西北江三角洲年内水沙特征及其影响因素

张泳华,陆永球

(广东省水文局佛山水文分局,广东 佛山 528000)

珠江是中国第二大河流,由东江、西江、北江以及三角洲各条河流组成。西江和北江在思贤滘处交集后又分流,形成水文情势复杂的河网区,西北江下游控制站分别是马口站和三水站。由西北江三角洲和东江三角洲组成的珠江三角洲是中国经济持续快速发展的三大增长极之一[1]。由于独特的地理条件和迅速的城市发展,西北江三角洲水沙情势年际间与过去相比已发生不同程度的突变[2-3],而水沙在年内分配不均,亦有一定变化规律。通过西北江三角洲水沙近50 a实测资料,着眼于年内水沙特征研究,采用集中度和集中期法、Mann-Kendall检验法等多种水文分析方法对马口站和三水站月径流量序列和月输沙量序列进行变异分析,为西北江三角洲的年内防洪调度、水资源利用和航道整治等提供科学的决策依据。

1 研究方法

1.1 集中度和集中期法

借鉴年内分配的向量法定义水文序列年内集中度和集中期,能有效表征年内水文序列非均匀性分配特点[4]。本文将此方法应用于水沙年内特征分析,集中度可以反映水沙在年内的集中程度,其大小为年内各月径流量或输沙量按月分解为水平和垂直2个向量力后,其各分量叠加得到的矢量和占全年的百分比。集中期是全年径流量或输沙量中的重心所出现的时间,可量化为2个方向向量合成的矢量方向,以12个月分量和的比值正切角度表示。各月份代表和包含角度值见表1,集中度越大表示水沙越集中,集中度越小则水沙越分散,集中期表示的角度值则可推算出年中最大径流量或输沙量出现的日期。

表1 各月份包含范围和代表角度 单位:(°)

1.2 Mann-Kendall检验法

Mann-Kendall检验法现广泛应用于水文序列趋势和突变研究中,ZMK值是此方法中用于表征水文序列突变和趋势特征的标准化检验统计值,计算方法见式(1)—(4):

(1)

(2)

(3)

(4)

式中xi——序列年份i所对应的水文气象值;yj——序列年份j所对应的水文气象值;n——序列长度;tp——第p个数对应的捆绑值;ZMK——序列随时间的变化趋势统计值。

当ZMK大于0,说明水文序列随着时间呈增长趋势;当ZMK小于0,表示序列呈减小趋势。取显著水平为0.05,当ZMK的绝对值大于1.96,说明水文序列通过95%的双边显著检验。另外,在M-K检验法中可以得到顺逆时间累积得到的两个统计值曲线,当2个统计值曲线相交,说明水文序列在两曲线相关对应的年份存在趋势转变的突变点,即为突变年份。

2 西北江三角洲水沙特征

2.1 年内水沙特征分析

1971—2020年,西江下游马口站年均径流量为2 248×108m3,年均悬移质输沙量(以下简称输沙量)为5 253×104t;而北江下游三水站年均径流量为512×108m3,年均输沙量为814×104t。马口站和三水站的多年平均含沙量分别为0.227 1、0.163 3 kg/m3。根据图1所示,马口站和三水站的年内径流量和输沙量都集中在汛期7个月(每年4—10月),2个站点汛期的径流量分别占全年81.5%和86.0%,输沙量分别占全年的96.9%和94.7%。马口站和三水站多年各月径流量和输沙量表现均为较明显的“单峰型”。不论是马口站还是三水站,两站点的径流量从非汛期10月到翌年3月径流量较稳定,进入汛期4月明显增加,在夏季6月达到最大流量后逐步减少,在10月重新达到稳定。与径流量和输沙量的规律相似,年内含沙量曲线呈“单峰型”,2个站点均呈先增加而后波动减少的规律,11月含沙量最小,而7月含沙量最大。

图1 西北江三角洲水沙年内月变化(a:马口站;b:三水站)

