張亞麗，王棟華，田義超，林俊良，陶 進(jìn)，張 強(qiáng)

(1.北部灣大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，廣西欽州 535011；2.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林 541004；3.北部灣大學(xué)北部灣海洋地理信息資源開發(fā)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西欽州 535011)

入海徑流是指通過河流帶入海洋的沖淡水，入海徑流對(duì)近海區(qū)域的鹽度結(jié)構(gòu)、海水營養(yǎng)元素和沿岸洋流有著較大影響。而隨著入海流域人類活動(dòng)的頻繁，大量高營養(yǎng)鹽的農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活廢水匯入入海徑流，不但會(huì)改變河口、海灣的水文性質(zhì)，還會(huì)影響整個(gè)海陸交互地帶生態(tài)水文過程和海洋生態(tài)環(huán)境[1,2]。近年來，全球變暖改變了氣候系統(tǒng)的熱力和動(dòng)力環(huán)境，不僅影響陸地-大氣系統(tǒng)的能量收支和水循環(huán)過程，而且也對(duì)降水、濕度和徑流等水文要素產(chǎn)生顯著影響[3]。因此，在全球氣候變化加劇及工業(yè)進(jìn)程加快的背景下，研究入海河流徑流的演變趨勢及歸因識(shí)別，對(duì)近海生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有極其重要的意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)亞馬孫河入海流域[4]、印度的熱帶河流流域[5]、美國的密西西比河流域[6]和中國的黃河、長江流域[7,8]等的入海徑流的時(shí)空變化特征和未來變化趨勢進(jìn)行了探討分析，結(jié)果表明多數(shù)入海流域的徑流呈現(xiàn)下降趨勢。而對(duì)于造成入海徑流發(fā)生變化的原因，相關(guān)學(xué)者持有不同觀點(diǎn)。部分學(xué)者認(rèn)為持續(xù)高溫、蒸散發(fā)、暴雨和太陽輻射等氣候因素的變化均對(duì)入海流域的徑流造成不同程度的影響[9,10]。然而Destouni等[11]和王一鳴等[12]認(rèn)為入海流域徑流的變化是對(duì)土地利用覆蓋變化、大壩建設(shè)和運(yùn)營、地下水和地表水抽取、生態(tài)環(huán)境工程建設(shè)等一系列人類活動(dòng)的響應(yīng)?？梢姡饔虻拇笮?、地理位置和地形地貌的不同，引起徑流變化的主導(dǎo)因素不盡相同。為了識(shí)別氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)入海徑流的影響程度，Lv等[13]和Cui等[14]進(jìn)一步將累積量斜率變化率比較法與斷點(diǎn)檢測方法相結(jié)合，定量地計(jì)算人類活動(dòng)和氣象因素對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率。上述研究為合理配置水資源提供了方法和數(shù)據(jù)支撐。就目前而言，對(duì)入海流域徑流關(guān)注的熱點(diǎn)主要集中在較大區(qū)域單個(gè)流域徑流的演變特征及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制，然而對(duì)受氣候變化反應(yīng)更為敏感的獨(dú)注入海的中小流域，其徑流空間分異與蒸散發(fā)和熱帶氣旋影響下的降水存在何種響應(yīng)關(guān)系，缺少深入的認(rèn)識(shí)；尤其是劇烈的氣候變化疊加頻繁的人類活動(dòng)，相鄰獨(dú)注入海流域的徑流個(gè)體演變和整體演變特征存在何種異同，都是有待探討的科學(xué)問題。

