甌江汛期和非汛期水沙通量變化規(guī)律

張婉瑩,陸莎莎*,2,夏小明,劉金貴

(1.自然資源部第二海洋研究所,浙江 杭州 310012; 2.自然資源部海洋空間資源管理技術(shù)重點實驗室,浙江 杭州 310012; 3.廣東海洋大學(xué) 海洋與氣象學(xué)院,廣東 湛江 524088)

0 引言

河流入海水沙通量對陸海物質(zhì)循環(huán)具有重要意義,可以表征陸海相互作用。近幾十年,由于氣候和人類活動的影響,許多河流汛期和非汛期的水沙通量發(fā)生了顯著變化[1-3]。水沙通量的變化,一方面會對河勢的穩(wěn)定性、河口區(qū)河床演變產(chǎn)生影響,另一方面會引起流域水資源供需關(guān)系的改變,影響水資源的開發(fā)和利用[4-7]。因此,研究水沙通量在汛期和非汛期的變化,具有十分重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

大量研究表明,氣候變化和人類活動是引起河流水沙通量變化的重要因素[2,8-10]。楊遠(yuǎn)東 等[8]和王渺林 等[9]通過對珠江和長江上游流域徑流量年內(nèi)分配的不均勻性分析認(rèn)為,徑流量受氣候變化和人類活動等多種因素影響,其中,水庫調(diào)節(jié)導(dǎo)致的洪枯季變幅減弱是年內(nèi)分配呈均勻性發(fā)展的主要原因。由于不同流域的氣候和人類活動方式的不同,河流洪枯季的水沙通量呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。周光濤[10]研究呼蘭河春、夏、秋、冬四個季節(jié)徑流量發(fā)現(xiàn),受流域內(nèi)水庫建設(shè)和灌溉的影響,各季節(jié)徑流量均呈下降趨勢。張穎 等[3]研究了50年來贛江汛期和非汛期的水沙變化,發(fā)現(xiàn)徑流量的變化趨勢平穩(wěn),輸沙量呈下降趨勢。吳堯 等[2]分析東江洪枯季的水沙變化發(fā)現(xiàn),徑流量呈現(xiàn)洪季減少、枯季增加的趨勢,輸沙量呈現(xiàn)洪枯季均減少的趨勢,其中輸沙量減少主要與水庫攔截有關(guān)。上述研究主要針對大型河流或其支流進(jìn)行,對于獨流入海的中小型河流的關(guān)注較少。

甌江是浙江省南部一支獨流入海的中型山溪性河流,受降水量的季節(jié)分配和山區(qū)地形的影響,水沙通量具有洪枯懸殊的季節(jié)性特征[11]。近幾十年來,甌江流域的氣候變化日益加劇[12],水庫建設(shè)等人類活動也愈加頻繁[13],在此背景下,摸清甌江流域水沙通量汛期和非汛期的變化規(guī)律,對于流域綜合開發(fā)與治理有重要意義。本文收集了甌江干流主要代表水文站近幾十年的水沙通量觀測資料,采用年內(nèi)分配不均勻系數(shù)、Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計檢驗、雙累積曲線等方法,分析甌江洪枯季水沙通量年內(nèi)分配的不均勻性變化、汛期和非汛期的變化趨勢及其可能原因,為進(jìn)一步研究甌江河床演變以及流域水資源開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

甌江為浙江省第二大河流,全長384 km,流域面積18 000 km2。甌江發(fā)源于鍋帽尖,流經(jīng)龍泉、云和、麗水、青田、永嘉、甌海、鹿城、龍灣等8個縣(市、區(qū)),向東注入溫州灣,為典型的山溪性河流(圖1)。由于河谷地形陡、坡降大,降水匯流快,甌江水沙通量具有隨洪峰暴漲暴跌的特征[14]。同時,受亞熱帶季風(fēng)氣候和臺風(fēng)的影響,甌江流域降水具有明顯的季節(jié)性變化特征,其水沙通量也因此呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)差異[15]。春末夏初期間(4—6月)受夏季風(fēng)向北推進(jìn)的影響,流域內(nèi)陰雨連綿,這一時期稱為梅汛期;夏秋季節(jié)(7—9月)臺風(fēng)活動頻繁,水汽受縱橫交錯的山脈阻擋發(fā)生抬升和匯聚,容易在甌江流域內(nèi)形成暴雨中心,這一時期為臺汛期[15-18]。因此,4—9月是甌江流域的汛期(包含梅汛期和臺汛期兩個汛期),其余月份為非汛期。

