近年來珠江流域水位-流量演變與成因分析

唐嘉琪，段 凱*，郝 璐

(1.中山大學土木工程學院，廣東 廣州 510275;2.南京信息工程大學應用氣象學院，江蘇 南京 210044)

隨著城市化和工業化進程的快速推進，全球變化成為當下和未來人類社會發展所關注的共同問題。全球變化不僅僅包含了氣候變化還包括人類活動對環境變化所造成的影響，導致了許多河流水文情勢變化顯著[1-4]，一定程度上破壞了水文時間序列的一致性[5-6]。ZHANG Q等[7]在分析1959—2005年珠江流域下游3個水文站的長流量系列以及馬口站和三水站之間的流量比時，發現三水/(馬口+三水)流量比增加是珠江三角洲河道形態變化(下切)的結果，氣候變化對水文演變過程也有巨大影響；Yongqin David Chen等[8]指出珠江流域的年最小流量趨于增加，與年最小流量相比，年最大流量的標準偏差較大，對珠江三角洲的洪水減緩條件不利，干旱或洪水等極端水事件的發生概率將更高；易靈等[9]研究發現近年來人類活動對珠江流域徑流量及時空分布整體影響較小，但對珠江流域洪水量級、以及西江、北江和珠江三角洲地區的水位流量關系影響較大。珠江流域是中國南方經濟最發達的地區之一，同時也是中國洪澇災害最為嚴重的地區之一。因此，從各方面研究分析珠江流域徑流的變化趨勢，有利于認識珠江流域水文情勢變化的演變規律和影響因素，有助于認識人類活動和氣候變化對復合流域造成的綜合影響，為珠江流域的洪水災害風險研究與水資源管理提供重要的參考。

1 數據及研究方法

1.1 數據

本文選取珠江流域位于干流和主要支流上的16個水文站近年來的流量和水位數據進行統計分析，序列長度為1997—2013年，且該序列資料通過累積平均曲線和差積曲線法分析均具有較好的代表性。水位和流量數據來源于廣東、廣西水文部門，少許水文站點缺失數據采用線性插值法進行插補，降水數據來源于國家氣象局氣象信息中心，水文站點和氣象站點的地理位置分布見圖1。

圖1 珠江流域水庫、氣象和水文站點分布

1.2 研究方法

本文主要采用非參數 Mann-Kendall[1]趨勢突變檢驗法、線性趨勢等分析方法來檢驗流量和水位的趨勢變化。Mann-Kendall是受到廣泛應用的一種非參數檢驗方法[1]，具有檢驗范圍寬、定量化程度高以及人為干擾性小等特點，更加適用于類型變量和順序變量的檢驗。本文將對選取的16個水文站在1997—2013年的月平均流量和月平均水位時間序列進行分析，利用MK趨勢檢驗得出在珠江流域17年來流量和水位在全年、枯水期(10月至次年3月)和汛期(4月至9月)月平均的變化趨勢結果(表1)。

利用珠江流域1997—2013年實測的逐日流量和水位數據資料，通過水位流量關系的散點圖進一步分析流域各站點的水位流量關系的變化情況。 根據MK突變檢驗法檢驗出各站點的水位和流量變化的突變點作為時段劃分依據畫出散點圖，從幾個對應時段散點的上移和下降的幅度大小判斷各站點水位流量關系變化的情況。

2 結果與討論

2.1 流量的趨勢變化特征

從表1可以看出，汛期絕大部分站點的流量呈減少趨勢，僅金雞和河源2站汛期流量呈增加趨勢，其中江邊街、涌尾和遷江等5個站的汛期流量減少趨勢達到了統計意義上(顯著性水平=0.05)的顯著性水平?？菟诹髁坑谐^一半的站點呈增加趨勢，其中大湟江口、河源和博羅增加趨勢顯著，江邊街和柳州站呈顯著的減少趨勢。從年尺度來看，除了江邊街、涌尾和柳州站的流量表現為顯著的減少趨勢，其他站點表現出的變化趨勢均不顯著。