廣西北部灣是我國西南地區(qū)出?？谧罱耐ǖ?，同時(shí)該地區(qū)海岸線、淡水、海洋、農(nóng)林和旅游等資源豐富，是國家“一帶一路”倡議的實(shí)施區(qū)域以及西部陸海新通道的建設(shè)區(qū)域[15]。近年來，廣西北部灣經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，自然條件和人類活動(dòng)發(fā)生了巨大的變化，亦對(duì)入海徑流和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了重要影響[16]。雖然部分學(xué)者探討了單個(gè)入海徑流的徑流量和降水的關(guān)系，但是沒有考慮蒸散量對(duì)徑流的影響[17]。相關(guān)學(xué)者對(duì)入海徑流量變化態(tài)勢的分析大多集中在單獨(dú)的入海流域[18]，缺乏從整體上對(duì)廣西北部灣獨(dú)流入海流域的徑流的研究。鑒于此，本文從以下兩個(gè)方面開展研究：①評(píng)估廣西北部灣入海流域徑流深的變化點(diǎn)、發(fā)展演變特征和未來趨勢；②定量分析降水、蒸散發(fā)以及人類活動(dòng)對(duì)入海河流徑流量變化的貢獻(xiàn)率，以期為廣西北部灣入海流域水資源的合理配置、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)(圖1)位于107°20′-110°30′ E，21°00′-23°39′ N，年平均降水量1 500-2 500 mm，年平均氣溫21.5-22.4℃，屬于典型的熱帶、亞熱帶濕熱季風(fēng)氣候，受海洋氣候影響，常年高溫多雨。廣西北部灣水資源豐富，直接獨(dú)注入海的河流眾多，其中流域面積大于1 000 km2的有南流江、大風(fēng)江、欽江、茅嶺江、北侖河[19,20]。本文徑流數(shù)據(jù)來源于茅嶺江流域的黃屋屯、欽江流域的陸屋、大風(fēng)江流域的坡朗坪和南流江常樂站的徑流量，防城江和北侖河徑流深數(shù)據(jù)由水文站推算而來。氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn/)，歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)月數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局(NASA)官網(wǎng)下載的MOD13Q1數(shù)據(jù)集，空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為16 d，最后采用最大合成月數(shù)據(jù)。流域內(nèi)水資源總量和供水量來源于廣西水資源公報(bào)(廣西水利廳官網(wǎng)http://slt.gxzf.gov.cn/zwgk/jbgb/)，潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)根據(jù)氣象數(shù)據(jù)采用彭曼公式計(jì)算獲得。

1.2 方法

1.2.1 入海徑流年際變化特征分析

采用均值、極值比和變差系數(shù)3個(gè)指標(biāo)衡量廣西北部灣入海流域徑流深的變化特征，利用Sen′s趨勢分析法對(duì)徑流序列進(jìn)行趨勢識(shí)別，基于小波分析周期檢驗(yàn)繪制小波方差圖和小波等值線圖，甄別廣西北部灣入海流域的徑流深的周期性特征，并采用滑動(dòng)t檢驗(yàn)和雙累曲線識(shí)別突變年份，依此分段劃分徑流深的時(shí)期?；瑒?dòng)t檢驗(yàn)和小波分析等方法已在許多水文氣候研究中使用，相關(guān)基本原理和方法不再列出，具體計(jì)算過程參考文獻(xiàn)[21,22]?；谒Y源壓力指數(shù)(Water Stress Index,WSI)計(jì)算廣西北部灣入海流域城市水資源壓力指數(shù)的空間分布，具體計(jì)算參照文獻(xiàn)[23,24]。

圖1 廣西北部灣獨(dú)注入海流域研究區(qū)[審圖號(hào)：GS(2020)4619號(hào)]Fig.1 Study area of Guangxi Beibu Gulf Basin injected into the sea alone [Map review No.:GS (2020) No.4619]

1.2.2 Hurst指數(shù)

R/S分析法由英國Hurst提出，若0

為了研究廣西北部灣入海流域徑流深的未來變化趨勢的平均循環(huán)周期，構(gòu)建統(tǒng)計(jì)量：

(1)

式中，P(j)表示時(shí)間序列的極差，Σ(j)表示時(shí)間序列的標(biāo)準(zhǔn)差。T(j)能夠識(shí)別長時(shí)間序列是否存在周期循環(huán)的特性。以log(j)為x，T(j)為y，做曲線圖。當(dāng)T(j)隨log(j)發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折時(shí)，說明未來的狀態(tài)從此刻起不再受過去的狀態(tài)影響，那么此刻即為未來變化趨勢的平均循環(huán)周期。

