南渡江水沙變化特征及其趨勢分析

林尤文，于 淼，朱麗蓉，葉長青，黃俊霖

(1.海南省水文水資源勘測局，海南 海口 570228；2．海南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，海南 海口 570228；3.海南大學(xué)旅游學(xué)院，海南 ?？?570228)

徑流量和輸沙量是重要的水文參數(shù)，對(duì)河勢穩(wěn)定和河道演變有重大影響，眾多學(xué)者關(guān)于水沙關(guān)系做了有意義的研究[1-3]。楚純潔等[1]主要采用相關(guān)分析、雙累積曲線法、累積距平法、R/S分析、Morlet小波分析等方法對(duì)水沙數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析。對(duì)于水沙量年際改變態(tài)勢，史紅玲等[2]和王小軍等[3]運(yùn)用滑動(dòng)平均法和Mann-Kendall法對(duì)水沙變化進(jìn)行了研究。在研究水沙變化趨勢和跳躍變化等方面，學(xué)者們多采用DMC(雙累積曲線)、Mann-Kendall和小波分析等方法[4-5]。郭鵬等[6]使用斯皮爾曼的層級(jí)相關(guān)檢驗(yàn)方法，線性回歸與滑動(dòng)平均這兩種校驗(yàn)辦法，對(duì)泥沙與徑流改變的態(tài)勢進(jìn)行研究。張曉華等[7]應(yīng)用Mann-Kendall、滑動(dòng)平均等統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)水沙變化態(tài)勢與特點(diǎn)進(jìn)行了研究。對(duì)于形成水沙變化的原因，武榮等[8]認(rèn)為建設(shè)不少保持水土的項(xiàng)目是最為重要的原因；而趙廣舉等[9]指出原因在于人類行為與氣候要素，比如保持水土和降雨等。而胡春宏等[10]則歸究于兩大要素即自然改變與人類行為。前者涵蓋了流域中即降水量與下墊面改變，后者則涵蓋了自然、水庫項(xiàng)目、保持水土工程、采沙與水沙調(diào)制。胡春宏等[10]認(rèn)為倘若較大規(guī)模地提高采砂水平，那么輸沙量會(huì)出現(xiàn)改變，并且導(dǎo)致河道出現(xiàn)問題。然而，中國水沙變化規(guī)律與成因的研究集中于長江、黃河和珠江等大江大河，對(duì)熱帶地區(qū)具有獨(dú)特的地域性的島嶼河流研究還比較少，南渡江流域內(nèi)種植了大量人工橡膠林，植被格局存在明顯的熱帶雨林和人工經(jīng)濟(jì)林相互轉(zhuǎn)化。受到自然影響與人為影響，近年來南渡江流域水沙變化具有新的特點(diǎn)，其變化是否影響南渡江水沙運(yùn)動(dòng)等,一直是社會(huì)各界比較關(guān)心的問題。有必要研究典型流域變化環(huán)境下水沙變化規(guī)律及其影響機(jī)理，為豐富不同流域的徑流泥沙規(guī)律和機(jī)理識(shí)別提供依據(jù)。本文以南渡江干流主要控制站龍?zhí)琳?、支流控制站三灘站的觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了流域水沙變化的特點(diǎn)和趨勢。

1 南渡江水沙基本特性

南渡江河長333.8 km，流域面積7 033.2 km2。整條河流傾斜貫穿，呈現(xiàn)出上低下高的地勢，其源頭是南峰山，并從此流向瓊中、儋縣、茍中，再經(jīng)屯昌流至定安，并匯至?？谑校詈罅飨颦傊莺{[11-12](圖1)。流域涉及人口約226萬，占全省人口近30%。干流建有龍?zhí)了恼荆娣e6 841 km2，占該流域面積的97%，目前，龍?zhí)琳究刂埔陨系貐^(qū)干流1969年已建成大型水庫松濤水庫，總庫容及興利庫容分別為33.45×108、20.83×108m3。龍州河是南渡江最大的支流，河長近99 km，源頭是屯昌縣黃竹嶺山下，流向往南途經(jīng)南呂農(nóng)場，隨即折返至東北方向的定安，并北上流經(jīng)該鎮(zhèn)后，向西行聚于南渡河。龍州河三灘水文測站控制集水面積達(dá)1 178 km2，龍州河三灘站控制以上地區(qū)基本沒有大中型水庫。