近幾十年來甌江流域內(nèi)興建了大量水庫、水電站等水利工程,截至2022年,流域(鶴城站集水區(qū)域)內(nèi)已建有大中型水庫26座(圖1),小型水庫97座。

2 資料與方法

2.1 資料來源

以圩仁站和鶴城站作為甌江干流的代表水文站(圖1),分別收集圩仁站(1950—2005年)、鶴城站(2005—2020年)的月均徑流量數(shù)據(jù),圩仁站(1956—1998年)的月均懸沙通量數(shù)據(jù)。圩仁站建于1947年,于2005年移設(shè)至其上游約7 km的鶴城站,兩站的集水面積差異較小[19],控制了約75%的甌江流域面積。

收集了甌江流域及周邊7個氣象站(圖1)月均降水量數(shù)據(jù)(1960—2019年),數(shù)據(jù)下載自中國國家氣象信息網(wǎng)(http://data.cma.cn/)。

2.2 研究方法

2.2.1 面降水量計算

采用泰森多邊形法[20]計算研究區(qū)的面降水量,根據(jù)氣象站所在位置,將甌江流域劃分為7個單元(圖1),每個單元包含一個氣象站,以各氣象站降水量代表該單元降水量,計算各氣象站集雨區(qū)面積在研究區(qū)總面積的占比,以占比為權(quán)重,與降水量相乘,累加所得的值即為該研究區(qū)的面降水量。

2.2.2 年內(nèi)分配不均勻性分析

對于水沙通量洪枯懸殊的山溪性河流,其汛期和非汛期變化在相當(dāng)大程度上決定了水沙通量年內(nèi)分配的不均勻性(下文簡稱“不均勻性”)[21]。不均勻性可以用年內(nèi)分配不均勻系數(shù)(Cv)表征,Cv值越大,表示水文要素在年內(nèi)各月間的差異越懸殊,即年內(nèi)分配越不均勻。公式如下:

(1)

(2)

(3)

2.2.3 時間序列趨勢分析

降水量、徑流量和輸沙量的時間序列趨勢分析采用Mann-Kendall趨勢檢驗法(M-K)。M-K是分析氣象、水文學(xué)上常用的時間序列趨勢方法[22],Z值為統(tǒng)計檢驗值,Z值為正,代表時間序列呈上升趨勢,反之則呈下降趨勢;p值表征顯著性水平,p<0.05,表示該時間序列變化趨勢具有統(tǒng)計學(xué)意義上的顯著性,Z值和p值的計算過程見文獻(xiàn)[23];β表示序列的變化速率[24],計算公式見文獻(xiàn)[24]。

2.2.4 徑流量-降水量、輸沙量-徑流量的相關(guān)性分析

繪制徑流量-降水量、輸沙量-徑流量的雙累積曲線,分析兩要素的一致性。雙累積曲線是檢查水文要素變化一致性的重要方法[25]:在直角坐標(biāo)系中繪制同期內(nèi)一個變量連續(xù)累積值與另一個變量連續(xù)累積值的關(guān)系曲線,檢驗兩者變化趨勢是否一致,當(dāng)兩個變量關(guān)系一致時,曲線呈線性;當(dāng)一個變量相對于另一個變量突然增大或減少,曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折,出現(xiàn)向上或向下的拐點;曲線斜率的變化代表單位要素量的變化。

3 結(jié)果

3.1 水沙通量的汛期和非汛期分配

甌江入海水沙通量在年內(nèi)分配極不均勻,具有汛期和非汛期差異懸殊的特征。梅汛期(4—6月)和臺汛期(7—9月)是兩個主要的輸水輸沙期,此6個月的徑流量和輸沙量在全年的占比為70%和90%以上。多年月平均值顯示,降水量、徑流量和輸沙量的峰、谷期一致,峰值均出現(xiàn)在6月,谷值均出現(xiàn)在12月(圖2)。

圖2 甌江多年月平均徑流量、輸沙量和降水量

根據(jù)1950—2020年徑流量觀測資料計算,甌江梅汛期(4—6月)的多年平均入海徑流量為838 m3/s,臺汛期(7—9月)為464 m3/s,非汛期(10月—次年3月)為242 m3/s,三個時期的入海徑流量比例大約為3.5∶2∶1,梅汛期是最主要的輸水時期。輸沙量的汛期和非汛期分配情況與徑流量類似。1956—1998年梅汛期(4—6月)的多年平均入海輸沙量為131 kg/s,臺汛期(7—9月)為88 kg/s,非汛期(10月—次年3月)為11 kg/s,三個時段比例大約為12∶8∶1,梅汛期也是甌江最主要的輸沙期。