1.2.3 氣候變化及NDVI對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率

王隨繼等[26]提出了累積量斜率變化率比較法，并指出該方法可以用于河流徑流量變化及其影響因素的定量分析。具體計(jì)算步驟：根據(jù)突變檢驗(yàn)結(jié)果，將廣西北部灣入海流域的徑流深劃分為3個(gè)時(shí)期，然后將年份作為自變量，將年累積徑流深、年累積降水、年累積蒸散發(fā)量作為因變量，做一元線性回歸。第一時(shí)期(T1時(shí)期)為研究期的起始年至第一個(gè)突變年(1982-1992年)，第二時(shí)期(T2時(shí)期)為第一個(gè)突變年至第二個(gè)突變年(1993-2002年)，第三時(shí)期(T3時(shí)期)為第二個(gè)突變年至研究期末年(2003-2015年)。T1時(shí)期、T2時(shí)期和T3時(shí)期的年累積徑流深的斜率分別為Ka1、Ka2、Ka3，年累積降水量的斜率分別為Kp1、Kp2、Kp3，年累積蒸散發(fā)分別為Ke1、Ke2、Ke3，其單位均為mm/a。

T2時(shí)期相對(duì)T1時(shí)期，累積降水量、累積蒸散發(fā)及人類活動(dòng)對(duì)累積徑流深斜率的變化率的貢獻(xiàn)率分別為Cp1、Ce1、Cv1，其計(jì)算公式如下:

Cp1=(Kp2-Kp1)/(Ka2-Ka1)×100%，

(2)

Ce1=(Ke2-Ke1)/(Ka2-Ka1)×100%，

(3)

Cv1=100%-Cp1-Ce1。

(4)

T3時(shí)期相對(duì)T2時(shí)期，累積降水量、累積蒸散發(fā)及人類活動(dòng)對(duì)累積徑流深斜率的變化率的貢獻(xiàn)率分別為Cp2、Ce2、Cv2,其計(jì)算公式如下:

Cp2=(Kp3-Kp2)/(Ka3-Ka2)×100%，

(5)

Ce2=(Ke3-Ke2)/(Ka3-Ka2)×100%，

(6)

Cv2=100%-Cp2-Ce2。

(7)

2 結(jié)果與分析

2.1 廣西北部灣入海流域徑流深的時(shí)空特征

由表1可知，廣西北部灣各獨(dú)注入海流域雖然位置比鄰，但徑流深空間分異顯著，徑流深相差較大。入海徑流深較大的是北侖河入海流域和防城江入海流域，多年平均徑流深分別達(dá)到2 115.58 mm和2 105.56 mm；徑流深較小的是茅嶺江入海流域和欽江入海流域，多年平均徑流深分別為703.55 mm和719.33 mm；南流江流域和大風(fēng)江流域的多年平均徑流深分別為744.50 mm和882.61 mm。極值比和變差系數(shù)反映廣西北部灣入海流域徑流量的年際變化幅度，茅嶺江流域徑流極值比和變差系數(shù)最大，分別為5.85和0.44，年際變化大，說明徑流量變化劇烈；北侖河和防城江入海流域徑流深的極值比分別為2.14和2.02，變差系數(shù)分別為0.17和0.21，年際變化較小，說明年際徑流深相對(duì)平穩(wěn)。

表1 廣西北部灣入海流域徑流深及降水特征Table 1 Characteristics of runoff depth and precipitation in Beibu Gulf Basin entering the sea in Guangxi