6、7月的径流量和输沙量均是两站全年占比最大的2个月,将2个月相加与全年进行相关性分析发现,6—7月的马口站输沙量、三水站径流量和输沙量与全年的相关系数分别为0.836、0.913和0.853,均超过0.800,相关性高。6—7月的马口站径流量与全年相关系数只有0.617,前后延长1个月,5—8月径流量与全年相关系数提高为0.823,亦超过0.800。因此选取5—8月作为马口站径流量特征月,6—7月为马口站输沙量、三水站径流量和输沙量特征月。

从表2和图2可知,两站点年径流量年际间的变化趋势与汛期、特征月一致,汛期与全年相关系数均超过了0.90,三者的离散系数Cv也相近。而两站点年输沙量年际间的变化趋势亦与汛期、特征月一致,相关系数接近于1,三者的离散系数也相近。输沙量的相关性大于径流量,这与输沙量在年中的集中度高于径流量有关。马口站径流量变化率均为每年减少6.13×108m3,而三水站则是每年增加5.28×108m3。马口站输沙量变化率均为每年减少172×104t,而三水站则是每年减少11.7×104t。

a)径流量

表2 西北江三角洲水沙不同时段多年统计特征

2.2 年内集中程度分析

根据集中期和集中度等多种统计方法的计算方法,分别计算马口站和三水站各年径流量和输沙量的集中期和集中度,得出西北江三角洲水沙集中情况年内分配特征。

在表3中,马口站和三水站径流量和输沙量的集中度均大于0.4,说明西北江三角洲水沙在年内分配集中程度较高。马口站和三水站的径流量集中度相近,分别为0.42和0.51,输沙量的集中度高于径流量,分别达到0.75和0.72,输沙量年内分布比径流量更集中。但输沙量的集中度变化趋势与径流量不同,两站径流量的集中度ZMK均为负值,有减少趋势,其中三水站程度达到显著(-2.45);而三水站输沙量集中度减少趋势远小于径流量,只有-0.52,同时马口站输沙量集中度呈不明显增加趋势,说明西北江三角洲水沙集中度变化趋势是不一致的。

表3 西北江三角洲水沙年内集中程度统计特征

从图3可以看出,马口站的径流量集中期范围为136.8～202.9°,对应时间范围为6月到8月初,输沙量集中期为141.5～209.8°,时间范围为6月中旬到8月中旬;而三水站的流量集中期范围为133.4～201.9°,时间范围为5月底到8月初,输沙量集中期为114.8～213.4°,时间范围为5月中旬到8月中旬。结合表3,马口站和三水站径流量年内分配较为相似,多年平均集中期为7月8日和7月4日,变化率均为每年减少约0.14°,即每年延后约0.14 d。马口站输沙量集中期为7月8日,时间与径流量集中期一致;而三水站输沙量则为6月26日,比径流量集中期早8 d,但延后的速度要大于径流量,每年延后约0.27 d。两站点的径流量和输沙量集中期序列的Cv值不高,集中期相对稳定,但ZMK均为负值,整体上存在不显著的减少趋势,与线性拟合趋势一致。马口站径流量和输沙量集中度的突变年份分别为2012、2009年,三水站输沙量集中度突变年份晚于马口站,为2014年,这与水利枢纽工程建成运行有关。

a)径流量

西北江三角洲水沙在年内均有明显的集中分布,集中程度在减缓,集中期在7月初,略有延后,但不明显。

2.3 年内突变检验分析

对马口站和三水站各月份径流量、输沙量和含沙量进行M-K突变检验分析。由表4、图4可知,马口站径流量汛期各月均是不显著的减少趋势,非汛期除了11月,其余各月均是增长趋势,即全年占比较大的汛期径流量在减少,而非汛期在增加,使各月径流量差距在减少,全年集中程度减缓,与前文一致。而三水站径流量全年各月份均是增长趋势,其中非汛期5个月均达到显著程度,即全年各月径流量均有增长,但非汛期的增长势头强于汛期,导致全年集中度减少,集中度减少的趋势亦达到显著程度。在输沙量方面,马口站与三水站各月变化趋势较为相近,汛期各月均是减少趋势,马口站的减少趋势要明显于三水站;而在非汛期,三水站各月均是增长趋势,而马口站除了1、3月,其他3个月保持减少趋势,非汛期各月的变化趋势程度基本弱于汛期各月。马口站输沙量集中度呈不明显增长趋势,而三水站呈不明显减少趋势。年内集中度变化趋势与汛期和非汛期均有关。

