近60年廣西西江流域年輸沙模數特性分析

朱穎潔

(梧州水文中心，廣西 梧州 543002)

河流輸沙模數是指一定時段單位流域面積上的輸沙量，是徑流量大小、流域內地形地貌、地面組成物質、氣候、植被蓋度和人類活動等影響泥沙的綜合結果，是反映流域土壤侵蝕強度和侵蝕產沙強度的重要指標。輸沙模數高，表示流域水土流失嚴重，河道輸沙能力大。近年來，水沙變化規律受到越來越多的關注，如韋紅波等[1]繪制中國多年平均輸沙模數等值線圖，分析了中國泥沙輸移及淤積的宏觀分布規律；李雪梅等[2]對黃河中游多沙粗沙區粗泥沙輸沙模數區域分布及產沙量進行研究；師長興[3]研究長江上游輸沙尺度效應；苑振海等[4]建立西臺峪小流域實驗站年輸沙模數與年降水量的相關關系；王巧煥等[5]分析了撫河流域含沙量、輸沙量和輸沙模數的分布特點；熊亞蘭等[6]分析全球氣候變化對貴州省輸沙模數的影響；胡建軍等[7]采用長短系列對比分析法分析黃河粗泥沙集中來源區各水文站長系列(1954—2007年)實測多年平均輸沙模數較短系列( 1954—1969年)變化情況，并對長系列輸沙模數進行還原；王杰[8]選取輸沙模數等指標采用Pettitt檢驗、有序聚類分析法、Morlet小波分析等方法對河龍區間1956—2015年氣象和水文序列進行趨勢突變以及周期分析；易靈等[9]從沿程變化、年際變化和年內變化3個方面分析了西江流域干支流徑流量和輸沙量的時空分布變化；萬家全[10]采用Mann-Kendall檢驗法、5年滑動檢驗法、累積距平法對西江干流遷江站、大湟江口站、梧州站、高要站年徑流量與年輸沙量數據進行定量與定性分析，同時使用模擬退火算法進行非線性回歸分析，得出西江流域干流年徑流量和年輸沙量的變化規律。西江上連滇黔，橫貫八桂，下接珠江水網直達港澳，與國際海運網對接，是構筑泛珠三角區域經濟體系與建設中國—東盟自由貿易區的重要出海動脈，是名副其實的黃金水道。前人對西江流域水沙變化的研究多運用常規方法分析年徑流量和年輸沙量的變化規律，對年輸沙模數特性缺乏系統研究，本文開展西江流域年輸沙模數時空演變規律研究，填補了西江流域輸沙模數分析的空白，可為研究西江流域侵蝕產沙規律、制定水土保持和水資源利用規劃、設計水工程提供基礎數據，為黃金水道的建設提供技術支撐。

1 資料與方法

根據西江水系的分布特征和水文站分布情況，研究選取西江流域21個水文站的50余年(1960—2014年)年輸沙模數、年徑流量和年降水量資料。所有研究資料均摘自水文年鑒，質量可靠。研究選取站點包括不同區域大、中、小流域的控制水文站，具有很強的代表性，能很好地反映西江流域年輸沙模數演變特征，研究站點分布見圖1。研究運用Mann-Kendall秩次相關檢驗法[11]和Spearman秩次相關檢驗法[12]量化分析年輸沙模數的趨勢成分，并選取代表站繪制年平均輸沙模數變化曲線分析西江年輸沙模數年際變化的特點；采用Mann-Whitney-Pettitt突變點分析法[13]對年輸沙模數進行突變分析，找出其突變點，并通過t檢驗法檢測突變點的真偽性；計算各河段在20 世紀 60—90 年代、2000—2009年和1960—2014年的多年平均輸沙模數，并利用Kriging插值法[14]對年輸沙模數的均值和趨勢等進行空間插值，揭示年輸沙模數的空間分布特征；最后，通過繪制雙累積曲線和利用水文分析法研究西江流域年輸沙模數的變化成因。

