朱穎潔

(梧州水文中心，廣西 梧州 543002)

河流輸沙模數(shù)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(nèi)地形地貌、地面組成物質(zhì)、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(chǎn)沙強度的重要指標。輸沙模數(shù)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(guī)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(shù)等值線圖，分析了中國泥沙輸移及淤積的宏觀分布規(guī)律；李雪梅等[2]對黃河中游多沙粗沙區(qū)粗泥沙輸沙模數(shù)區(qū)域分布及產(chǎn)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?qū)嶒炚灸贻斏衬?shù)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(shù)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(shù)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(qū)各水文站長系列(1954—2007年)實測多年平均輸沙模數(shù)較短系列( 1954—1969年)變化情況，并對長系列輸沙模數(shù)進行還原；王杰[8]選取輸沙模數(shù)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(qū)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(nèi)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(shù)據(jù)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(guī)律。西江上連滇黔，橫貫八桂，下接珠江水網(wǎng)直達港澳，與國際海運網(wǎng)對接，是構筑泛珠三角區(qū)域經(jīng)濟體系與建設中國—東盟自由貿(mào)易區(qū)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(guī)方法分析年徑流量和年輸沙量的變化規(guī)律，對年輸沙模數(shù)特性缺乏系統(tǒng)研究，本文開展西江流域年輸沙模數(shù)時空演變規(guī)律研究，填補了西江流域輸沙模數(shù)分析的空白，可為研究西江流域侵蝕產(chǎn)沙規(guī)律、制定水土保持和水資源利用規(guī)劃、設計水工程提供基礎數(shù)據(jù)，為黃金水道的建設提供技術支撐。

1 資料與方法

根據(jù)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(shù)、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(zhì)量可靠。研究選取站點包括不同區(qū)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(shù)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(shù)的趨勢成分，并選取代表站繪制年平均輸沙模數(shù)變化曲線分析西江年輸沙模數(shù)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(shù)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?zhèn)涡?；計算各河段?0 世紀 60—90 年代、2000—2009年和1960—2014年的多年平均輸沙模數(shù)，并利用Kriging插值法[14]對年輸沙模數(shù)的均值和趨勢等進行空間插值，揭示年輸沙模數(shù)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(shù)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(shù)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(tǒng)計量|T|與Mann-Kendall趨勢檢驗統(tǒng)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(shù)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(shù)趨勢檢驗

為進一步揭示西江年輸沙模數(shù)年際變化的特點，選取代表站繪制年平均輸沙模數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù),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(shù)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(shù)呈明顯的下降趨勢。

2.2 突變分析

突變現(xiàn)象不僅可揭示系統(tǒng)的本質(zhì)，而且對于系統(tǒng)的有效調(diào)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(shù)序列進行突變檢測和判別，以揭示西江年輸沙模數(shù)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(shù)序列分別在1973、1986、1987、1990、1991、1991、1993、1998、2000、2002年可能發(fā)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(shù)序列可能發(fā)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(shù)序列可能發(fā)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(shù)序列可能發(fā)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(shù)序列可能發(fā)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(shù)序列可能發(fā)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(shù)序列可能發(fā)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(lián)產(chǎn)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(shù)序列可能發(fā)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(shù)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(shù)，并運用Kriging插值法對不同時期的多年平均年輸沙模數(shù)進行插值,得到年輸沙模數(shù)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(shù)介于 32.2～416.0 t/km2，多年平均年輸沙模數(shù)均值為191 t/km2，最大值出現(xiàn)在紅水河，最小值出現(xiàn)在富群水；20世紀70年代，各河流輸沙模數(shù)介于60.3～493.0 t/km2，多年平均年輸沙模數(shù)均值為223 t/km2，最大值出現(xiàn)在北流河，最小值出現(xiàn)在清水河；20世紀80年代，各河流多年平均輸沙模數(shù)介于21.8～579.0 t/km2，多年平均年輸沙模數(shù)均值為199 t/km2，最大值出現(xiàn)在紅水河，最小值出現(xiàn)在桂江；20世紀90年代，各河流輸沙模數(shù)介于34.8～530.0 t/km2，多年平均年輸沙模數(shù)均值為197 t/km2，最大值出現(xiàn)在紅水河，最小值出現(xiàn)在桂江。2000—2009年各河流輸沙模數(shù)介于42.2～266.0 t/km2，多年平均年輸沙模數(shù)均值為112 t/km2，最大值出現(xiàn)在富群水，最小值出現(xiàn)在清水河。1960—2014年各河流輸沙模數(shù)介于50.5～395.0 t/km2，多年平均年輸沙模數(shù)均值為178 t/km2，最大值出現(xiàn)在紅水河，最小值出現(xiàn)在清水河。