圖1 南渡江地理位置

1.1 水沙年際組成

南渡江豐水少沙，龍?zhí)琳径嗄昶骄鶑搅髁繛?6.81×108m3，平均輸沙量為53.12×104t；三灘站的年平均徑流量為12.38×108m3，而平均輸沙量為13.60×104t。南渡江龍?zhí)琳?、三灘站各年代水沙量統(tǒng)計(jì)見表1。三灘站徑流量各年際間沒有明顯的變化，但近期(1998—2000年)沙量有所增多(表1)；而對(duì)于龍?zhí)琳緛碚f，其徑流量也一樣，在年際變化上無改變；可輸沙量自1998—2007年間出現(xiàn)大量的下滑，比較1977—1997年的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)年均減少沙量約33.82×104t。

表1 南渡江水沙地區(qū)組成變化

1.2 水沙年內(nèi)變化

南渡江通常都是汛期才會(huì)出現(xiàn)輸沙和輸水的情況，而全年中特別是6—11月是輸沙量和徑流總量的高峰期，大致有80%～90%的比例，特別是大暴雨、強(qiáng)降水的時(shí)候，其多次的降雨量，比較整個(gè)年度來說，有近30%～40%。根據(jù)龍?zhí)了恼練v史資料，南渡江多年平均月入海徑流量和輸沙量均是典型的單峰型。在輸沙量與徑流總量上，前者的高峰期產(chǎn)生在9月，而后者卻產(chǎn)生在10月，對(duì)比整年總量比例，前者占了25.5%，而后者占34.1%[13]。

1.3 水沙地區(qū)組成

流域水沙主要來源于南渡江干流和龍州河(表1)。龍州河三灘站集水面積占龍?zhí)琳镜?7.2%，但徑流量和輸沙量分別占龍?zhí)琳镜?8.6%和33.1%，輸沙量占比較大。從水沙地區(qū)組成來看，1998—2007年龍州河輸沙量有所增加，三灘站徑流量為10.97×108m3，占龍?zhí)琳镜?0.6%。

2 南渡江主要測站水沙相關(guān)分析

2.1 水沙相關(guān)分析

從南渡江龍?zhí)琳?、三灘站歷年水沙量相關(guān)關(guān)系能夠看出(圖2)，三灘站近段時(shí)間的水沙點(diǎn)，大部分貼近1957—1976年這一區(qū)段，說明近年水沙關(guān)系沒有出現(xiàn)明顯的偏離，與往年水平基本相同；而龍?zhí)琳窘谒诚嚓P(guān)點(diǎn)多數(shù)在相關(guān)線(1956—1976年)下方，說明近段時(shí)間，徑流總量一樣的前提下，相比別的年份，在輸沙量上會(huì)有一定的下降趨勢。

a)龍?zhí)琳?/p>

b)三灘站

2.2 累積水沙量關(guān)系

在研究水文氣象要素長期演變趨勢時(shí)，多位學(xué)者普遍應(yīng)用操作簡單、結(jié)果直觀明顯的雙累積曲線方法(DMC，Double Mass Curve)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。DMC其概念是作為某種關(guān)聯(lián)線，通過某個(gè)直角坐標(biāo)，反映出2個(gè)變量的相關(guān)性，即與它們的累積持續(xù)數(shù)值有關(guān)。對(duì)于某個(gè)相同時(shí)間區(qū)域，倘若數(shù)據(jù)表現(xiàn)出的是正比關(guān)系，則在直角坐標(biāo)中，2個(gè)變量的積累數(shù)值會(huì)是某條直線，而它們的斜率值是某個(gè)占比常數(shù)，即與兩變量所指示的點(diǎn)有關(guān)。倘若產(chǎn)生曲線轉(zhuǎn)折的現(xiàn)象，則其斜率值會(huì)突然擴(kuò)大或者縮小，這代表著水沙改變較顯著。而對(duì)于2個(gè)變量來說，其積累關(guān)聯(lián)性突然變化的時(shí)間，便是斜率突然變化相應(yīng)的年代[14]。