表2和圖2展示了廣西北部灣入海流域徑流深的時(shí)間演變特征，圖2中趨勢線置信區(qū)間為紅色的代表上升趨勢，趨勢線置信區(qū)間為藍(lán)色的代表下降趨勢。由圖2可知，從變化趨勢上來看，除欽江流域的徑流量呈不顯著增加趨勢外，其余5個(gè)流域的徑流量都表現(xiàn)為減少趨勢。茅嶺江和大風(fēng)江流域入海流域徑流深均呈顯著下降趨勢(P<0.05)。從未來趨勢上來看，未來欽江流域的徑流深有進(jìn)一步增加的趨勢，持續(xù)周期為22 a。而茅嶺江流域、防城江流域和北侖河流域徑流深未來持續(xù)減少，持續(xù)周期分別為22 a、28 a和29 a。大風(fēng)江的徑流深呈下降趨勢，但是持續(xù)的時(shí)間具有不確定性。從突變年份上來看，廣西北部灣入海流域徑流突變的年份比較一致，發(fā)生在1992年和2003年左右，僅茅嶺江流域入海徑流的第二次突變時(shí)間稍遲，為2005年。

2.2 廣西北部灣入海流域徑流深的周期特征

由圖3和圖4可知，欽江流域、南流江流域、大風(fēng)江流域、防城江流域、北侖河流域的徑流深的周期變化存在一致性，歷年年均徑流深演化過程中均存在多時(shí)間尺度特征。具體而言，南流江流域、大風(fēng)江流域、防城江流域、北侖河流域的歷年年均徑流深演化過程中存在2-6 a、7-15 a和16-24 a 3種時(shí)間尺度的周期變化規(guī)律。2-6 a的尺度雖有交替變換表現(xiàn)，但表現(xiàn)偏弱。從大尺度7-15 a分析，徑流深形成3個(gè)高震蕩周期和2個(gè)低震蕩周期，具體來說徑流深在11 a左右的年際變化的震蕩周期最為顯著，其中3個(gè)高震蕩周期分別位于1986-1987年、1997-2002年和2013-2014年，在該時(shí)期內(nèi)呈現(xiàn)出正相位，徑流偏多;2個(gè)低震蕩周期分別位于1991-1993年和2005-2009年，徑流深在該時(shí)期呈現(xiàn)出負(fù)相位，徑流深偏少。而在大尺度16-24 a，主要在1985-2014年較活躍，形成2個(gè)高震蕩周期和1個(gè)低震蕩周期，在20 a左右的年際變化的震蕩周期最為顯著。

表2 廣西北部灣入海流域徑流趨勢性、突變性和持續(xù)性分析Table 2 Analyses on trend，mutability and persistence of runoff in Beibu Gulf Basin entering the sea in Guangxi

(a) Qinjiang River Basin,(b) Nanliu River Basin,(c) Maoling River Basin,(d) Dafeng River Basin,(e) Fangcheng River Basin,(f) Beilun River Basin圖2 廣西北部灣入海流域徑流深趨勢Fig.2 Trend of runoff depth in Beibu Gulf Basin

(a) Qinjiang River Basin,(b) Nanliu River Basin,(c) Maoling River Basin,(d) Dafeng River Basin,(e) Fangcheng River Basin,(f) Beilun River Basin圖3 廣西北部灣入海流域徑流深小波周期圖Fig.3 Wavelet analysis diagram of runoff depth of Beibu Gulf Basin entering the sea in Guangxi

(a) Qinjiang River Basin,(b) Nanliu River Basin,(c) Maoling River Basin,(d) Dafeng River Basin,(e) Fangcheng River Basin,(f) Beilun River Basin圖4 廣西北部灣入海流域徑流深小波方差圖Fig.4 Wavelet variance diagram of runoff depth of Beibu Gulf Basin entering the sea in Guangxi

茅嶺江流域徑流深的周期震蕩變化稍有不同，存在7-24 a和25 a以上兩種時(shí)間尺度的周期變化規(guī)律。7-24 a的長周期震蕩最為明顯，而25 a以上的周期震蕩偏弱，周期性存在局部顯著的尺度特征。具體來說，徑流深在11 a左右年際變化震蕩周期最為顯著，形成了3個(gè)高震蕩周期和2個(gè)低震蕩周期，其中高震蕩周期位于1985-1987年、1999-2002年及2013-2015年，徑流深在該時(shí)期呈現(xiàn)出正相位，徑流偏多；而1989-1995年及2006-2009年，徑流深在該時(shí)期呈現(xiàn)出負(fù)相位，徑流偏少。

