西江马口水文站水沙演变规律分析

2012-11-25黄伟民

水科学与工程技术 2012年1期

黄伟民

（广东省水文局马口水文站，广东佛山528132）

珠江流域由西江、东江、北江、三角洲诸河4大水系组成。西江发源于云南省曲靖市沾益县境内的马雄山，横跨云南、贵州、广西、广东4省区，自西北向东南流至广东省佛山市三水区思贤滘进入珠江三角洲，在珠江三角洲汇集北江、东江后，分别从虎门、洪奇门、蕉门、横门、磨刀门、鸡啼门、虎跳门、崖门八大口门注入南海，全长2214km。

马口水文站是西江干流水道汇入珠江三角洲河口区的一个重要控制站，位于西江干流水道、著名的思贤滘下游约5km处，同时受西江、北江上游来水、来沙的影响，流域概况见图1。

图1 流域概况图

据马口水文站观测资料统计，1954—2010年多年平均年含沙量为0.281kg/m3，多年平均输沙量为6152万t，多年平均输沙率为1317kg/s。西江是广东各河流含沙量最大的河流。

1 泥沙的主要来源

据有关资料分析发现，西江各主要河流年平均产沙量（输沙模数）最大的是北盘江，达到1400t/km2；其次是黄坭河、罗定江、红水河、北流河，输沙模数在376～510t/km2；再次是南盘江、蒙江，输沙模数在256～321t/km2；最后是西江干流、绥江、洛清江、北江、桂江、贺江、郁江、柳江等，输沙模数为116～198t/km2。

研究发现，珠江多年平均输沙量约为7700万t，其中西江占80.3%，北江占8.5%，而东江仅占3.2%。西江泥沙又主要来源于浔江，占86.5%，其次为北流河，占5.2%，再次是桂江和罗定江，最小是蒙江，仅占1.0%。浔江的泥沙主要来源于红水河，占73.5%，其次为郁江，占15.1%，最小为柳江，占11.4%。而红水河的泥沙主要来源于北盘江和南盘江，分别占48.2%和42.8%，另一支流蒙江仅占9.0%。

西江干流河段的泥沙主要来源于南、北盘江，占46.1%；其次为郁江，占17.7%；再次为柳江，占13.3%；最小为广西境内的蒙江，仅占1.3%。

综合上述的分析及上游到马口站来水来沙的实际运行区间，可以确定本站泥沙测验影响最大的主要产沙区应该属于浔江、北流河、桂江、罗定江与北江等。

为了研究马口站悬移质泥沙的变化，我们收集了马口站近40a的水沙资料。

2 输沙量的时空分布特性及粒径变化

2.1 泥沙年内分配

泥沙年内分配与水量分配密切相关。图2为马口水文站1970—2010年月平均流量和输沙率年内分布图。从图2可以看出，月平均输沙率与月平均流量的变化基本一致。但泥沙年内分布极不均匀。对于径流量，汛期4—10月占全年67.6%～83.5%，主汛期6—9月为45.5%～62.5%；对于输沙量，汛期4—10月占全年86.9%以上，主汛期6—9月占全年69.1%以上。说明西江的泥沙主要来自汛期4—10月，其中又主要来自于主汛期6—9月。

图2 马口1970—2010年多年水沙逐月平均过程线

将年内月均输沙率与月均流量绘制成相关图，如图3。从图中可以看出，相关点分布比较集中，对两组变量进行分析，相关系数为0.928。

图3 马口1960—2000年年内各月水沙相关图

2.2 年际变化规律

2.2.1 上下游（邻站）年际变化参数对照分析

表1列出西江流域主要河流水文控制站径流量、输沙量、含沙量均值和变差系数Cv。从表中可以看出，马口站年输沙量偏差系数Cv为0.46，年径流量Cv为0.18。与上游站的Cv系数基本一致。

表1 西江流域主要河流水文控制站各水文要素均值和变差系数

2.2.2 上下游（邻站）年际变化与径流量关系的对照分析

总体分析，径流量越大，年输沙量也越大；反之，径流量越小，年输沙量也越小。图4为西江干流马口站历年径流量与输沙量变化图。从图4与表2上可以看出，西江流域上下游各站径流量和输沙量的变化大体上相对应。

图4 马口站1981—2010年径流量与年输沙量变化过程线

表2 2001—2005年西江主要控制站水沙特征值与多年均值比较

从表2可以看出，2001—2005年期间，虽然所有控制站的径流量都偏少，除南宁站外的其余站输沙量、含沙量也都偏少，但泥沙的指标却比水量指标要减少得多，如迁江、大湟江口、梧州、马口等西江干流站，径流量减少在11%以下，而输沙量减少却达28.8%～78.6%，含沙量减少达44.7%～76.1%，表明西江干流的泥沙在2001年以来有明显减少的趋势。

图4为西江马口站历年径流量与输沙量变化图。从图中可以看出，马口站年径流量和年输沙量趋势线为下降直线，年输沙量趋势明显大于年径流量趋势，表明马口站年径流量和年输沙量均呈下降趋势，且年输沙量减小速率明显大于年径流量减小速率。由图4可以看出，马口站径流量和输沙量的变化趋势在1991年前后发生显著变化。1991年以前，年输沙量与年径流量过程较一致，1991年以后，年输沙量与年径流量形成了一个明显的喇叭口——年径流量处在喇叭口的上方，年输沙量则处在喇叭口的下方；而且年输沙量下降的趋势非常明显。

2.2.3 单站含沙量年际变化分析

图5为马口站1981—2010年年平均含沙量及年最大单位含沙量过程线图。由图5可以看出，1999年以前，年最大值突出明显，1999年以后趋于缓和。但年平均含沙量与年最大含沙量整体上都处于下降趋势。