圖1 研究站點分布示意

2 時間演變特征

2.1 趨勢變化

為揭示西江年輸沙模數的趨勢變化，用Mann-Kendall趨勢檢驗法和Spearman秩次相關檢驗法診斷其變化趨勢，檢驗結果見表1。若Spearman秩次相關檢驗統計量|T|與Mann-Kendall趨勢檢驗統計量|U|均大于置信水平為0.05時的相應臨界值為趨勢明顯，否則不明顯。由表1可看出：天峨、都安、遷江、武宣、大湟江口、梧州、鄒圩、南寧、百色、金雞站年輸沙模數呈顯著的下降趨勢；貴港、崇左、平樂、恭城站呈不顯著的下降趨勢；馬隴、柳州、桂林、荔浦、富羅、富陽、太平站呈不顯著的上升趨勢。

表1 年輸沙模數趨勢檢驗

為進一步揭示西江年輸沙模數年際變化的特點，選取代表站繪制年平均輸沙模數變化曲線和5年滑動平均曲線(圖2)。選取的代表站為上游的天峨站、中游的大湟江口站和下游的梧州站。

由圖2可知，1983年為天峨站、大湟江口站和梧州站年輸沙模數最大的年份，其距平值分別為615、232、256 t/km2；2013年為天峨站年輸沙模數最小的年份，其距平值為-394 t/km2；2011年為大湟江口站和梧州站年輸沙模數最小的年份，其距平值分別為-153、-156 t/km2；天峨站、大湟江口站和梧州站年輸沙模數,20世紀60年代年平均值分別為416、200、215 t/km2,20世紀70年代年平均值分別為472、224、240 t/km2,20世紀80年代年平均值分別為579、243、228 t/km2,20世紀90年代年平均值分別為530、189、157 t/km2,2000—2009年平均值分別為175.0、76.6、72.6 t/km2，2010—2014年平均值分別為1.33、37.70、32.20 t/km2。天峨站、大湟江口站和梧州站年輸沙模數1960—2014年總體變化的傾向率為-67.8、-33.3、-39.7 t/(km2·10a)，說明天峨站、大湟江口站和梧州站年輸沙模數呈明顯的下降趨勢。

2.2 突變分析

突變現象不僅可揭示系統的本質，而且對于系統的有效調控有很重要作用。采用Mann-Whitney-Pettitt突變點分析法對西江流域21站的年輸沙模數序列進行突變檢測和判別，以揭示西江年輸沙模數變化的突變情況。

從表2可知：①桂林、貴港、馬隴、柳州、富陽、荔浦、太平、恭城、富羅、崇左站年輸沙模數序列分別在1973、1986、1987、1990、1991、1991、1993、1998、2000、2002年可能發生突變，但是突變點在顯著性水平α=0.05下不顯著；②平樂站當|Ut,n|達到最大值，1977年平樂站年輸沙模數序列可能發生突變，突變點在顯著性水平α=0.05下顯著；鄒圩站當|Ut,n|達到最大值，1981年鄒圩站年輸沙模數序列可能發生突變，突變點在顯著性水平α=0.05下顯著；金雞站當|Ut,n|達到最大值，1986年金雞站年輸沙模數序列可能發生突變，突變點在顯著性水平α=0.05下顯著；都安站和遷江站當|Ut,n|達到最大值，1991年年輸沙模數序列可能發生突變， 突變點在顯著性水平α=0.05下顯著；梧州站當|Ut,n|達到最大值，1994年梧州站年輸沙模數序列可能發生突變，突變點在顯著性水平α=0.05下顯著；天峨站、武宣站和大湟江口站當|Ut,n|達到最大值，1997年年輸沙模數序列可能發生突變， 突變點在顯著性水平α=0.05下顯著；主要原因是隨著家庭聯產承包責任制的推廣，人們采取各種手段毀林開荒，地表植被破壞使水土流失加劇；③南寧站和百色站當|Ut,n|達到最大值，由此得出2002年年輸沙模數序列可能發生突變，突變點在顯著性水平α=0.05下顯著，主要原因是隨著1998年以后全國實施天然林保護工程，水土流失減少。