2.3 氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)廣西北部灣入海流域徑流深變化的影響

以廣西北部灣各獨(dú)注入海流域的突變年份為界，在時(shí)間序列上分別按3個(gè)時(shí)期(T1時(shí)期、T2時(shí)期和T3時(shí)期)，對(duì)徑流深、降水和蒸散發(fā)進(jìn)行線性擬合,如圖5所示。

提取圖5中斜率的變化量和變化率，結(jié)果見表3。由表3可知，T2時(shí)期相對(duì)于T1時(shí)期，欽江流域徑流深變化率最大，為35.14%，大風(fēng)江域徑流深變化率最小，為4.74%。T3時(shí)期相對(duì)于T2時(shí)期茅嶺江徑流深變化率最大，為-43.82%，欽江流域徑流深變化率最小，為-9.4%。廣西北部灣入海流域累積降水量變化率T2時(shí)期相對(duì)于T1時(shí)期全部為正值，說明降水也呈增加趨勢，而T3時(shí)期相對(duì)于T2時(shí)期全部為負(fù)值，降水呈減少趨勢；T2時(shí)期相對(duì)于T1時(shí)期累積降水量變化率最大的是北侖河流域，為20.97%，最小的是大風(fēng)江流域，為8.63%。累積蒸散發(fā)變化率T2時(shí)期相對(duì)于T1時(shí)期全部為負(fù)值，變化范圍為-3.51%至-0.11%，變化幅度較小，蒸散發(fā)呈減少趨勢；T3時(shí)期相對(duì)于T2時(shí)期全部為正值，變化范圍為1.05%至4.48%，蒸散量呈增加趨勢，增加最大的南流江流域?yàn)?.48%。

總體而言，廣西北部灣入海流域累積徑流深T2時(shí)期相對(duì)于T1時(shí)期變化量全部為正值，入海流域徑流深呈增加態(tài)勢。究其原因，該時(shí)期降水增加，疊加亂砍濫伐導(dǎo)致植被破壞，從而加劇地表徑流。T3時(shí)期相對(duì)于T2時(shí)期斜率的改變量全部為負(fù)值，徑流深呈減少趨勢。究其原因，該時(shí)期植被恢復(fù)導(dǎo)致植被蒸騰量相應(yīng)增加和灌溉工程等人類活動(dòng)的實(shí)施，共同造就了入海流域徑流的減少。

圖5 廣西北部灣入海流域雙累曲線圖Fig.5 Double mass curve of Beibu Gulf Basin entering the sea in Guangxi

表3 累積量斜率變化率計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of cumulant slope change rate

續(xù)表

采用累積量斜率變化率比較法計(jì)算降水、潛在蒸散發(fā)和人類活動(dòng)對(duì)徑流深變化的貢獻(xiàn)率，結(jié)果如圖6所示。分時(shí)期來看，T2時(shí)期相比T1時(shí)期降水對(duì)欽江流域、南流江流域、茅嶺江流域、大風(fēng)江流域、防城江流域以及北侖河流域徑流深變化的貢獻(xiàn)率依次為42.57%、42.99%、66.98%、235.87%、59.73%、133.13%。由此可見，降水是該階段廣西北部灣入海流域徑流深變化的主導(dǎo)因素，其次為人類活動(dòng)，蒸散發(fā)對(duì)徑流深變化的貢獻(xiàn)率有限。T3時(shí)期相對(duì)T2時(shí)期，降水對(duì)欽江流域和北侖河流域的徑流深變化的貢獻(xiàn)率較大，分別為52.88%和66.68%，而人類活動(dòng)對(duì)茅嶺江流域、大風(fēng)江流域和防城江流域的徑流深變化的貢獻(xiàn)率分別為83.72%、86.06%和67.71%，起主導(dǎo)作用。

