
运用M-K突变检验和累积距平法,分析陆屋流域水沙序列的突变特征。M-K突变检验在给定α=0.05显著水平、临界值为±1.96的条件下进行,使用累积距平法前先对年径流量和年输沙率的单位进行换算,水沙序列突变特征如图5所示,检验结果如表3所列。
图5 陆屋流域水沙序列突变特征
表3 水沙突变年份检验结果
从表3可知:M-K法检测出的突变年份一般为水沙序列增大或减小的前一个年份,但可能存在虚假突变点。例如,降水量的两个突变年份过于滞后,对比图2较难观察出2012年和2015年降水量发生突变;径流量的突变年份过于靠前,如1957年,这些都可能是虚假突变点。累积距平法对序列变化的反应比较灵敏,检测出的突变年份一般是水沙序列值较大或较小的年份,而且能反映水沙序列的阶段性特征;突变检验结果显示,降水量、径流量和输沙量在1971年都发生了突变,表明这个时期降水能在较大程度上影响径流输沙的变化,但随后两个突变年份出现了不一致性,说明人类活动使得水沙关系发生了一些变化,尤其是对输沙量影响较大。两种检验结果仅有输沙在2001年重复。
对比以上两种方法的突变检验结果,就钦江陆屋流域而言,累积距平法能更好地反映出水沙的变化情况。结合年际变化曲线,最后将累积距平突变检验的结果作为水沙突变年份。
3.2 水沙周期性
对降水量、径流量和输沙率做复Morlet小波分析,结果如图6—图8所示。经过对小波系数实部等值图和小波方差图的判读,得到水沙的时间尺度和主周期如表4所列。
表4 水沙周期性检验结果
图6 降水量Morlet小波分析结果
图7 径流量Morlet小波分析结果
图8 输沙率Morlet小波分析结果
降水量有4类时间尺度:16～32 a时间尺度的周期变化稳定且具有全域性,存在3个完整的丰-枯交替震荡周期,2016年以后该时间尺度等值图未闭合,未来几年降水可能持续增加;10～15 a震荡周期在1985年之后增强,存在准3次震荡;6～9 a时间尺度在1965—1995年之间比较明显。根据小波方差图,可知序列存在4个明显的波峰,依次为6 a、8 a、13 a和23 a,分别为第四、三、二、一主周期。
径流量存在3类时间尺度:3～8 a,9～15 a和16～28 a。16～28 a时间尺度的周期变化表现为局部性,1965—1995年存在丰-枯交替的准2次震荡;9～15 a时间尺度的周期性在1965年以前和1992年之后较为稳定,存在准3次震荡。可能存在更长时间尺度的周期规律,需要做进一步研究。根据小波方差图,可知序列有4个峰值:4 a、6 a、9 a和14 a,分别对应第四、三、二、一主周期。
输沙率存在4类时间尺度:3～5 a,6～10 a,11～14 a和15～32 a。15～32 a时间尺度的周期变化在2000年以前很稳定,存在准3次震荡;11～14a时间尺度的周期性在1997年后得到加强;3～5 a和6～10 a时间尺度的周期性在1975年以前比较明显。根据小波方差图,可知序列存在3个明显的峰值,依次为5 a、8 a和22 a,分别对应第二、三、一主周期。
根据小波方差检验的结果,分别绘制控制降水和径流演变的第一主周期小波系数实部过程线如图9和图10所示。
图9 降水量23 a时间尺度小波实部过程线
图10 径流量14 a时间尺度小波实部过程线
图9显示,23 a时间尺度在1957—1959年、1967—1973年、1981—1988年、1996—2003年和2013—2016年为正相位,表示降水量在这些时段为偏丰期,在1960—1966年、1974—1980、1989—1995年和2004—2012年为负相位,降水量为偏枯期。预计:在23 a时间尺度下,2017—2021年为降水量偏丰期,并于2017—2019年到达丰水期高峰时段。
图10显示,14 a时间尺度在1958—1962年、1968—1972年、1977—1979年、1983—1987年、1993—1996年、2002—2005年和2011—2015年为正相位,表示径流量偏丰在1957年、1963—1967年、1973—1976年、1980—1982年、1988—1992年、1997—2001年、2006—2010年和2016年为负相位,径流量偏枯。预计:径流量在14 a时间尺度下,2017—2020年为偏枯期,2021—2025年为偏丰期。
4 讨 论
4.1 人类活动对水沙的影响
本节主要讨论人类活动对水沙关系和水沙变化的影响。从3.1节分析可知,降水量增大,径流量、输沙量减小,水沙变化趋势呈现非一致性,说明水沙关系可能受到人类活动的影响而发生变化。为了检验水沙关系以及这种关系发生变化的年份,绘制降水量—径流量、降水量—输沙量双累积曲线如图11和图12所示。
图11 降水-径流双累积曲线
图12 降水-输沙双累积曲线
从图11可知,降水量-径流量累积关系分为两个阶段,即1957—1988年和1989—2016年,斜率分别为0.006 8、0.005 8。从图12可知,降水量—输沙量累积关系分为四个阶段:1957—1962年、1963—1988年、1989—1998年和1999—2016年,斜率分别为0.014、0.0194、0.0164、0.009。
可以分为两个时期:发展时期(1958—1988年);90年代至21世纪稳步发展时期(1989至今)。其中:
(1)第一个时段,1957—1962年处于林业建设的奠基末期和探索发展初期,该时期人类活动的影响对径流、输沙的影响较小。