图4 西北江三角洲ZMK值(a:马口站;b:三水站)

表4 西北江三角洲水沙趋势分析统计特征

马口站全年径流量、输沙量和含沙量在年际间的趋势均为减少趋势,其中输沙量和含沙量趋势达到显著程度,而且在汛期的下降趋势均比非汛期更明显。三水站的全年输沙量和年均含沙量虽呈显著的减少趋势,但径流量呈显著的增长趋势。三水站汛期径流量呈不显著增长趋势,叠加了非汛期呈显著的增长趋势,全年径流量达到显著增长,与各月份分析一致。两站点水沙全年的变化趋势和突变年份与汛期、特征月保持一致。三水站水沙突变年份晚于马口站,输沙量突变年份比径流量晚。

根据两水文站径流量和输沙量的趋势变化可知,西北江三角洲水沙年际变化趋势主要受控于汛期变化,并受非汛期一定的调节影响。

3 水沙影响因素分析

3.1 自然因素

3.1.1降水

降水在流域汇集成河,是所有气象要素中对径流影响最大的要素。珠江流域地处亚热带季风气候区,年降水总量近80%,集中于每年4—9月[5]。降水的年内分布不均,直接导致了径流集中于汛期,马口站和三水站每年4—9月径流量亦占全年近80%。西江流域和北江流域年降水量在年际间分别呈不显著的减少趋势和增加趋势[6-7],径流随降水有一致的变化趋势,马口站和三水站径流量在年际间亦分别是减少和增加的趋势。但径流量年内集中度不止受控于降水,以北江流域为例,流域降水集中度、集中期均主要表现为上升,但不显著[8],但马口站径流量年内集中度呈明显减少趋势。三水站水沙年内集中度亦呈减少趋势,即西北江三角洲水沙年内集中度受其他因素影响。

3.1.2海平面上升

根据《2020年中国海平面公报》,1980—2020年,中国沿海海平面上升速率为每年3.4 mm,高于同时段全球平均水平。2020年,珠江口沿海海平面达到1980年以来第二高位,海平面较常年高约110 mm。预计未来30 a,广东沿海海平面将上升60～170 mm。海平面上升,海水顶托会使得西北江下游水位壅高。马口站与同一河道的下游甘竹站实测水位相比,从2011年开始,已出现甘竹站水位高于马口站的情况,且这情况在近年来有加剧频繁的趋势。壅高的下游水位影响了水流的流动规律,亦加剧了含沙量减小趋势。

3.2 人类活动

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响,此区域的水利工程主要功能为防洪排涝。西江流域防洪排涝体系由上游的龙滩水库和大藤峡水库等水库以及除涝工程联合形成;北江流域防洪排涝体系则是湾头水库和乐昌峡水库,以及其他水库和除涝工程联合运用;在西北江三角洲,由北江飞来峡水利枢纽,潖江滞洪区,西北江中上游的龙滩、大藤峡水利枢纽等联合形成防洪工程体系[9]。龙滩水电站2009年底全部投产建成;大藤峡水利枢纽工程2015年正式开工,全部工程于2023年建设完毕;湾头水利枢纽工程2010年顺利完工并投入使用;乐昌峡水利枢纽2011年主体工程完工,2012年水库下闸蓄水。除大藤峡水利枢纽工程未建成使用,影响西北江的水利工程大多在2010年前后完工,与西北江三角洲水沙集中度突变年份相当。2010年前后,马口站和三水站径流量集中度多年平均值分别为0.44和0.54,分别减少为0.34和0.38;汛期径流量占全年比重分别从82.7%和88.1%,减少为77.0%和78.8%。两站输沙量集中度多年平均值分别为0.76和0.74,2012年后分别减少为0.68和0.66;汛期输沙量占全年比重分别减少为3.9%和6.6%;径流量受大型水库的调节影响比输沙量更深远。