2.2 水位的趨勢變化特征

珠江流域水位與流量的趨勢變化特征各不相同，但水位在各時間尺度上表現出相似的變化特征。整個流域共有13個站(占總站數的81%)的變化趨勢通過了5%顯著性水平檢驗，西江水系的大部分站點呈顯著的升高趨勢，北江和東江大部分的站點呈顯著的降低趨勢(表1)。其中，遷江、貴港和梧州在汛期呈顯著的降低趨勢，在枯水期和年尺度上西江只有貴港站呈顯著的降低趨勢，北江和東江只有河源站在各時間尺度上表現為顯著的升高趨勢。從整個流域的空間分布來看，流域各站點水位的時空變化差異很大。通常情況下，在自然河道中，若河道斷面僅隨沉積和侵蝕變化，那么水位變化是相對緩慢的，珠江流域的水位在時空間上呈現的顯著變化趨勢與流域各水系不同強度、不同方式的人類活動有關。

表1 珠江流域近年來流量和水位汛期、枯水期和年變化趨勢的MK檢驗結果

2.3 水位和流量關系的變化特征

為了全面反映流域流量和水位在時間上的變化特征，利用1997—2013年實測資料進一步分析珠江流域水位流量關系變化，大部分站點歷年水位流量關系變化幅度不大，本文選擇其中變化比較顯著的結果進行論述，圖2為典型站點水位流量關系散點圖，圖中根據每個站點水位和流量對應的MK突變檢驗法檢驗出的時間突變點作為時段劃分的依據。

柳州、平樂和河源站在1997—2013年的水位流量關系呈現相似的變化特征：在2005—2008年間，低流量下的水位均發生了大幅度的上升。其中，柳州站在汛期流量12 000 m3/s時水位上升幅度較小，但在流量為10 000 m3/s以下時上升幅度很大，上升數值約為2～10 m，其水位流量關系在2005—2006年發生跳躍，從1997—2005年單一穩定的水位流量關系到2006—2013年變為不穩定的水位流量關系；平樂站的水位流量關系從2008年開始逐年上移，從1997—2007年單一穩定的水位流量關系到2008—2013年變為不穩定的水位流量關系，且在同一流量下2008—2013年時段的水位與1997—2007年的相比，水位上升幅度與柳州站的一致；河源站的水位流量關系上升的時間連續較強，流量在1 600 m3/s以下時上升幅度非常顯著，水位上升值約為1～3 m。

貴港、石角和博羅站近年來的水位流量關系均呈一寬帶狀分布，并且在近年來其水位流量關系均表現出不同程度的下移趨勢。貴港站從2004年開始，在同一流量下其水位呈現明顯的下降趨勢，且在中高流量段水位下降的幅度最大，最大水位差約為4 m。石角站在任一流量下的水位基本保持相同的下移差值；博羅站在流量為1 000 m3/s以下時下降幅度大，每年的水位基本保持0.25m的下降幅度，流量在1 000 m3/s以上時的下降幅度比流量在1 000 m3/s以下的更大，1997—2013年的水位差最高值達到5 m。

a)柳州

d)石角

2.4 成因分析

水資源的形成遵循自然的水循環規律，越來越多的研究表明[10-18]，氣候變化與人類活動會導致自然水循環發生顯著變化，河川徑流量和水位對氣候變化和人類活動的響應敏感，一般來說，河川徑流和水位，除了氣候因素外，它同時受人類活動引起的流域下墊面變化的影響。對珠江流域近17年流量與水位的長期變化規律的分析可以看出，珠江流域的流量在汛期、枯水期和全年的時間尺度上存在著一定的差異性，大部分站點呈現減少趨勢；而水位在空間分布上存在較大的差異，大部分站點呈現升高趨勢；整個流域的水位流量關系也在近年來發生了復雜的變化。氣候變化從多方面影響流域徑流量和水位， 降水變化是影響流域徑流最為直接的因素之一[19-20]，人類活動如采砂活動、水庫建設等改變了流域下墊面，也會影響流域的產匯流機制。