圖3 多年年輸沙模數(shù)空間分布

西江流域年均輸沙模數(shù)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(xù)下降，年均輸沙模數(shù)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(nèi)，不同河流的年輸沙模數(shù)也不同。紅水河和北流河多年平均輸沙模數(shù)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(shù)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(shù)達400 t/km2左右，北流河、右江、柳江多年平均輸沙模數(shù)在300 t/km2左右，西江干流、蒙江、左江多年平均輸沙模數(shù)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(shù)在100 t/km2左右，清水河、賀江、桂江多年平均輸沙模數(shù)最低，為50 t/km2左右；20世紀70年代，西江流域多年輸沙模數(shù)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(shù)達470 t/km2左右，恭城河多年平均輸沙模數(shù)在330 t/km2左右，西江干流、右江、柳江多年平均輸沙模數(shù)在250 t/km2左右，蒙江、左江和桂江多年平均輸沙模數(shù)在190 t/km2左右，郁江、荔浦河和富群水多年平均輸沙模數(shù)在150 t/km2左右，刁江、清水河和賀江多年平均輸沙模數(shù)最低，為70 t/km2左右；20世紀80年代，西江流域多年輸沙模數(shù)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(shù)達550 t/km2左右，北流河多年平均輸沙模數(shù)達450 t/km2左右，柳江多年平均輸沙模數(shù)在320 t/km2左右，右江、西江干流多年平均輸沙模數(shù)在200 t/km2左右，左江、恭城河、蒙江多年平均輸沙模數(shù)在150 t/km2左右，刁江、郁江、桂江和富群水多年平均輸沙模數(shù)在100 t/km2左右，清水河、荔浦河、賀江多年平均輸沙模數(shù)最低，為50 t/km2左右；20世紀90年代，西江流域多年輸沙模數(shù)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(shù)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(shù)達300 t/km2左右，柳江、西江干流和左江多年平均輸沙模數(shù)在200 t/km2左右，郁江、桂江、荔浦河、蒙江多年平均輸沙模數(shù)在150 t/km2左右，賀江、富群水多年平均輸沙模數(shù)在100 t/km2左右，清水河多年平均輸沙模數(shù)最低，為60 t/km2左右；2000—2009年，西江流域多年輸沙模數(shù)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(shù)達260 t/km2左右，紅水河、蒙江多年平均輸沙模數(shù)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(shù)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(shù)在80 t/km2左右，清水河多年平均輸沙模數(shù)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(shù)大，清水河、潯江、桂江和賀江多年平均年輸沙模數(shù)小，小值區(qū)都小于130 t/km2，而大值區(qū)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(shù)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(shù)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(shù)大于中下游的多年平均輸沙模數(shù)，但是小值區(qū)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(shù)大，與前人研究長江上游和撫河流域的年輸沙模數(shù)空間分布結論一致。

