西北江三角洲年內水沙特征及其影響因素

張泳華,陸永球

(廣東省水文局佛山水文分局,廣東 佛山 528000)

珠江是中國第二大河流,由東江、西江、北江以及三角洲各條河流組成。西江和北江在思賢滘處交集后又分流,形成水文情勢復雜的河網區,西北江下游控制站分別是馬口站和三水站。由西北江三角洲和東江三角洲組成的珠江三角洲是中國經濟持續快速發展的三大增長極之一[1]。由于獨特的地理條件和迅速的城市發展,西北江三角洲水沙情勢年際間與過去相比已發生不同程度的突變[2-3],而水沙在年內分配不均,亦有一定變化規律。通過西北江三角洲水沙近50 a實測資料,著眼于年內水沙特征研究,采用集中度和集中期法、Mann-Kendall檢驗法等多種水文分析方法對馬口站和三水站月徑流量序列和月輸沙量序列進行變異分析,為西北江三角洲的年內防洪調度、水資源利用和航道整治等提供科學的決策依據。

1 研究方法

1.1 集中度和集中期法

借鑒年內分配的向量法定義水文序列年內集中度和集中期,能有效表征年內水文序列非均勻性分配特點[4]。本文將此方法應用于水沙年內特征分析,集中度可以反映水沙在年內的集中程度,其大小為年內各月徑流量或輸沙量按月分解為水平和垂直2個向量力后,其各分量疊加得到的矢量和占全年的百分比。集中期是全年徑流量或輸沙量中的重心所出現的時間,可量化為2個方向向量合成的矢量方向,以12個月分量和的比值正切角度表示。各月份代表和包含角度值見表1,集中度越大表示水沙越集中,集中度越小則水沙越分散,集中期表示的角度值則可推算出年中最大徑流量或輸沙量出現的日期。

表1 各月份包含范圍和代表角度 單位:(°)

1.2 Mann-Kendall檢驗法

Mann-Kendall檢驗法現廣泛應用于水文序列趨勢和突變研究中,ZMK值是此方法中用于表征水文序列突變和趨勢特征的標準化檢驗統計值,計算方法見式(1)—(4):

(1)

(2)

(3)

(4)

式中xi——序列年份i所對應的水文氣象值;yj——序列年份j所對應的水文氣象值;n——序列長度;tp——第p個數對應的捆綁值;ZMK——序列隨時間的變化趨勢統計值。

當ZMK大于0,說明水文序列隨著時間呈增長趨勢;當ZMK小于0,表示序列呈減小趨勢。取顯著水平為0.05,當ZMK的絕對值大于1.96,說明水文序列通過95%的雙邊顯著檢驗。另外,在M-K檢驗法中可以得到順逆時間累積得到的兩個統計值曲線,當2個統計值曲線相交,說明水文序列在兩曲線相關對應的年份存在趨勢轉變的突變點,即為突變年份。

2 西北江三角洲水沙特征

2.1 年內水沙特征分析

1971—2020年,西江下游馬口站年均徑流量為2 248×108m3,年均懸移質輸沙量(以下簡稱輸沙量)為5 253×104t;而北江下游三水站年均徑流量為512×108m3,年均輸沙量為814×104t。馬口站和三水站的多年平均含沙量分別為0.227 1、0.163 3 kg/m3。根據圖1所示,馬口站和三水站的年內徑流量和輸沙量都集中在汛期7個月(每年4—10月),2個站點汛期的徑流量分別占全年81.5%和86.0%,輸沙量分別占全年的96.9%和94.7%。馬口站和三水站多年各月徑流量和輸沙量表現均為較明顯的“單峰型”。不論是馬口站還是三水站,兩站點的徑流量從非汛期10月到翌年3月徑流量較穩定,進入汛期4月明顯增加,在夏季6月達到最大流量后逐步減少,在10月重新達到穩定。與徑流量和輸沙量的規律相似,年內含沙量曲線呈“單峰型”,2個站點均呈先增加而后波動減少的規律,11月含沙量最小,而7月含沙量最大。

圖1 西北江三角洲水沙年內月變化(a:馬口站;b:三水站)