2.4.1氣候變化

由圖3可見，在年尺度上(圖3a)，珠江流域94.8%站點的降水量表現出不顯著的減少趨勢，流量呈顯著減少趨勢的3個水文站所在區域的降雨量均表現為減小趨勢。在汛期(圖3b)，幾乎所有氣象站的降雨量均呈現出減小趨勢，其中有4個氣象站的降雨量呈顯著的減小趨勢且均分布在西江流域，珠江流域汛期的流量變化大多數與降雨量的一致。在枯水期(圖3c)，超過一半的水文站點流量在近年來有增加趨勢，同時，有11個氣象站的降雨量也表現出了增加趨勢；其中江邊街的流量以及其周圍的氣象站的降雨量均保持一致的顯著減小趨勢。

a)年尺度

c)枯水期

近年來西江和北江流量變化在年尺度、汛期和枯水期大多數與降水量基本一致，珠江流域屬濕熱多雨的熱帶和亞熱帶氣候，在濕潤地區，徑流對降水的響應比徑流對氣溫的響應更為顯著[16]，張強等[21]研究結果表明在大于95%置信水平下降水和徑流之間存在顯著的相關性，降水對珠江流域地表水資源量具有決定性的作用。華南地區[22]以及珠江流域[17]冬季降水量呈上升趨勢的區域要多于夏季降水量呈上升趨勢的區域，這與本文流量的枯汛期變化研究結果也基本吻合，因此，1997—2013年，珠江流域西江和北江的流量在汛期和枯水期變化趨勢不同的原因應該與氣候趨勢性變化有關，因為同期的降水量和流量的變化趨勢基本一致。而在東江流域，各時間尺度上的降雨在近年來都表現為減小趨勢，而流量卻基本表現出增加趨勢，研究表明[9]相對于整個珠江流域，人類活動對東江河流的來水量影響較大，且東江蓄水工程的建設對徑流量年內年際分配有直接的影響。以博羅站為例，受已建的新豐江、楓樹壩、白盆珠等蓄水工程影響，其多年平均汛期徑流量由天然的76.5%變為實測的71.7%，而枯水期徑流量由天然的23.5%增加到實測的28.3%，徑流的年際變化更加均勻[9]。

2.4.2水庫建設

到2010年，珠江流域現已經建成的大型水庫約72座，總庫容493.09億m3，其中西江已有的大型水庫36座，總庫容290億m3；北江流域的大型水庫總庫容已超過50億m3，但其主要的水利工程尚不能對整個流域的水文過程起到控制性作用；東江流域擁有三大控制性水庫——楓樹壩、新豐江和白盆珠，總控制集水的面積達1.17萬km2，以46.6%的比例占了東江下游博羅水文站以上控制面積[23]。北江、東江及西江部分站點的水位近年來變現為顯著的降低趨勢，一部分的原因考慮與珠江流域近年來水利工程的建設有關。

90年代中期北江干流中游河道陸續修筑了孟洲壩、白石窯、飛來峽等水利樞紐，其中1999年建成的飛來峽水利樞紐是廣東省建國以來建設規模最大的綜合性水利樞紐工程[24]，建庫后的1999—2001年飛來峽壩下至河口鎮105 km下游河段的河道累計沖刷沙量510萬t，平均每年的沖刷沙量較建庫前增加了近4倍，且沖刷河段主要在三水河口鎮至石角區間的北江大堤河段[25]。整個北江流域的輸沙量在20世紀90年代到21世紀初一直保持著減少趨勢，且建庫后5年的石角站平均輸沙量比建庫前的降低了50% ，近年來石角站的水位流量關系表現出大幅度的下移趨勢(同一流量下的水位下降幅度為1～5 m)。