從龍?zhí)琳竞腿秊┱舅沉侩p累積曲線(圖3)可以看出：對(duì)于三灘站，自1967年起，其DMC便與曲線有些脫離，且往徑流總量橫軸靠近，說明泥沙輸送能力大幅度下降，后又恢復(fù)，表明近年來輸沙量增多；龍?zhí)琳倦p累積曲線在1970年后斜率顯著減小，主要靠至徑流總量這個(gè)橫軸，代表著輸沙量自1970年便出現(xiàn)降低的態(tài)勢。

a)龍?zhí)琳?/p>

b)三灘站

3 南渡江水沙變化趨勢初步分析

隨時(shí)間的推移三灘站與龍?zhí)琳緩搅骱湍嗌吵尸F(xiàn)一定的趨勢特征。進(jìn)一步應(yīng)用滑動(dòng)平均與Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)等方法研究水沙變化態(tài)勢。

3.1 Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)

使用Mi作為某些系列的等級(jí)相關(guān)，即年輸沙量或者是徑流總量，在時(shí)間序列等級(jí)相關(guān)上使用Ti表示，而N表示年數(shù)，那么對(duì)于它們間的關(guān)聯(lián)性r，能夠通過如下式子表示[15]：

(1)

a)龍?zhí)琳緩搅髁縉=52，c= 0.274,r=-0.151;輸沙量N=50，c=0.280；r=-0.514。

b)三灘站徑流量N=51，c= 0.277,r=-0.199;輸沙量N=44，c= 0.299；r=0.003。

依照某個(gè)關(guān)系，即|r|>c，能夠推導(dǎo)出在徑流總量上，三灘站有一定的減小趨勢而龍?zhí)琳緞t有輕微減小趨勢，基本保持一致；而在輸沙量上，三灘站無明顯的改變態(tài)勢，龍?zhí)琳緟s有顯著的降低態(tài)勢。

3.2 滑動(dòng)平均法

滑動(dòng)平均法其原理在于：挑選出若干連續(xù)值，其個(gè)數(shù)為2K，又或是多一個(gè)，即2K+1，對(duì)它們進(jìn)行平均值求取，以此再對(duì)Yt這一新序列進(jìn)行求解，由于受平均影響，它們的隨機(jī)變化狀況，相較于之前的情況有所降低，由此讓之前的序列X呈現(xiàn)出一定的變化，即光滑性增強(qiáng)[16]。新序列Yt可表示為：

(2)

假設(shè)選取出某個(gè)恰當(dāng)?shù)臄?shù)值K，讓序列出現(xiàn)均勻的高頻振動(dòng)，沒有特別突出的改變。倘若將K設(shè)定成數(shù)值5，則2K+1等于11，對(duì)于這11個(gè)點(diǎn)來說，選取出其中的中間點(diǎn)，并使用平均數(shù)值來替換，則出現(xiàn)如下公式：

Y6=1/11(Y1+Y2+Y3+Y4+Y5+Y6+Y7+Y8+Y9+Y10+Y11)

(3)

Y7=1/11(Y2+Y3+Y4+Y5+Y6+Y7+Y8+Y9+Y10+Y11+Y12)

(4)

三灘站與龍?zhí)琳?，滑?dòng)平均兩站的徑流總量，且提取11個(gè)年份；而滑動(dòng)平均兩站的輸沙量，則各自提取7年與9年(輸沙量干流站點(diǎn)取9年，支流站點(diǎn)取7年)(圖4)。并且反映出在徑流總量上，前者有一定的降低形勢，而后者則有稍許的縮減態(tài)勢；而在輸沙量上，前者無明顯變化態(tài)勢，而后者縮減態(tài)勢顯著。

a)龍?zhí)琳?/p>

b)三灘站

3.3 線性趨勢的回歸檢驗(yàn)