綜上所述，TI時(shí)期、T2時(shí)期徑流的變化主要由降水導(dǎo)致，但隨著時(shí)間推移，T3時(shí)期人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響作用增強(qiáng)。究其原因，一是T3時(shí)期為2000年之后，生態(tài)工程、灌溉工程等人類活動(dòng)頻繁造成徑流量的削減；二是氣候變化對(duì)徑流有直接影響，降水導(dǎo)致徑流增加，潛在蒸散發(fā)增加導(dǎo)致徑流減少。

(1) represents T2 period relative to T1 period,(2) represents the T3 period relative to T2 period圖6 人類活動(dòng)、降水和潛在蒸散發(fā)對(duì)徑流深變化的貢獻(xiàn)率Fig.6 Contribution rate of human activities,precipitation and potential evapotranspiration to runoff depth variation

3 討論

3.1 廣西北部灣入海流域徑流空間分異

廣西北部灣入海流域地理位置相鄰，但徑流深相差甚大，最大徑流深是最小徑流深的近3倍(表1)，這也與前人的研究基本一致[27]。廣西北部灣地處南海北部，屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候[19]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，平均每年約有5個(gè)熱帶氣旋影響廣西[28]，而登陸的熱帶氣旋通常會(huì)帶來強(qiáng)風(fēng)暴雨、風(fēng)暴潮增水現(xiàn)象[29]。1980-2015年，廣西北部灣海域內(nèi)共有62個(gè)熱帶氣旋在廣西近?；蛘?0°N以北區(qū)域登陸，占廣西北部灣海域總熱帶氣旋數(shù)量的49.2%，其中以越南北部登陸的熱帶氣旋個(gè)數(shù)最多，達(dá)到40個(gè)，占影響廣西近海熱帶氣旋總數(shù)的64.5%[30]。由于廣西沿海港灣眾多，都為半封閉狀態(tài)，并且深入陸域很遠(yuǎn)，但是廣西北部灣海區(qū)尺度小，廣西北侖河和防城江比鄰越南，受越南沿岸反射的回潮波影響較大[19]。防城江流域、北侖河流域受熱帶氣旋和季風(fēng)氣候影響，迎風(fēng)面受十萬大山和六萬大山諸峰抬升形成降水，降水量極大。此外，防城江流域和北侖河流域西北地勢高，山高坡陡高差大，疊加較大的降水量[31]，共同解釋了此二流域徑流深較大的原因。盡管茅嶺江流域、欽州流域以及大風(fēng)江流域降水量較大，但由于這三區(qū)地勢平坦，水流較為緩慢，加上區(qū)域植被覆蓋的改善，植被枯枝落葉層能夠攔截部分降水量，減少地表徑流量。另外，植被根系和土壤的相互作用，提高了土壤孔隙度和水分滲透性，減少了地表徑流量及其流速。南流江徑流深偏低的原因主要是隨著十萬大山山勢的消減和距海漸遠(yuǎn)，降水量亦逐漸減弱，南流江流域的年均降水量較少，僅有其他流域的1/3。而降水是徑流的重要補(bǔ)給[32]，降水量低造就了南流江流域的徑流深較小。可見，廣西北部灣獨(dú)注入海流域雖然比鄰，但入海流域徑流深的空間分異較大，這與入海流域的降水時(shí)空分配不均及地理位置和地形條件密切相關(guān)。

3.2 廣西北部灣入海流域徑流對(duì)人類活動(dòng)的響應(yīng)