2.4.3水土流失

在1997—2013年期間，西江流域中上游大部分站點的水位呈增加趨勢，這與中國不合理的土地利用方式以及肆意砍伐森林有關。據1995年全國第二次遙感調查統計，珠江流域水土流失面積為6.270萬km2；另據《珠江流域2004年水土保持監測公報》，2004年珠江流域水土流失面積6.273萬km2[26]；而據2011年全國第一次水利普查成果，珠江流域水土流失面積9.64萬km2，占流域土地總面積的21.8%，水土流失區域平均土壤侵蝕模數2 790 t/(km2·a)，上游的南、北盤江也是中國水土流失最嚴重的地區之一[27]。也就是說，1995—2011年這10多年來珠江流域水土流失面積增加了53.7%，并且水土流失最為嚴重的江河位于西江流域。1955—2005年西江的柳州站和南寧站的輸沙量呈上升趨勢[26]，本文研究的南寧和柳州站年尺度下水位呈上升趨勢。因此水土流失可能是西江流域的部分站點水位升高的影響因素之一。

2.4.4河道采砂

在1997—2013年期間，北江、東江下游和西江三角區部分站點的水位呈顯著的降低趨勢，主要是由人類的無序采砂活動所致[28]。城市化建設的快速發展，導致對沙子的需求量急劇增加，并且采砂活動在珠三角地區不均勻分布，沙子質量和運輸條件決定了在不同區域的采砂量，從而導致珠江不同流域的河床下降的程度不同。在過去的20年中，北江三角洲的采砂量遠遠大于西江三角洲，東江下游河床的下降程度遠遠大于上游[28]。

20世紀70年代中期以前，北江下游北江大堤河段年淤積量約為48萬～64萬m3，之后人類開始在河道挖掘泥沙，到90年代初演變為大規模河道采砂，從1999—2007年已從北江干流下游河道取走河床泥沙1.49億m3，相當于北江下游北江大堤河段近300年的自然淤積量。北江干流石角河道石咀至靈洲河段主槽河床(2007—2011年)大幅下切，平均下切幅度超過3 m[29]，在本文中北江下游石角站的水位流量關系在近年來也大幅度往下偏移。1980—2002年間東江下游以及東江三角洲的采沙總量達到了3.32億m3[30]，1988—2002 年是東江干流河床下切最快的時段，惠州至東江口河槽容積共增加17 230.50萬m3[31]。根據胡曉張等[32]2002—2015年東江中下游干流河床演變特征分析結論，20世紀90年代以后，河源至博羅區間河段兩岸開發程度不高，斷面變化相對較??；博羅以下石龍樊屋河段兩岸開發程度教高，河道下切幅度也較大，且由于河道不均勻下切在東江干流下游最為集中，東江干流中上游河道的水位流量關系變化不大，但下游河道水位流量關系大幅度往下偏移，這與本文中東江下游博羅站的水位流量關系在1997—2013年的變化情況基本一致。整體來說，采砂活動嚴重的區域其水位在近年來也呈顯著的降低趨勢。

3 結論

a)整個流域共有13個站(占總站數的81%)發生了顯著的變化趨勢。從年尺度上看，珠江流域流量變化總體上比較穩定，只有西江的江邊街、涌尾和柳州水文站表現出了顯著的減少趨勢。

b)汛期絕大部分站點的流量呈減少趨勢，在枯水期有超過一半的站點流量呈增加趨勢。流量在汛期和枯水期變化趨勢不同的原因是汛枯不同時期降水量的變化趨勢存在差異，氣候趨勢性變化是導致珠江流域的流量在汛期和枯水期變化趨勢不同的重要因素。

b)汛期

c)西江流域大部分站點的水位呈現顯著的升高趨勢，水土流失可能是重要影響因素之一；而北江、東江下游和西江三角區部分站點的水位呈顯著的降低趨勢，貴港、石角和博羅站的水位流量關系呈不同程度的逐年下降趨勢，這與水庫的建設以及人類大量的采砂活動有關。