表2 年輸沙模數突變分析

3 水沙空間分布

3.1 平均分布特征

計算各河流在20世紀 60—90 年代、2000—2009年和1960—2014年多年平均輸沙模數，并運用Kriging插值法對不同時期的多年平均年輸沙模數進行插值,得到年輸沙模數空間分布(圖3)。從圖3可知，流域各河流的輸沙變化是不均勻、不同步的；20世紀60年代，各河流多年平均輸沙模數介于 32.2～416.0 t/km2，多年平均年輸沙模數均值為191 t/km2，最大值出現在紅水河，最小值出現在富群水；20世紀70年代，各河流輸沙模數介于60.3～493.0 t/km2，多年平均年輸沙模數均值為223 t/km2，最大值出現在北流河，最小值出現在清水河；20世紀80年代，各河流多年平均輸沙模數介于21.8～579.0 t/km2，多年平均年輸沙模數均值為199 t/km2，最大值出現在紅水河，最小值出現在桂江；20世紀90年代，各河流輸沙模數介于34.8～530.0 t/km2，多年平均年輸沙模數均值為197 t/km2，最大值出現在紅水河，最小值出現在桂江。2000—2009年各河流輸沙模數介于42.2～266.0 t/km2，多年平均年輸沙模數均值為112 t/km2，最大值出現在富群水，最小值出現在清水河。1960—2014年各河流輸沙模數介于50.5～395.0 t/km2，多年平均年輸沙模數均值為178 t/km2，最大值出現在紅水河，最小值出現在清水河。

圖3 多年年輸沙模數空間分布

西江流域年均輸沙模數在20世紀60—70年代上升，從60年代的191 t/(km2·a)升至70年代的223 t/(km2·a)，增加了16.8%，增幅最大的是恭城河，增幅高達226.0%，最小增幅在清水河，增幅為0.8%。但在80年代又持續下降，年均輸沙模數從80年代的199 t/(km2·a)降至90年代的197 t/(km2·a)、2000—2009年的112 t/(km2·a)，較70年代減幅分別為10.8%、11.7%、49.8%，80年代減幅最大的是桂江，減幅高達83.4%，最小減幅在柳江，減幅為3.2%，90年代減幅最大的是桂江，減幅高達73.6%，最小減幅在郁江，減幅為3.4%，2000—2009年減幅最大的是紅水河，減幅高達88.5%，最小減幅在郁江，減幅為8.7%。

同一時期內，不同河流的年輸沙模數也不同。紅水河和北流河多年平均輸沙模數與其他河流相比處于較高水平，而清水河相反。從空間分布來看,20世紀60年代，西江流域多年輸沙模數從西部和東部到東北部逐步減小，其中紅水河多年平均輸沙模數達400 t/km2左右，北流河、右江、柳江多年平均輸沙模數在300 t/km2左右，西江干流、蒙江、左江多年平均輸沙模數在200 t/km2左右，刁江、郁江、荔浦河、恭城河和富群水多年平均輸沙模數在100 t/km2左右，清水河、賀江、桂江多年平均輸沙模數最低，為50 t/km2左右；20世紀70年代，西江流域多年輸沙模數從外部到中部逐步減小，其中紅水河、北流河多年平均輸沙模數達470 t/km2左右，恭城河多年平均輸沙模數在330 t/km2左右，西江干流、右江、柳江多年平均輸沙模數在250 t/km2左右，蒙江、左江和桂江多年平均輸沙模數在190 t/km2左右，郁江、荔浦河和富群水多年平均輸沙模數在150 t/km2左右，刁江、清水河和賀江多年平均輸沙模數最低，為70 t/km2左右；20世紀80年代，西江流域多年輸沙模數從西北部和東部到南部和東北部逐步減小，其中紅水河多年平均輸沙模數達550 t/km2左右，北流河多年平均輸沙模數達450 t/km2左右，柳江多年平均輸沙模數在320 t/km2左右，右江、西江干流多年平均輸沙模數在200 t/km2左右，左江、恭城河、蒙江多年平均輸沙模數在150 t/km2左右，刁江、郁江、桂江和富群水多年平均輸沙模數在100 t/km2左右，清水河、荔浦河、賀江多年平均輸沙模數最低，為50 t/km2左右；20世紀90年代，西江流域多年輸沙模數從西北部和東部到中部和東北部逐步減小，其中紅水河多年平均輸沙模數達500 t/km2左右，右江、刁江、恭城河和北流河多年平均輸沙模數達300 t/km2左右，柳江、西江干流和左江多年平均輸沙模數在200 t/km2左右，郁江、桂江、荔浦河、蒙江多年平均輸沙模數在150 t/km2左右，賀江、富群水多年平均輸沙模數在100 t/km2左右，清水河多年平均輸沙模數最低，為60 t/km2左右；2000—2009年，西江流域多年輸沙模數從東部和西部向北部逐步減小，其中富群水多年平均輸沙模數達260 t/km2左右，紅水河、蒙江多年平均輸沙模數在200 t/km2左右，刁江、柳江、左江、右江、荔浦河、北流河多年平均輸沙模數在150 t/km2左右，西江干流、郁江、桂江、恭城河和賀江多年平均輸沙模數在80 t/km2左右，清水河多年平均輸沙模數最低，為40 t/km2左右；1960—2014年，紅水河和北流河多年平均年輸沙模數大，清水河、潯江、桂江和賀江多年平均年輸沙模數小，小值區都小于130 t/km2，而大值區都大于280 t/km2；西江流域上游(郁江口以上)多年平均輸沙模數一般在395～220 t/km2，西江流域中下游(郁江口以下)多年平均輸沙模數在50.5～220 t/km2，從而得出一般情況下西江流域上游多年平均輸沙模數大于中下游的多年平均輸沙模數，但是小值區也存在局部大值斑塊，如中下游北流河比外圍年平均輸沙模數大，與前人研究長江上游和撫河流域的年輸沙模數空間分布結論一致。