從甌江徑流量、輸沙量和降水量的年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cv(圖3)來看,Cv的多年平均值為輸沙量>徑流量>降水量,表明輸沙量的變幅比徑流量和降水量大。從變化趨勢看,徑流量的Cv值呈明顯下降趨勢,多年平均減少率為0.005 8,年內(nèi)分配趨于均勻化;而降水量和輸沙量總體變化趨勢平穩(wěn),降水量多年平均減少率為0.002 2,輸沙量多年平均增加率為0.002 2,變幅均只有徑流量的約二分之一,年內(nèi)分配變化不大。

圖3 甌江徑流量、輸沙量和降水量年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cv變化

3.2 水沙通量的汛期和非汛期變化趨勢

甌江全年、梅汛期、臺汛期和非汛期的徑流量變化趨勢見圖4。1950—2020年甌江全年徑流量呈減少趨勢(圖4a),臺汛期徑流量呈增加趨勢(圖4c),但兩者變化趨勢均不顯著;梅汛期徑流量呈減少趨勢,且趨勢顯著(Z=-2.93,p=0.00),年均變化率為 -0.38×108m3/a (β=-0.38,圖4b);非汛期徑流量呈增加趨勢,且趨勢顯著(Z=2.05,p=0.02),年均變化率為0.16×108m3/a(β=0.16,圖4d)。

圖4 1950—2020年甌江徑流量變化趨勢

1956—1998年甌江全年、梅汛期、臺汛期和非汛期的輸沙量變化趨勢(圖5)顯示,全年、梅汛期和臺汛期輸沙量均呈減少趨勢,非汛期呈增加趨勢,其中梅汛期的減少趨勢顯著。輸沙量全年年均變化率為-1.98×107kg/a(β=-1.98,圖5a),梅汛期為降水量變化(圖6)顯示,1960—2019年甌江流域全年、臺汛期和非汛期均呈增加趨勢,其中非汛期的年均變化率為2.11 mm/a(β=2.11),增加趨勢顯著(Z=2.12,p=0.02)。梅汛期降水量呈減少趨勢,但不顯著。

圖5 1956—1998年甌江輸沙量變化趨勢

-1.25×107kg/a(β=-1.25,圖5b),臺汛期為-1.56×107kg/a(β=-1.56,圖5c),非汛期為0.16×107kg/a(β=0.16,圖5d)。

圖6 1960—2019年甌江降水量變化趨勢

4 討論

4.1 甌江流域降水量-徑流量-輸沙量的相關(guān)關(guān)系

降水量是影響河流水沙變化的重要因素,降水量、徑流量、輸沙量三者之間具有一定的相關(guān)關(guān)系。根據(jù)徑流量與降水量的雙累積曲線(圖7)可知,近60年來兩者關(guān)系在梅汛期、臺汛期、非汛期均未發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)。雙累積曲線的斜率在非汛期最小,表明非汛期單位降水量產(chǎn)生的徑流量最小。一方面非汛期時往往降水量少且降水歷時短,另一方面這一時期土壤中含水量相對較低,使得降水時的下滲量較大[20],因此單位降水量下的徑流量低于梅汛期和臺汛期。

圖7 甌江各時期徑流量與降水量雙累積曲線

1956—1998年各時期輸沙量與徑流量的雙累積曲線(圖8)顯示,43年間水沙關(guān)系在臺汛期(1975年)、非汛期(1959年)各發(fā)生了一次明顯突變。臺汛期曲線在1975—1983年發(fā)生明顯右偏,斜率從2.231減少到0.625(圖8b),表明這一時期單位徑流量下產(chǎn)生的輸沙量大幅減少。這一突變可能與1975年8月流域內(nèi)特大洪水導(dǎo)致的土壤侵蝕有關(guān),大洪水致使土壤侵蝕厚度急劇減小,導(dǎo)致之后幾年間的地表土壤抗侵蝕能力增強[11,19]。1983—1998年,雙累積曲線的斜率恢復(fù)至2.142,與1975年前相近,可能是經(jīng)歷約8年的恢復(fù)期后,土壤侵蝕層基本恢復(fù),流域輸沙量恢復(fù)到了大洪水之前的水平。非汛期曲線在1959年發(fā)生明顯右偏(圖8c),表明1959年后流域的單位徑流量下產(chǎn)生的輸沙量大幅減少。這一突變可能與1959年2月流域內(nèi)強降水導(dǎo)致的土壤侵蝕有關(guān)。梅汛期雙累積曲線雖然在1975年和1989年略有偏轉(zhuǎn),但是幅度不大,整體未發(fā)生明顯突變,表明水沙關(guān)系較為穩(wěn)定。由于梅汛期的水沙通量較大,可能導(dǎo)致強降水和人類活動等因素影響相對變小。