在時(shí)間序列為線性的條件下，用簡單線性模型表示：R=a0+aT+ε，T為時(shí)間，ε是服從正態(tài)分布的獨(dú)立隨機(jī)變量[15]。

統(tǒng)計(jì)量t=a/Sn服從t分布，顯著水平ɑ在0.05的情況下相應(yīng)臨界值t0.025=1.684：

(5)

如果t大于1.684則表示變量變化趨勢明顯。計(jì)算結(jié)果如下。

a)龍?zhí)琳緩搅髁縜=-0.255 7,Sn=0.284 528 853,t=0.953 7;輸沙量a=-0.953 7,Sn=0.221 678 833,t=1.153 4。

b)三灘站徑流量a=-0.044 4,Sn=0.277 224 236,t=0.16015;輸沙量a=0.044 6,Sn=0.051 123 614,t=0.872 39。

在徑流總量上，三灘站有一定的減小趨勢，而龍?zhí)羷t有稍許的下降態(tài)勢；而在輸沙量上，三灘變化態(tài)勢不明顯，而龍?zhí)料陆祽B(tài)勢顯著。

總之，三灘站與龍?zhí)琳颈憩F(xiàn)出的變化態(tài)勢為：對(duì)于徑流總量來說，三灘和龍?zhí)辽杂邢陆?；?duì)于輸沙量來說，三灘沒有明顯改變，而龍?zhí)劣休^強(qiáng)的下降態(tài)勢。

4 討論

a)徑流變化分析。降水是影響徑流的重要因素。李瑞嫻等[17]根據(jù)雨量站和龍?zhí)琳举Y料，分析得到1956—2007年來降雨量和徑流量均呈下降趨勢，徑流量下降幅度更明顯。眾多研究表明土地覆被變化是流域徑流改變的重要驅(qū)動(dòng)因子。馬榮華等[18]指出海南中部的部分人工植被在人類正向干預(yù)的作用下變成了雨林等，涵養(yǎng)水土的功能比人工植被強(qiáng)。李瑞嫻等[17]指出南渡江流域1982—2006年植被指數(shù)呈上升趨勢，1987年前人類活動(dòng)對(duì)流域下墊面地間接影響加劇了徑流下降的趨勢，2000年后隨流域植被覆蓋率的提高，徑流下降趨勢有所減緩。

b)輸沙量變化分析。在增沙上，有著突出影響的是河底采砂或是伐林，而某些水利項(xiàng)目如水庫等，能夠有效地將水儲(chǔ)存起來，并將沙攔截。南渡江干流1969年建有松濤水庫，而支流龍州河則沒有大型水庫，水庫可以蓄水、積蓄泥沙，這就導(dǎo)致龍?zhí)琳緩搅髁亢洼斏沉坑邢陆第厔荩秊┱据斏沉縿t沒有明顯變化。南渡江流域1982—2006年植被指數(shù)呈上升趨勢，有利于減少輸沙量。另外，河底采砂在一定程度上可以增加輸沙量[15]。目前南渡江流域的河沙資源主要分布在大塘河、龍州河河道內(nèi)，因?yàn)椴缮霸谝欢ǔ潭壬夏茉黾虞斏沉浚瑢?dǎo)致三灘站的輸沙量有所上升。

5 結(jié)論與建議

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)南渡江水沙變化趨勢研究，得出結(jié)果如下。

a)三灘站徑流總量各年際間沒有顯著的變化，但1998—2000年輸沙量增多；龍?zhí)琳驹谀觌H變化上，其徑流總量同樣無明顯改變，但從1998—2007年輸沙量明顯下降，與1977—1997年相比，年均減少沙量約33.82×104t，減少約57.61%。

b)在徑流總量變化趨勢上，三灘站有一定的降低態(tài)勢，龍?zhí)琳緞t有輕微的減少態(tài)勢；在輸沙量上，三灘站基本沒有變化，而龍?zhí)琳緟s有顯著的下降態(tài)勢。

c)影響水沙變化因素中，降水量是徑流量改變的主要原因，流域下墊面變化間接影響加劇了徑流下降的趨勢。而松濤水庫攔沙則是輸沙量減少的重要原因。