3.2 年輸沙模數趨勢空間分布

考慮到不同地區年輸沙模數趨勢差異巨大，運用Kriging插值法對年輸沙模數Mann-Kendall秩次相關檢驗法趨勢分析結果進行插值,得到西江年輸沙模數變化趨勢空間分布見圖4。由圖4可知，除刁江、蒙江、桂江上中游呈不顯著的上升趨勢外，西江流域大部分區域呈減少趨勢，從東北部至西南部減少趨勢逐漸變小，其中西江干流、郁江、北流河減少趨勢顯著。

圖4 年輸沙模數變化趨勢空間分布

4 成因分析

選取上游控制站天峨站、中游控制站大湟江口站和下游控制站梧州站，具體分析西江輸沙模數變化的原因。

4.1 雙累積曲線分析

自然因素和人類活動共同影響輸沙模數的變化。降水時間、數量、強度和氣溫的變化等自然因素直接影響輸沙模數變化；影響西江輸沙模數變化的主要人類活動有水利工程建設、水土保持措施建設以及河道引水采砂等。雙累積曲線法是一種研究氣候變化以外的因素對河流輸沙模數變化影響的方法。輸沙模數與徑流量有密切關系，點繪累積年輸沙模數與累積年徑流量的關系線，若輸沙模數的變化只與徑流量的變化有關，則二者的關系為一直線；若該直線在某一時間發生偏轉，則表明人類活動對年輸沙模數產生了影響。繪制了代表站的年輸沙模數與年徑流量的雙累積曲線(圖5)。

圖5 代表站雙累積曲線

紅水河天峨站的年輸沙模數-年徑流量雙累積曲線在1977年向左發生偏轉，年輸沙模數1977年以后呈增加趨勢，其主要原因不合理的土地利用、森林砍伐、植被破壞和工程建設所帶來的水土流失效應；年輸沙模數-年徑流量雙累積曲線在1997年向右發生偏轉，年輸沙模數1997年以后呈減少趨勢，其主要原因是1997年以后河道采砂嚴重；年輸沙模數-年徑流量雙累積曲線在2007年向右發生偏轉，年輸沙模數2007年以后呈減少趨勢，其主要原因是2007年龍灘電站建成發揮攔水蓄沙效應；說明在不受降水變化影響的情況下，西江上游紅水河年輸沙模數的變化，主要是人類活動影響流域侵蝕產沙的結果。

大湟江口站的年輸沙模數-年徑流量雙累積曲線在1967、1983年向左發生偏轉，大湟江口站的年輸沙模數1967—1983年以后呈增加趨勢，其主要原因是1967—1994年西江流域不合理的土地利用、森林砍伐、植被破壞和工程建設所帶來的水土流失效應；年輸沙模數-年徑流量雙累積曲線在1994年向右發生偏轉，大湟江口站的年輸沙模數1994年以后呈減少趨勢，1994年馬騮灘電站建成發揮攔水蓄沙效應是其主要原因；年輸沙模數-年徑流量雙累積曲線在1997年向右發生偏轉，年輸沙模數1997年以后呈減少趨勢，其主要原因是1997年以后河道采砂嚴重；年輸沙模數-年徑流量雙累積曲線在2002年向右發生偏轉，大湟江口站的年輸沙模數2002年以后呈減少趨勢，其主要原因是2002年以來水土保持措施的施行和水利工程的攔水蓄沙效應；說明在不受降水變化影響的情況下，西江中游年輸沙模數的變化，主要是人類活動影響流域侵蝕產沙的結果。