(2)第二个时段,1963—1988年完全处于探索发展时期。其中1967—1978年广西林业发展受到重创,林业厅建制被撤销,林区重采轻育,绝大部分水源林地区遭受破坏;到80年代初期,国营、集体林场争夺山权,人们乱砍滥伐现象严重,届时广西的林地遭到前所未有的破坏,泥沙流失量达到最大。该时段降水量-输沙量双累积曲线的斜率为0.019 4,说明上述人类不合理的行为使得流域下垫面的产沙能力最强。从图3和图4可知,该时期内径流量和输沙率的值总体上高于其他时段且持续时间较长,径流量主要受降水量控制,输沙率受人类活动的影响较大。同时,从表3累积距平法突变检验结果可知径流量和输沙率首次发生突变的年份就处在这个时段。
(3)第三个时段,1989—1998年进入了稳步发展时期。降水量—径流量和降水量—输沙量的累积关系同时在1989年开始发生了变化,径流量和输沙率较上一个时期有所减小,人类活动降低了流域下垫面产流、产沙水平。
(4)第四个时段,1999—2016年降水量—输沙量双累积曲线的斜率最小、流域下垫面产沙能力最弱。究其原因主要是广西从2000年开始实行“造、封、管、节”并举,以人工造林为重点,森林面积逐年上升,2015年达1 629.50万hm2,水源涵养、固沙防失作用明显。人工造林对径流量和输沙率的影响在下一节详细论述。
本文的研究时段,基本上处于第二、第三个时段。
4.2 水沙对森林转型的影响
从4.1节可知,广西从2000年开始人工造林为重点,而人工造林又以种植桉树为重点。我国以广西为桉树的主要种植区,广西桉树的种植经历了起步阶段(1949—1977年)、推广阶段(1978—2000年)和大发展阶段(2001至今),其中大发展阶段桉树的种植面积每年增加200万亩,广西正在经历着森林转型[ 27 ]。陆屋水文站控制流域内的桉树种植面积从1987—2015年增加了207.68 km2,主要由林地转化而来,还有部分果园和草地。近30年时间陆屋流域林地(含桉树)总面积从526.48 km2增加到了557.54 km2。
由于种植的桉树具有数量多、密度大、生长速度较快、生长周期较短的特点,在果园、草地等被桉树替代后,增大了植被拦截和生长耗水量,使得径流量减少。桉树的生长过程虽然对土壤肥力的消耗大,严重的甚至会导致水土流失,但只要科学管理,给土壤补充养分,合理施肥,桉树种植过程中的土壤问题是可以避免的。此外,种植桉树能够提供保育土壤等生态系统服务价值,减少水土流失,降低泥沙量。
在径流量和输沙率对森林转型响应的过程中,输沙率的反应比较灵敏。从3.1节和3.2节可知,2000年以后输沙率较之前显著减小,并且在2001年发生突变,15～32a时间尺度的周期性在2000年以后显著减弱。综上所述,相对于径流量,桉树种植在大发展阶段对输沙率具有更显著影响,不仅使得输沙率减小,还大幅度减弱了其原先的周期变化规律。
5 结 论
本文以钦江陆屋水文站控制流域的年降水量、年径流量和年输沙率为研究对象,运用多种分析方法,通过滑动检验、R/S检验、M-K突变检验、累积距平法和小波分析法分析水沙序列的趋势、突变和周期,并运用双累积曲线分析降水量-径流量和降水量-输沙量关系的变化,最后结合广西林业发展和陆屋流域森林转型特征来进行分析,结果表明:
(1)在研究时段内,降水量弱上升、径流量减少、输沙率显著减少。在α=0.05和β=0.01的显著水平下,降水量和径流量无变异,输沙率弱变异。降水量在1962年、1971年、1989年和2013年发生突变,径流量在1963年、1971年、1989年和2007年发生突变,输沙率在1967年、1971年、1981年和2001年发生突变。降水量存在4类时间尺度,23a、13a分别为第一、二主周期,2019—2021年可能为降水偏丰期。径流量序列存在3类时间尺度,14a、9a分别为第一、二主周期,可能存在更高时间尺度的周期规律。在14a时间尺度下,2019—2020年为径流量偏丰期;输沙率序列存在4类时间尺度,22a、5a分别为第一、二主周期,22a时间尺度的周期性从1994年开始减弱,2000年之后明显减弱。
(2)运用双累积曲线法分析降水和径流输沙的关系可知:降水量-径流量累积关系分为两个阶段,即1957—1988年和1989—2016年,斜率分别为0.0068、0.0058,人类活动使第二阶段的径流量减少;降水量—输沙量累积关系分为四个阶段:1957—1962年、1963—1988年、1989—1998年和1999—2016年,斜率分别为0.014、0.0194、0.0164、0.009,在人类活动的影响下,第二、第三阶段流域下垫面的产沙水平明显高于其他两个阶段,第四阶段流域下垫面的产沙水平最低。
(3)1987—2015年陆屋流域森林转型的特征表现为林地、果园和草地转化为桉树共207.68 km2,林地(含桉树)面积增加了31.06 km2,植被耗水量增大、保育土壤。径流量和输沙率的趋势性、突变性、周期性以及与降水量关系变化的特征,不仅受降水影响,还与广西林业建设和森林转型紧密相关,输沙率对森林转型的响应更灵敏。
水利水电技术
水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也报道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。