圖8 甌江各時期輸沙量與徑流量雙累積曲線

4.2 人類活動對水沙通量的影響

自然狀態(tài)下,河流水沙通量的變化受降水量的直接影響,但近年來隨著甌江流域人類活動不斷增強,入海水沙通量受人類活動的影響日趨明顯。宋樂 等[11]研究發(fā)現(xiàn),影響甌江水沙通量的人類活動主要包括森林砍伐、引水調(diào)水工程建設(shè)和修建水利設(shè)施等,其中水庫建設(shè)的影響最大。

水庫的建設(shè)和運行會對河流徑流量的年內(nèi)分配產(chǎn)生較大影響[26]。據(jù)《甌江志》記載,1955—1990年底,圩仁水文站上游共建成大中型水庫13座,總庫容為17.04×108m3,占流域多年平均徑流量的12.11%[13]。其中,1988年建成的緊水灘水庫為流域內(nèi)規(guī)模最大的電站水庫,總庫容為13.93×108m3,占該時段所有水庫總庫容的81.74%[13]?；诖?本文以1988年為界,比較水庫建設(shè)前后甌江汛期和非汛期水沙通量的變化。

比較建庫前后徑流量與降水量的Cv值(表1)可以發(fā)現(xiàn),建庫后徑流量的減幅(-18.7%)明顯大于降水量的減幅(-3.5%),表明建庫后甌江徑流量的年內(nèi)分配向均勻化發(fā)展,即水庫的調(diào)蓄作用使徑流量趨于均勻化。從徑流量的年均值變化來看,建庫后,汛期和非汛期的徑流量均增加(表2),與降水量變化趨勢基本一致(圖6),而其中梅汛期的增加率最低,可能與梅汛期為水庫蓄水的主要時期有關(guān)。

表1 水庫建設(shè)前后降水量與徑流量的Cv值及其變化率

表2 水庫建設(shè)前后梅汛期、臺汛期和非汛期年均徑流量和輸沙量變化

已有研究表明水庫對輸沙量的影響主要為攔沙效應(yīng)導(dǎo)致的輸沙量減少[27]。為了探究水庫在汛期和非汛期不同的攔沙效應(yīng),對比了建庫前后甌江徑流量和輸沙量的變化(表2)。根據(jù)前文研究剔除了1959年和1975年數(shù)據(jù)。從表2來看,建庫后臺汛期和非汛期的輸沙量均增加,而梅汛期的輸沙量減小18.1%,可見梅汛期輸沙量受水庫攔沙效應(yīng)的影響最為顯著,臺汛期和非汛期的影響較小。梅汛期為甌江水庫蓄水的主要時期,水庫蓄水阻礙了泥沙下泄,使得大量泥沙被攔截在庫區(qū),導(dǎo)致輸沙量劇烈減少,這與宋樂 等[11]的研究一致。

5 結(jié)論

甌江為典型的山溪性河流,其水沙通量具有洪枯季懸殊特征?；诋T江干流控制水文站多年水沙觀測資料分析了甌江汛期和非汛期水沙通量的變化規(guī)律,得到以下幾點主要認(rèn)識。

1)在汛期和非汛期的分配上,甌江徑流量、輸沙量與降水量峰谷期一致,峰值均出現(xiàn)在6月,谷值均出現(xiàn)在12月,梅汛期是甌江的主汛期。

2)徑流量和輸沙量的年內(nèi)分配不均勻性不同,輸沙量的變幅明顯大于徑流量。徑流量的不均勻性在1950—2020年間呈顯著下降趨勢,輸沙量的不均勻性在1956—1998年間變化不大。

3)1950—2020年,徑流量在梅汛期呈顯著減少的趨勢,在非汛期呈顯著增加趨勢,在臺汛期呈增加趨勢但趨勢不顯著;1956—1998年,輸沙量在梅汛期呈顯著減少趨勢,在臺汛期和非汛期分別呈現(xiàn)減少和增加趨勢,但均不顯著。

4)臺汛期、非汛期的徑流量-輸沙量關(guān)系分別在1975年、1959年各發(fā)生了一次明顯突變,均可能與流域內(nèi)的強降水有關(guān)。

5)緊水灘水庫的調(diào)蓄和攔沙在一定程度上影響了甌江水沙通量在汛期和非汛期的分配特征,水庫建成后,徑流量表現(xiàn)出更強的均勻化趨勢,輸沙量在梅汛期大幅減少。

致謝浙江省水利廳和麗水市水利局提供了本文所用流量和懸沙通量數(shù)據(jù),在此深表謝意!