梧州站的年輸沙模數-年徑流量雙累積曲線在1967年向左發生偏轉，年輸沙模數1967年以后呈增加趨勢，其主要原因是1967年后西江流域不合理的土地利用、森林砍伐、植被破壞和工程建設所帶來的水土流失效應；年輸沙模數-年徑流量雙累積曲線在1994年向右發生偏轉，年輸沙模數1994年以后呈減少趨勢，其主要原因是1994年以后河道采砂嚴重；年輸沙模數-年徑流量雙累積曲線在1997年向右發生偏轉，梧州站的年輸沙模數1997年以后呈減少趨勢，其主要原因是1997年京南電站建成發揮攔水蓄沙效應；年輸沙模數-年徑流量雙累積曲線在2006年向右發生偏轉，梧州站的年輸沙模數2006年以后呈減少趨勢，其主要原因是2006年長洲水利樞紐建成發揮攔水蓄沙效應；說明在不受降水變化影響的情況下，西江下游年輸沙模數的變化，主要是人類活動影響流域侵蝕產沙的結果。

4.2 降水變化與人類活動對水沙變化的影響

采用水文分析法建立人類影響少時期的年降水量和年輸沙模數回歸方程(表3)，得到代表站躍變年后的年輸沙模數。不同時段計算值之間的差異，即為降水變化的影響量；同期計算值與實測值之差，即為人類活動減沙量。根據突變分析結果，天峨站和大湟江口站在1997年發生顯著性突變，梧州站在1994年發生顯著性突變，顯著性突變發生前的時期盡管也受人類活動影響，但是人類活動影響不明顯，因此將顯著性突變發生前的時期作為人類影響少時期，天峨站和大湟江口站人類影響少時期為1960—1996年、梧州站人類影響少時期為1960—1993年。比較而言，年輸沙模數與年降水量均呈較好的響應關系，而變化期結果則較差。由表4可知:人類活動是引起西江流域年輸沙模數減少的主導因素。降水變化對輸沙模數的貢獻率為6.3%～12.3%，人類活動的貢獻率為87.7%～93.7%。

表3 年輸沙模數回歸方程

表4 氣候與人類活動對年輸沙模數變化的影響

5 結論

對1960—2014年西江流域輸沙模數時間和空間特征進行了研究，主要結論如下。

a)除平樂站、鄒圩站、金雞站、梧州站分別在1977、1981、1986、1994年，都安站和遷江站在1991年，天峨站、武宣站和大湟江口站在1997年，南寧站和百色站在2002年年輸沙模數序列發生了顯著突變外，其余站點沒有發生顯著突變。

b)西江流域年均輸沙模數在20世紀60—70年代上升，但在80年代又持續下降；紅水河和北流河多年平均輸沙模數與其他河流相比處于較高水平，而清水河相反；西江流域多年輸沙模數20世紀60年代從西部和東部到東北部逐步減小，70年代從外部到中部逐步減小，80年代從西北部和東部到南部和東北部逐步減小，90年代從西北部和東部到中部和東北部逐步減小，2000—2009年從東部和西部向北部逐步減小；一般情況下西江流域上游多年平均輸沙模數大于中下游的多年平均輸沙模數。

c)除刁江、蒙江、桂江上中游呈不顯著的上升趨勢外，西江流域大部分區域呈減少趨勢，從東北部至西南部減少趨勢逐漸變小。

d)在不受降水變化影響的情況下，西江年輸沙模數的變化，主要是人類活動影響流域侵蝕產沙的結果。

e)人類活動是引起西江流域年輸沙模數減少的主導因素。降水變化對輸沙模數的貢獻率為6.3%～12.3%，人類活動的貢獻率為87.7%～93.7%。