6、7月的徑流量和輸沙量均是兩站全年占比最大的2個月,將2個月相加與全年進行相關性分析發現,6—7月的馬口站輸沙量、三水站徑流量和輸沙量與全年的相關系數分別為0.836、0.913和0.853,均超過0.800,相關性高。6—7月的馬口站徑流量與全年相關系數只有0.617,前后延長1個月,5—8月徑流量與全年相關系數提高為0.823,亦超過0.800。因此選取5—8月作為馬口站徑流量特征月,6—7月為馬口站輸沙量、三水站徑流量和輸沙量特征月。

從表2和圖2可知,兩站點年徑流量年際間的變化趨勢與汛期、特征月一致,汛期與全年相關系數均超過了0.90,三者的離散系數Cv也相近。而兩站點年輸沙量年際間的變化趨勢亦與汛期、特征月一致,相關系數接近于1,三者的離散系數也相近。輸沙量的相關性大于徑流量,這與輸沙量在年中的集中度高于徑流量有關。馬口站徑流量變化率均為每年減少6.13×108m3,而三水站則是每年增加5.28×108m3。馬口站輸沙量變化率均為每年減少172×104t,而三水站則是每年減少11.7×104t。

a)徑流量

表2 西北江三角洲水沙不同時段多年統計特征

2.2 年內集中程度分析

根據集中期和集中度等多種統計方法的計算方法,分別計算馬口站和三水站各年徑流量和輸沙量的集中期和集中度,得出西北江三角洲水沙集中情況年內分配特征。

在表3中,馬口站和三水站徑流量和輸沙量的集中度均大于0.4,說明西北江三角洲水沙在年內分配集中程度較高。馬口站和三水站的徑流量集中度相近,分別為0.42和0.51,輸沙量的集中度高于徑流量,分別達到0.75和0.72,輸沙量年內分布比徑流量更集中。但輸沙量的集中度變化趨勢與徑流量不同,兩站徑流量的集中度ZMK均為負值,有減少趨勢,其中三水站程度達到顯著(-2.45);而三水站輸沙量集中度減少趨勢遠小于徑流量,只有-0.52,同時馬口站輸沙量集中度呈不明顯增加趨勢,說明西北江三角洲水沙集中度變化趨勢是不一致的。

表3 西北江三角洲水沙年內集中程度統計特征

從圖3可以看出,馬口站的徑流量集中期范圍為136.8～202.9°,對應時間范圍為6月到8月初,輸沙量集中期為141.5～209.8°,時間范圍為6月中旬到8月中旬;而三水站的流量集中期范圍為133.4～201.9°,時間范圍為5月底到8月初,輸沙量集中期為114.8～213.4°,時間范圍為5月中旬到8月中旬。結合表3,馬口站和三水站徑流量年內分配較為相似,多年平均集中期為7月8日和7月4日,變化率均為每年減少約0.14°,即每年延后約0.14 d。馬口站輸沙量集中期為7月8日,時間與徑流量集中期一致;而三水站輸沙量則為6月26日,比徑流量集中期早8 d,但延后的速度要大于徑流量,每年延后約0.27 d。兩站點的徑流量和輸沙量集中期序列的Cv值不高,集中期相對穩定,但ZMK均為負值,整體上存在不顯著的減少趨勢,與線性擬合趨勢一致。馬口站徑流量和輸沙量集中度的突變年份分別為2012、2009年,三水站輸沙量集中度突變年份晚于馬口站,為2014年,這與水利樞紐工程建成運行有關。

a)徑流量

西北江三角洲水沙在年內均有明顯的集中分布,集中程度在減緩,集中期在7月初,略有延后,但不明顯。

2.3 年內突變檢驗分析

對馬口站和三水站各月份徑流量、輸沙量和含沙量進行M-K突變檢驗分析。由表4、圖4可知,馬口站徑流量汛期各月均是不顯著的減少趨勢,非汛期除了11月,其余各月均是增長趨勢,即全年占比較大的汛期徑流量在減少,而非汛期在增加,使各月徑流量差距在減少,全年集中程度減緩,與前文一致。而三水站徑流量全年各月份均是增長趨勢,其中非汛期5個月均達到顯著程度,即全年各月徑流量均有增長,但非汛期的增長勢頭強于汛期,導致全年集中度減少,集中度減少的趨勢亦達到顯著程度。在輸沙量方面,馬口站與三水站各月變化趨勢較為相近,汛期各月均是減少趨勢,馬口站的減少趨勢要明顯于三水站;而在非汛期,三水站各月均是增長趨勢,而馬口站除了1、3月,其他3個月保持減少趨勢,非汛期各月的變化趨勢程度基本弱于汛期各月。馬口站輸沙量集中度呈不明顯增長趨勢,而三水站呈不明顯減少趨勢。年內集中度變化趨勢與汛期和非汛期均有關。