图5 马口站1981—2010年年平均及年最大单位含沙量过程线

2.2.4 单站悬移质泥沙颗粒级配分析

泥沙特性不仅包括泥沙的数量，还包括泥沙的质量，即泥沙的粒径组成：矿物成分和化学成分等。泥沙粒径特征，是决定水流挟沙能力及对中下游河道冲、积变化的重要因子。因此，泥沙粒径变化的研究具有重要意义。

抽取马口站1999年、2005—2010年测洪峰流量相应的悬移质泥沙颗粒分析级配，对泥沙的粒径进行分析研究。其中1999年以前使用移液法筛分法进行研究，2005年开始通过马尔文MS2000激光粒度仪进行悬移质泥沙颗粒级配分析。

由表3 可以看出，1999年洪峰流量为27000m3/s，2005—2010年洪峰流量最大为53200m3/s，最小为28000m3/s。即2005—2010年，每年洪峰流量较1999年大，大者甚至将近一倍之多。但由图6可以清楚地看出，1999年的颗粒级配均比2005—2010年的颗粒大。

表3 1999—2010年实测洪峰流量及相应的最大单位含沙量

图6 1999—2010年洪峰流量相应的悬移质泥沙颗粒分析级配曲线

3 变化影响要素分析

流域水量、土壤、植被、季节等因素影响河流泥沙的形成与大小，人类活动如水利工程建设等与河流泥沙密切相关。结合马口站上游流域地质土壤特性及水文气象特征，对输沙量跳跃原因进行分析，影响最大的因素可能有以下几点：洪水规律变化情况、上游干支流水利工程影响、下游咸潮上溯及海平面上升的影响、水土保持工作的影响，下面进行逐一分析。

3.1 马口历年洪水特性分析

由于洪水期水量大，河流输沙率高于枯水期，对年输沙量的贡献突出，为了分析马口站多年输沙量变化相关因素，重点对马口水文站洪水变化特征进行分析。采用历年洪水总场次和历年洪水总历时两个指标来反映洪水变化特征。

根据马口水文站的河流特性，采用8000m3/s作为洪水衡量流量标准。将1981—2009年洪水特征及输沙量进行统计分析（见图7）发现：①1993年以前，输沙量基本位于洪水总历时的上方；1993年以后，洪水总历时位于输沙量的上方。②输沙量下降趋势明显。

图7 历年洪水特性分析

3.2 水利工程

西北江上游骨干水库包括天生桥一级、龙滩、岩滩、恶滩水电站、百龙滩水电站、大化水电站、桥巩水电站、大藤峡水电站（在建）、长洲坝、百色水库，以及西江支流——北流河的交口电站、蒙江的和平电站、三江电站、桂江的昭平水电站、贺江的合面狮、白垢、都平电站和广东清远飞来峡等，通过红水河、黔江、浔江和郁江支流，经西江汇合后，再与北江调度水量一并进入珠江三角洲，调度水量行程总和超过2000km，总控制面积253.8km2，总库容1.5563亿m3。这些水利工程对马口上游水沙在年内分配起到直接影响作用，并对输沙量有一定程度的削减作用。如西江红水河岩滩水库建成后，下游各控制水文站的平均输沙量都不同程度减少，如红水河迁江站减少了68.5%，浔江大湟江口站减少了40.3%，西江梧州站减少了48.5%，三角洲西江干流水道马口站减少了50.0%。上游蓄水抬高水位，过水断面增大，水流速度减小，挟沙能力降低。水库在发挥蓄水功能时，蓄水沉沙，下泄清水，改变了天然河道中的水沙条件。

3.3 水土保持工作

泥沙减少除受新建梯级水库和下游部分河段采砂的影响外，森林覆盖率也影响着河流泥沙。

西江作为珠江流域最大的支流，自建国后至20世纪七八十年代曾出现过盲目砍伐森林的现象。森林植被严重破坏，水土流失严重。各种成因的水土流失面积近2000km2。广西全省每年人为造成水土流失约占当年治理的25%。20世纪90年代后，在国家政策引导下，经过十几年的整治，群众性的治山治水、开发“四荒”及退耕还林、推广沼气、电、煤气代燃料等面上恢复性治理4800km2。西江上游水土流失得到了较好控制。广西自治区森林覆盖率在1980年约为22%，1990年约为25%，2000年为39.26%，2005年为52.71%。广东省森林覆盖率在1985年为27.7%，2005年为55.9%。改革开放以来两广的森林覆盖率有较大提高，水土保持对河流泥沙的减少有一定作用。

3.4 上游来水减小、海平面上升、下游水位异常壅高等因素导致含沙量减小

据资料统计发现，1981—2002年的平均年径流量为2284亿m3，2003年以后平均年径流量为1941亿m3，减少了15%；1981—2002年，出现年径流量小于2000亿m3的次数只有3次，为13.6%。其中最大值为3042亿m3，最小值为1536亿m3；2003年以后出现年径流量小于2000亿m3的次数有5次，达62%之多，其中最大值为2641亿m3，最小值为1548亿m3；江河水位偏低。另外，观测数据显示，过去100a中海平面升高了12cm。最近几年来，中国全海域海平面都高于常年，其中2006年比常年高71mm。持续干旱、海平面上升等自然条件的影响，导致下游水位壅高。从马口站与甘竹站的实测资料中得知，2011年9月19日开始，两站日平均水位之间的差值已经出现了负值。这再次证明了“珠江三角洲腹部壅高、两头低”的结论。上游来水偏少、下游水位壅高大大削弱了上游来水的挟沙能力，导致含沙量减小。