羅定江干流輸沙量年際變化趨勢及跳躍分析

李 輝

(廣東省水文局肇慶水文分局， 廣東 肇慶 526060)

1 流域概況

羅定江是西江右岸一級支流，發(fā)源于信宜市雞籠山，總集水面積為4 480 km2，干流全長為202 km，河流平均比降為0.829‰，總落差為167.5 m[2]。羅定江干流自源頭到西江入河口，沿途接納大小河流22條。流域的東、南、西三面群山環(huán)繞，山峰海拔均超過1 000 m，形成一個三面閉合傾斜的小盆地，所以匯水條件較好，但儲水性差。加上盆地并非閉合的巖體，斷層裂隙縱橫發(fā)育，閉合程度較差，中游為剝蝕地貌，以干旱貧瘠的砂質(zhì)紅土丘陵及臺地地貌為主，也有部分沖積階地和巖溶峰林，紅土丘陵臺地占比重較大，透水性較好，地下水位較低，故流域大部分坡面上野草灌木難以生長，水土流失非常嚴(yán)重，含沙量大[3]。

流域較大的洪水多發(fā)生在7—9月份，主要是由臺風(fēng)雨造成，在陽江市或茂名市登陸的臺風(fēng)，經(jīng)常使羅定江上游地區(qū)連續(xù)暴雨而形成山洪。暴雨產(chǎn)生的洪水強烈侵蝕流域面上的土壤，并攜帶大量泥沙，形成高含沙洪水，是羅定江泥沙的主要來源，是滿目黃土旱丘、華南地區(qū)少有的下墊面狀況[4]。

羅定江干流現(xiàn)有4個水文站，1個水位站。其中官良水文站設(shè)于羅定江中下游，建于1958年5月，位于郁南縣河口鎮(zhèn)官良村，是羅定江的控制站，屬國家重要水文站，主要測驗任務(wù)有水位、流量、泥沙、降雨量、蒸發(fā)量等，斷面以上集水面積為3 164 km2，至河口距離為66 km。該站自1958年開始監(jiān)測泥沙，是羅定江流域唯一監(jiān)測泥沙資料的水文站，實測最大年平均輸沙率為1985年的117 kg/s，最大年輸沙量為1985年的369×104t，多年平均輸沙率為39.23 kg/s。

羅定江流域河流及站點分布示意見圖1。

圖1 羅定江流域示意

2 主要分析方法

2.1 趨勢分析方法

1) Spearman秩相關(guān)系數(shù)法

Spearman秩相關(guān)系數(shù)法是衡量時間序列變化趨勢在統(tǒng)計量上有無顯著性的常用方法。其原理是將兩因子的樣本值從小到大排列位次，以各因子樣本值的位次代替實際數(shù)據(jù)加以運算。秩相關(guān)系數(shù)公式：

(1)

式中di為變量Xi和Yi的差值；Xi為周期1～n按值從小到大排列的序號；Yi為按時間排列的序號；n為時間。

觀察到上述問題，筆者在學(xué)校有關(guān)部門的支持下，針對高中生如何進行有效的物理糾錯這一問題進行了初步的研究，并得出了一些成果，為了驗證其可行性，筆者在任教的高三班級中做了初步的嘗試，就日常教學(xué)感受以及今年高考的情況來看，結(jié)果令人欣慰，主要體現(xiàn)在，教學(xué)過程中，師生的壓力都有所減輕，學(xué)生養(yǎng)成了主動糾錯的習(xí)慣，物理學(xué)習(xí)的積極性得到了提升，教師能夠獲得學(xué)生學(xué)習(xí)的真實情況信息，教學(xué)效率得到了提高，在最后的高考中，班級的表現(xiàn)也比較喜人.下面，筆者就簡要談?wù)勛约横槍ι鲜鰡栴}采取了哪些措施.

2) Kendall秩次相關(guān)檢驗法

2.2 跳躍分析方法

1) 有序聚類分析法

以有序分類來推估最可能的突變點τ，其實質(zhì)是尋求最優(yōu)二分割點，使同類之間的離差平方和較小而類和類之間的離差平方和較大。對于水文時間序列x1，x2,…,xn，設(shè)可能的突變點τ，則突變前后的離差平方和分別為:

(2)

(3)

2) 游程檢驗法

3 結(jié)果與分析

3.1 整體趨勢分析

通過對官良站1959—2019年的年輸沙量序列，使用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法進行分析，求得rs= -0.612 1，T= -5.844 7，統(tǒng)計量|T|=5.844 7>t0.000 5，通過顯著性水平為0.1%的趨勢性檢驗。繼續(xù)使用Kendall秩相關(guān)檢驗法對年輸沙量進行分析，求得k=543，τ= -0.406 6，D(τ)=0.007 7，U=-4.629 2。統(tǒng)計量|U|=4.6292>U0.0005，仍通過顯著性水平為0.1%的趨勢性檢驗。

兩種方法均表明羅定江干流年輸沙量下降趨勢顯著，Spearman秩相關(guān)系數(shù)法和Kendall秩相關(guān)檢驗法對官良站年輸沙量的檢驗結(jié)果見表1，不同顯著性水平的顯著性檢驗臨界值表見表2。

表1 官良站年輸沙量的檢驗結(jié)果

表2 不同顯著性水平的t和u臨界值

3.2 跳躍分析

使用有序聚類法對官良站1959—2019年年輸沙量序列進行分析計算，得到輸沙量Sn(τ)～τ關(guān)系示意(見圖2)，當(dāng)Sn(τ)取最小值時的分割點對應(yīng)的年份最有可能為突變年份。由圖2可知，官良站年輸沙量的突變點可能為1986年。使用游程檢驗對年輸沙量突變點進行分析，n=61求得k=14，n1=28，n2=33，統(tǒng)計量|U|=4.496 9>u0.000 5，通過顯著性水平為0.1%的趨勢性檢驗，證明羅定江干流輸沙量在1986年具有顯著的跳躍成分，表明羅定江年輸沙量序列的一致性可能遭到破壞。