圖4 西北江三角洲ZMK值(a:馬口站;b:三水站)

表4 西北江三角洲水沙趨勢分析統計特征

馬口站全年徑流量、輸沙量和含沙量在年際間的趨勢均為減少趨勢,其中輸沙量和含沙量趨勢達到顯著程度,而且在汛期的下降趨勢均比非汛期更明顯。三水站的全年輸沙量和年均含沙量雖呈顯著的減少趨勢,但徑流量呈顯著的增長趨勢。三水站汛期徑流量呈不顯著增長趨勢,疊加了非汛期呈顯著的增長趨勢,全年徑流量達到顯著增長,與各月份分析一致。兩站點水沙全年的變化趨勢和突變年份與汛期、特征月保持一致。三水站水沙突變年份晚于馬口站,輸沙量突變年份比徑流量晚。

根據兩水文站徑流量和輸沙量的趨勢變化可知,西北江三角洲水沙年際變化趨勢主要受控于汛期變化,并受非汛期一定的調節影響。

3 水沙影響因素分析

3.1 自然因素

3.1.1降水

降水在流域匯集成河,是所有氣象要素中對徑流影響最大的要素。珠江流域地處亞熱帶季風氣候區,年降水總量近80%,集中于每年4—9月[5]。降水的年內分布不均,直接導致了徑流集中于汛期,馬口站和三水站每年4—9月徑流量亦占全年近80%。西江流域和北江流域年降水量在年際間分別呈不顯著的減少趨勢和增加趨勢[6-7],徑流隨降水有一致的變化趨勢,馬口站和三水站徑流量在年際間亦分別是減少和增加的趨勢。但徑流量年內集中度不止受控于降水,以北江流域為例,流域降水集中度、集中期均主要表現為上升,但不顯著[8],但馬口站徑流量年內集中度呈明顯減少趨勢。三水站水沙年內集中度亦呈減少趨勢,即西北江三角洲水沙年內集中度受其他因素影響。

3.1.2海平面上升

根據《2020年中國海平面公報》,1980—2020年,中國沿海海平面上升速率為每年3.4 mm,高于同時段全球平均水平。2020年,珠江口沿海海平面達到1980年以來第二高位,海平面較常年高約110 mm。預計未來30 a,廣東沿海海平面將上升60～170 mm。海平面上升,海水頂托會使得西北江下游水位壅高。馬口站與同一河道的下游甘竹站實測水位相比,從2011年開始,已出現甘竹站水位高于馬口站的情況,且這情況在近年來有加劇頻繁的趨勢。壅高的下游水位影響了水流的流動規律,亦加劇了含沙量減小趨勢。

3.2 人類活動

3.2.1水利工程

西北江三角洲水沙受西江流域、北江流域和西北江三角洲水利工程的影響,此區域的水利工程主要功能為防洪排澇。西江流域防洪排澇體系由上游的龍灘水庫和大藤峽水庫等水庫以及除澇工程聯合形成;北江流域防洪排澇體系則是灣頭水庫和樂昌峽水庫,以及其他水庫和除澇工程聯合運用;在西北江三角洲,由北江飛來峽水利樞紐,潖江滯洪區,西北江中上游的龍灘、大藤峽水利樞紐等聯合形成防洪工程體系[9]。龍灘水電站2009年底全部投產建成;大藤峽水利樞紐工程2015年正式開工,全部工程于2023年建設完畢;灣頭水利樞紐工程2010年順利完工并投入使用;樂昌峽水利樞紐2011年主體工程完工,2012年水庫下閘蓄水。除大藤峽水利樞紐工程未建成使用,影響西北江的水利工程大多在2010年前后完工,與西北江三角洲水沙集中度突變年份相當。2010年前后,馬口站和三水站徑流量集中度多年平均值分別為0.44和0.54,分別減少為0.34和0.38;汛期徑流量占全年比重分別從82.7%和88.1%,減少為77.0%和78.8%。兩站輸沙量集中度多年平均值分別為0.76和0.74,2012年后分別減少為0.68和0.66;汛期輸沙量占全年比重分別減少為3.9%和6.6%;徑流量受大型水庫的調節影響比輸沙量更深遠。