3.2 年輸沙模數(shù)趨勢空間分布

考慮到不同地區(qū)年輸沙模數(shù)趨勢差異巨大，運用Kriging插值法對年輸沙模數(shù)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(shù)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(qū)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(shù)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(shù)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(shù)的變化。降水時間、數(shù)量、強度和氣溫的變化等自然因素直接影響輸沙模數(shù)變化；影響西江輸沙模數(shù)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(shù)變化影響的方法。輸沙模數(shù)與徑流量有密切關系，點繪累積年輸沙模數(shù)與累積年徑流量的關系線，若輸沙模數(shù)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(fā)生偏轉(zhuǎn)，則表明人類活動對年輸沙模數(shù)產(chǎn)生了影響。繪制了代表站的年輸沙模數(shù)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(shù)-年徑流量雙累積曲線在1977年向左發(fā)生偏轉(zhuǎn)，年輸沙模數(shù)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(shù)-年徑流量雙累積曲線在1997年向右發(fā)生偏轉(zhuǎn)，年輸沙模數(shù)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(shù)-年徑流量雙累積曲線在2007年向右發(fā)生偏轉(zhuǎn)，年輸沙模數(shù)2007年以后呈減少趨勢，其主要原因是2007年龍灘電站建成發(fā)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(shù)的變化，主要是人類活動影響流域侵蝕產(chǎn)沙的結果。

大湟江口站的年輸沙模數(shù)-年徑流量雙累積曲線在1967、1983年向左發(fā)生偏轉(zhuǎn)，大湟江口站的年輸沙模數(shù)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(shù)-年徑流量雙累積曲線在1994年向右發(fā)生偏轉(zhuǎn)，大湟江口站的年輸沙模數(shù)1994年以后呈減少趨勢，1994年馬騮灘電站建成發(fā)揮攔水蓄沙效應是其主要原因；年輸沙模數(shù)-年徑流量雙累積曲線在1997年向右發(fā)生偏轉(zhuǎn)，年輸沙模數(shù)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(shù)-年徑流量雙累積曲線在2002年向右發(fā)生偏轉(zhuǎn)，大湟江口站的年輸沙模數(shù)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(shù)的變化，主要是人類活動影響流域侵蝕產(chǎn)沙的結果。

梧州站的年輸沙模數(shù)-年徑流量雙累積曲線在1967年向左發(fā)生偏轉(zhuǎn)，年輸沙模數(shù)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(shù)-年徑流量雙累積曲線在1994年向右發(fā)生偏轉(zhuǎn)，年輸沙模數(shù)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(shù)-年徑流量雙累積曲線在1997年向右發(fā)生偏轉(zhuǎn)，梧州站的年輸沙模數(shù)1997年以后呈減少趨勢，其主要原因是1997年京南電站建成發(fā)揮攔水蓄沙效應；年輸沙模數(shù)-年徑流量雙累積曲線在2006年向右發(fā)生偏轉(zhuǎn)，梧州站的年輸沙模數(shù)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(fā)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(shù)的變化，主要是人類活動影響流域侵蝕產(chǎn)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(shù)回歸方程(表3)，得到代表站躍變年后的年輸沙模數(shù)。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(jù)突變分析結果，天峨站和大湟江口站在1997年發(fā)生顯著性突變，梧州站在1994年發(fā)生顯著性突變，顯著性突變發(fā)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(fā)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(shù)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(shù)減少的主導因素。降水變化對輸沙模數(shù)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(shù)回歸方程

表4 氣候與人類活動對年輸沙模數(shù)變化的影響

5 結論

對1960—2014年西江流域輸沙模數(shù)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(shù)序列發(fā)生了顯著突變外，其余站點沒有發(fā)生顯著突變。

b)西江流域年均輸沙模數(shù)在20世紀60—70年代上升，但在80年代又持續(xù)下降；紅水河和北流河多年平均輸沙模數(shù)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(shù)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?。灰话闱闆r下西江流域上游多年平均輸沙模數(shù)大于中下游的多年平均輸沙模數(shù)。

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(qū)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(shù)的變化，主要是人類活動影響流域侵蝕產(chǎn)沙的結果。

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