圖2 官良站年輸沙量Sn(τ)～τ關(guān)系示意

3.3 分段趨勢分析

將1959—2019年年輸沙量按跳躍點分成兩段，不同時段的統(tǒng)計結(jié)果見表3，年輸沙量變化過程見圖3，說明突變前后年輸沙量的變化趨勢與總序列不同。

圖3 官良站年輸沙量變化過程示意

表3 輸沙量不同時段統(tǒng)計結(jié)果

1959—1986年，年輸沙量呈顯著上升趨勢，年均輸沙量為179.23×104t，是多年平均輸沙量的1.45倍。表明該段時間，羅定江流域水土流失現(xiàn)象加劇，河流泥沙含量顯著增多。

1987—2019年，輸沙量呈不顯著下降趨勢，且年均輸沙量為76.74×104t，僅為多年平均輸沙量的62.0%。表明該段時間羅定江流域泥沙含量減少顯著。查閱相關(guān)資料可知，從1987年開始，當(dāng)?shù)卣ㄟ^以小流域為單元，采取生物措施與工程措施相結(jié)合的辦法，綜合治理水土流失，10多年來共計營造水土保持林18 857.8 hm2，修建大小土石谷坊4 554座，治理水土流失276.48 km2，水土流失治理工作取得階段性成果，森林覆蓋率大幅度提高[11]。從側(cè)面證明了羅定江干流輸沙量在1986年突變的原因是當(dāng)?shù)卣畬λ帘３值闹卫恚⑶抑卫沓晒@著。

4 和徑流量的對比分析

使用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法和Kendall秩次相關(guān)檢驗法對官良站1959—2019年的年徑流量進行趨勢分析，求得相關(guān)參數(shù)分別為：rs=0.066 3，統(tǒng)計量T=0.501 4，和k=957，τ=0.046，統(tǒng)計量U=0.522 7。兩種方法均未能通過顯著性檢驗。說明官良站年徑流量呈不顯著的上升趨勢，與年輸沙量的變化趨勢不同。使用有序聚類法和游程檢驗對官良站1959—2019年的年徑流量進行跳躍分析，發(fā)現(xiàn)其年徑流量無明顯的跳躍成分。

一般來說，在河流泥沙運動中，輸沙量與徑流量的變化具有趨同性[12]，官良站在1959—2019年共61年中水沙變化趨勢并不相同，并且在年徑流量增加的情況下年輸沙量顯著減少，充分說明了羅定江干流泥沙減少的事實。

對官良站1959—2019年的年徑流量和年輸沙量進行相關(guān)分析(見圖4)，相關(guān)系數(shù)僅為0.439 9。表明官良站1959—2019年的年徑流量和年輸沙量的相關(guān)性并不強。考慮到官良站的年輸沙量在突變點1986年前后的變化較大，將徑流量分成1959—1986年和1986—2019年兩段進行趨勢分析(見表4)和相關(guān)性分析(見圖5～圖6)，官良站年輸沙量和年徑流量在不同時段的趨勢對比見表5。

圖4 1959—2019年官良站年徑流量和年輸沙量關(guān)系示意

表4 輸沙量不同時段統(tǒng)計結(jié)果

圖5 1959—1986年官良站年徑流量和年輸沙量關(guān)系示意

圖6 1987—2019年官良站年徑流量和年輸沙量關(guān)系示意

表5 官良站年輸沙量和年徑流量在不同時段的趨勢對比

結(jié)果表明：1959—1986年官良站的年徑流量和輸沙量變化趨勢相同，均呈顯著上升趨勢，且兩者相關(guān)系數(shù)為0.840 9，具有較強的相關(guān)性，符合自然河流泥沙運動中大水多沙，小水少沙的一般規(guī)律[13]；1987—2019年兩者變化趨勢相反，年輸沙量呈不顯著下降趨勢，而年徑流量呈不顯著上升趨勢，且兩者的相關(guān)系數(shù)僅為0.368 4，顯示很弱的相關(guān)性。究其原因，可能是由于在過去30多a中，人類在羅定江流域修建水庫、水閘等各種水利工程，對羅定江干流輸沙量造成了顯著的影響，使輸沙量與徑流量的變化并不同步。

5 結(jié)語

通過對羅定江干流控制站官良水文站1959—2019年的年輸沙量和年徑流量資料分析，表明：① 羅定江干流輸沙量在過去61 a中，整體呈下降趨勢，年輸沙量變異點為1986年，年徑流量并沒有明顯變異點。說明年輸沙量序列一致性可能遭到破壞，在進行水土保持效益評價等水文分析計算中，需要考慮年輸沙量序列的一致性；② 1959—1986年，年輸沙量呈顯著上升趨勢，與年徑流量的趨勢相同，且兩者相關(guān)性較好；1987—2019年，年輸沙量呈不顯著下降趨勢，與年徑流量的趨勢不同，且兩者相關(guān)性較差。從側(cè)面說明了當(dāng)?shù)卣?986年前后對羅定江流域水土保持治理的成果顯著，并且可能是由于人類在羅定江流域修建水庫、水閘等各種水利工程，對羅定江干流輸沙量造成了顯著的影響，使輸沙量與徑流量的變化趨勢并不同步。