水利工程,特别是大型水库的建成对西北江三角洲径流量有直接影响,汛期蓄水,非汛期调节放水,在时间和空间上可以重新分配径流,使径流量年内集中度减少,各月间差异减少。水库只要是通过建设和运行阶段的环境变化对输沙量产生间接影响。珠江流域内,水库拦洪蓄水时流速减少拦沙,但水库下泄时无法通过冲刷河床补给河道输沙量[10]。

3.2.2河道采砂

20世纪80年代,珠江三角洲开始出现大规模、不均衡的河道采砂活动。大规模的河道采砂除了直接使河道中含沙量下降,还会造成河床下切,河道水位下降,加剧河道冲刷,会改变原来的河床形态、水流流态和河汊及三角洲网河区水道的分流比[11]。在80年代中期至90年代末采砂高峰期中,三水站附近采砂规模比马口断面更大,时间更早,使得三水站河道下切更严重,断面增幅更大,2002年后河床下切幅度有所减小[12]。

对马口站分流分沙比进行比较,见表5,可知在1991—2000年,马口分流比和分沙比在全年、汛期、非汛期均有明显下降,但在2000年后相对稳定。而马口站径流量和输沙量,三水站的径流量亦在90年代发生显著突变,可见与这时段内河网区大规模无序采沙活动密切相关。

表5 西北江三角洲马口站分流分沙比值 %

3.2.3其他人类活动

除了水利工程拦截调蓄和河道采砂的影响,城市化进程的土地硬化和水土保持恢复也对西北江三角洲水沙演变有一定影响。

中国繁荣的经济发展伴随着城市化推进,城市化进程不可避免带来土地利用的变化。根据第七次全国人口普查公报,2020年,中国城镇人口约9.02亿,城镇化率达到63.89%,比2010年增加超13%。很多自然生态的疏松泥地和植物覆盖的原始土地逐步被坚硬密实、干燥不透水的硬化地面覆盖,钢筋混凝土的覆盖一方面固化了原地水土,另一方面也减少了雨水冲刷地面流入河流的泥沙。水流在硬化的地面也加快了流速,影响降水汇流入河的机制。

20世纪80年代以来,随着各项水土保持政策和治理措施逐步明确,水土保持工作的有序开展,珠江流域水土保持恢复工作取得了显著成效[13]。根据《珠江流域片水土保持公报》,2020年珠江流域片水土流失面积为11.04万km2,占流域片土地总面积的16.88%;比2013年流域片水土流失面积减少了2.29万km2,减幅17.16%;与2018年相较减少2.95%。水土流失治理成效逐年显著,对河流输沙量的减少有明显的作用。

4 结论

a)西江下游马口站年均径流量为2 248×108m3,年均悬移质输沙量(以下简称输沙量)为5 253×104t;而北江下游三水站年均径流量为512×108m3,年均输沙量为814×104t。马口站和三水站的多年平均含沙量分别为0.227 1、0.163 3 kg/m3。马口站和三水站多年各月径流量、输沙量和含沙量表现均为明显的“单峰型”。两站点水沙年际间的变化与汛期、特征月一致。

b)西北江三角洲水沙在年内分配集中程度高,马口站和三水站径流量和输沙量的集中度均大于0.4,集中程度在减缓,集中期在7月上旬,略有延后,但不明显。

c)根据两水文站径流量和输沙量的趋势变化可知,西北江三角洲水沙年际变化趋势主要受控于汛期变化,并受非汛期一定的调节影响。

d)西北江三角洲径流随降水有一致的变化趋势,但年内集中度受水利工程影响较大,河道采砂通过改变西北江三角洲分流分沙比影响河网区水沙分布,海平面上升等自然因素和土地硬化、水土保持恢复等人类活动也对西北江三角洲水沙演变有一定影响。