徑流深的變化在時(shí)間和空間上是一個(gè)動(dòng)態(tài)演化過程，是自然環(huán)境和人類活動(dòng)共同影響的結(jié)果[33]。氣候變化對(duì)徑流有直接影響，降水導(dǎo)致徑流增加[34]，潛在蒸散發(fā)增加導(dǎo)致徑流減少，這也與本文的研究結(jié)果一致。廣西北部灣入海流域的徑流深演變特點(diǎn)為“下降-增加-下降”，降水的演變特點(diǎn)為“下降-增加-下降”，蒸散發(fā)演變特點(diǎn)為“增加-減少-增加”態(tài)勢(表3)。有研究表明，不同區(qū)域徑流量對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)和貢獻(xiàn)率存在著顯著的不均性[35]。入海流域的土地利用覆蓋變化、退耕還林等生態(tài)環(huán)境工程建設(shè)對(duì)入海流域的徑流深造成不同程度的影響，關(guān)于植被變化對(duì)流域徑流影響的研究方法雖然不同，但是基本取得一致結(jié)論：植被覆蓋率增加是導(dǎo)致地表徑流減少的重要因素[36,37]。2003年起，廣西政府對(duì)重點(diǎn)開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施水土保持監(jiān)測，開展實(shí)施了一系列生態(tài)工程建設(shè)。而此類生態(tài)工程項(xiàng)目的大量實(shí)施，一方面帶來植被蒸騰耗水的增加，另一方面大規(guī)模植被帶來的遮陽、阻風(fēng)作用可以在很大程度上降低林下水土流失[38]。結(jié)合MODIS13Q1植被NDVI的監(jiān)測結(jié)果(圖7，圖8)可知，2000-2015年流域植被NDVI呈現(xiàn)出增加趨勢，增加的速率為0.049/(10 a)，其中北侖河流域和防城江流域總體上呈現(xiàn)輕微改善趨勢，部分區(qū)域處于輕微退化狀態(tài)；欽江流域、茅嶺江流域、大風(fēng)江流域呈顯著改善趨勢，其中顯著改善區(qū)域所占的面積分別達(dá)到60.94%、46.12%、69.47%，而南流江流域的植被呈現(xiàn)中度改善。這也同樣解釋了廣西北部灣入海流域T3時(shí)期徑流深相比T2時(shí)期徑流深有所降低的原因。本研究認(rèn)為植被覆蓋率增加對(duì)徑流有削減作用，這與前人的研究結(jié)論基本一致[38]。國內(nèi)相關(guān)研究表明，有效的生態(tài)恢復(fù)措施和植被工程建設(shè)，是流域徑流減少的關(guān)鍵人為因素[39,40]，這與廣西北部灣入海流域T3時(shí)期(2003-2015年)相對(duì)T2時(shí)期(1992-2002年)徑流減少的原因相符。

圖7 廣西北部灣入海流域植被變化趨勢Fig.7 Vegetation change trend in Beibu Gulf Basin entering the sea in Guangxi

圖8 廣西北部灣入海流域年均NDVI趨勢Fig.8 Annual NDVI trend in Beibu Gulf Basin entering the sea in Guangxi

3.3 廣西北部灣入海流域水資源壓力指數(shù)和水資源利用

廣西北部灣入海流域資源豐富、徑流量較大，徑流量的年際變化極其不均勻，最豐水年(澇年)與最枯水年(旱年)相比，波動(dòng)較大，年際徑流深相差2-5倍(表1)。豐水期洪澇災(zāi)害發(fā)生頻繁，而枯水期干旱缺水形勢嚴(yán)峻。特別是2007年，廣西北部灣入海流域周邊城市2/3水資源壓力達(dá)到高壓力狀態(tài)(水資源壓力指數(shù)WSI>0.4)，水資源嚴(yán)重稀缺(圖9，數(shù)據(jù)來源于廣西水資源公報(bào))，與社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境發(fā)展不協(xié)調(diào)。這與張杰等[41]的研究結(jié)果相一致。因此，建議相關(guān)水利部門對(duì)入海流域河川徑流量進(jìn)行季節(jié)性和年際性調(diào)節(jié)，修建水庫儲(chǔ)蓄水量，以供應(yīng)枯水季節(jié)和枯水年份。

WSI<0.1 refers to low pressure,0.10.4 refers to high pressure圖9 廣西北部灣入海流城市水資源壓力指數(shù)時(shí)空分布Fig.9 Spatial and temporal distribution of water resource pressure index of surrounding cities in Beibu Gulf Basin entering the sea in Guangxi