水利工程,特別是大型水庫的建成對西北江三角洲徑流量有直接影響,汛期蓄水,非汛期調節放水,在時間和空間上可以重新分配徑流,使徑流量年內集中度減少,各月間差異減少。水庫只要是通過建設和運行階段的環境變化對輸沙量產生間接影響。珠江流域內,水庫攔洪蓄水時流速減少攔沙,但水庫下泄時無法通過沖刷河床補給河道輸沙量[10]。

3.2.2河道采砂

20世紀80年代,珠江三角洲開始出現大規模、不均衡的河道采砂活動。大規模的河道采砂除了直接使河道中含沙量下降,還會造成河床下切,河道水位下降,加劇河道沖刷,會改變原來的河床形態、水流流態和河汊及三角洲網河區水道的分流比[11]。在80年代中期至90年代末采砂高峰期中,三水站附近采砂規模比馬口斷面更大,時間更早,使得三水站河道下切更嚴重,斷面增幅更大,2002年后河床下切幅度有所減小[12]。

對馬口站分流分沙比進行比較,見表5,可知在1991—2000年,馬口分流比和分沙比在全年、汛期、非汛期均有明顯下降,但在2000年后相對穩定。而馬口站徑流量和輸沙量,三水站的徑流量亦在90年代發生顯著突變,可見與這時段內河網區大規模無序采沙活動密切相關。

表5 西北江三角洲馬口站分流分沙比值 %

3.2.3其他人類活動

除了水利工程攔截調蓄和河道采砂的影響,城市化進程的土地硬化和水土保持恢復也對西北江三角洲水沙演變有一定影響。

中國繁榮的經濟發展伴隨著城市化推進,城市化進程不可避免帶來土地利用的變化。根據第七次全國人口普查公報,2020年,中國城鎮人口約9.02億,城鎮化率達到63.89%,比2010年增加超13%。很多自然生態的疏松泥地和植物覆蓋的原始土地逐步被堅硬密實、干燥不透水的硬化地面覆蓋,鋼筋混凝土的覆蓋一方面固化了原地水土,另一方面也減少了雨水沖刷地面流入河流的泥沙。水流在硬化的地面也加快了流速,影響降水匯流入河的機制。

20世紀80年代以來,隨著各項水土保持政策和治理措施逐步明確,水土保持工作的有序開展,珠江流域水土保持恢復工作取得了顯著成效[13]。根據《珠江流域片水土保持公報》,2020年珠江流域片水土流失面積為11.04萬km2,占流域片土地總面積的16.88%;比2013年流域片水土流失面積減少了2.29萬km2,減幅17.16%;與2018年相較減少2.95%。水土流失治理成效逐年顯著,對河流輸沙量的減少有明顯的作用。

4 結論

a)西江下游馬口站年均徑流量為2 248×108m3,年均懸移質輸沙量(以下簡稱輸沙量)為5 253×104t;而北江下游三水站年均徑流量為512×108m3,年均輸沙量為814×104t。馬口站和三水站的多年平均含沙量分別為0.227 1、0.163 3 kg/m3。馬口站和三水站多年各月徑流量、輸沙量和含沙量表現均為明顯的“單峰型”。兩站點水沙年際間的變化與汛期、特征月一致。

b)西北江三角洲水沙在年內分配集中程度高,馬口站和三水站徑流量和輸沙量的集中度均大于0.4,集中程度在減緩,集中期在7月上旬,略有延后,但不明顯。

c)根據兩水文站徑流量和輸沙量的趨勢變化可知,西北江三角洲水沙年際變化趨勢主要受控于汛期變化,并受非汛期一定的調節影響。

d)西北江三角洲徑流隨降水有一致的變化趨勢,但年內集中度受水利工程影響較大,河道采砂通過改變西北江三角洲分流分沙比影響河網區水沙分布,海平面上升等自然因素和土地硬化、水土保持恢復等人類活動也對西北江三角洲水沙演變有一定影響。