廣西水資源豐富，從廣西北部灣入海流域水資源空間上來講，徑流深分布趨勢是由東南部向西北部、由土山向石山遞減[42]。然而就廣西北部灣入海流域城市水資源壓力指數(shù)來看，北海、南寧、貴港水資源長期處于中、高壓狀態(tài)，這和年徑流深較大、水資源豐富相矛盾。矛盾的原因主要是廣西北部灣入海流域水資源利用不合理、水資源利用效率不高以及入海流域降水分配不均。這與鐘麗雯等[43]的觀點(diǎn)相一致。疊加冬、夏季風(fēng)交替、巖溶地質(zhì)環(huán)境的影響，顯著影響了廣西水資源的數(shù)量、時(shí)空分布與利用。這種河流水資源時(shí)空分布不均勻性，對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉、航運(yùn)、水力發(fā)電有直接影響，因而建議相關(guān)部門因地制宜調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提升各產(chǎn)業(yè)用水效率。如廣西北部灣入海流域城市地區(qū)應(yīng)調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)。同時(shí)，加強(qiáng)節(jié)水灌溉基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與節(jié)水科技的應(yīng)用，提高農(nóng)業(yè)用水效率。建議北海、南寧、貴港等水資源壓力指數(shù)較大城市的相關(guān)管理部門加大水資源利用相關(guān)科技投入，加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，同時(shí)防控水資源污染與浪費(fèi)現(xiàn)象，全面提升水資源利用效率。

4 結(jié)論

本研究基于廣西北部灣入海流域的氣象資料以及水文監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用小波分析、Hurst指數(shù)等方法分析了廣西北部灣入海流域的時(shí)空演變特征和未來趨勢變化，并且采用累積量斜率變化率定量評(píng)估了人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)徑流變化的影響。結(jié)果如下：

①廣西北部灣入海流域徑流深空間分異較大，北侖河流域和防城江流域多年平均徑流深較大，分別為2 115.58 mm、2 105.56 mm；徑流深較小的是欽江流域和南流江流域，多年平均徑流深分別為719.33 mm、744.50 mm；僅欽江流域徑流深呈不顯著上升趨勢，其余流域均呈下降趨勢。

②廣西北部灣入海流域各流域徑流深的突變年份呈現(xiàn)一致性，在1992年(突變增大)和2003年左右(突變減小)；而茅嶺江流域入海徑流的第二次突變時(shí)間稍遲，為2005年。欽江流域、南流江流域、大風(fēng)江流域、防城江流域、北侖河流域的歷年年均徑流量演化過程中存在2-6 a、7-15 a和16-24 a 3種時(shí)間尺度的周期變化規(guī)律。豐、枯交替變化比較明顯，貫穿整個(gè)時(shí)間序列。

③廣西北部灣入海流域累積徑流深T2時(shí)期相對(duì)于T1時(shí)期的變化量全部為正值，T2時(shí)期徑流深呈增加趨勢；T3時(shí)期相對(duì)于T2時(shí)期的斜率改變量全部為負(fù)值，徑流深呈減少趨勢。

④TI、T2時(shí)期降水是廣西北部灣入海流域徑流變化的主導(dǎo)因素，但隨著時(shí)間推移，T3時(shí)期人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響作用增強(qiáng)，蒸散發(fā)對(duì)徑流的影響較小。

本文對(duì)影響廣西北部灣入海流域的演化及影響因素作了定量研究，但是沒有涉及徑流變化對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的時(shí)間滯后響應(yīng)，以及廣西北部灣入海流域養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)造成下墊面的變化對(duì)徑流的影響有待深入探討。因此，在今后廣西北部灣入海流域的驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究方面，需更加全面地考慮氣候時(shí)滯響應(yīng)，以及下墊面變化對(duì)廣西北部灣入海流域徑流作用機(jī)理，從而更全面地揭示廣西北部灣入海流域徑流深演化的機(jī)制，以期為合理利用水資源的配置以及相關(guān)政策的實(shí)施提供數(shù)據(jù)支撐。另外，GRACE衛(wèi)星廣泛應(yīng)用于冰川、雪地、水庫、地表水、土壤水和地下水的反演[44]，因而，基于GRACE數(shù)據(jù)結(jié)合優(yōu)化算法的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，估算未來廣西北部灣入海流域水資源的變化是下一步研究方向。