漓江流域旱涝拐点研究

2015-04-02郭纯青习丽丽徐宁涛

桂林理工大学学报 2015年1期

黄丹，郭纯青，习丽丽，徐宁涛

(1.桂林理工大学a.广西矿冶与环境科学实验中心;b.环境科学与工程学院，广西桂林 541006;2.辽宁省鞍山水文局，辽宁鞍山114039;3.辽宁省白石水库管理局，辽宁朝阳 122000)

0 引言

漓江起源于兴安、灵川两县交界的猫儿山，流经桂林市区和阳朔县，最后到达平乐县城附近与恭城河交汇。漓江全长214 km，流域面积为12 285 km2[1－2]。漓江的桂林水文站径流特征值为年均径流量41.8 亿m3，最大58.8 亿m3，最小24 亿m3，年均径流深1 510 mm。年均降水量为1 853.7mm，径流系数0.63，径流模数48.2 L/(s·km2)，平均流量为132.6 m3/s。本文中，漓江流域指从兴安至阳朔间的河段，流域面积为5 585 km2[2]。2014年桂林城区有集中供水自来水厂4 座，生产能力44万m3/d[3]，全部以漓江水为水源。

漓江流域的旱涝与桂林旅游业的发展及市区人民的生产和生活息息相关。漓江流域旱涝产生的原因主要有[4－6]:(1)降雨的天数、降雨量时空分布不均等自然因素;(2)漓江流域用水量增加，用水过度;(3)上游水源林遭破坏等人为因素。戴新[7]认为漓江枯水期的水量逐年减少，主要是以下因素造成的:上游修建青狮潭水库后拦蓄了水量;漓江上游的森林受到严重的破坏，蓄水保水的性能减弱;流域的降水量减少;桂林市工业和生活用水量不断增大;河床抬高，河道受损等。然而，陈顺天[8]对枯水期水量逐年减少，水源林破坏对旱涝的影响提出了质疑，根据桂林2 个水文站的实测资料分析，不论是年最小流量或枯水期平均流量，其变化均有明显的周期性，均不存在逐年减少的趋势。

拐点存在于自然和社会一切事物发生、发展、消亡中，它产生于一切事物的发展、变化、演化过程中，存在人类思维变化中。广义上讲，拐点是指事物发展过程中或运行速率发生本质变化的点[9]，是描述变化过程中的扭转点，即从量变到质变的点，从渐变到突变的点。随着“拐点论”在自然科学与社会科学研究中的不断深入，“拐点”涵义也日趋完善。目前“拐点论”在社会科学中的经济、历史等方面取得了较多的研究成果[9－12]，但在自然科学领域，对拐点的研究还相对较少。

本文中拐点分为U 型拐点、倒U 型拐点和反N 型拐点(图1)。U 型拐点中上升拐点为旱涝频率和程度长时间或大幅度增多的点，而U 型减速拐点为旱涝变化减缓点，U 型加速拐点为旱涝增速的点。倒U 型曲线顶点为倒U 型下降拐点，为旱涝频率和程度长时间或大幅度减少的点。倒U 型加速点为旱涝开始加速的点，而倒U 型减速点为旱涝开始减速的点。而反N 型拐点为U 型和倒U型长期积累的结果，即旱涝交替出现的结果。拐点的出现点为洪涝易发点，应该采取有效方法防治旱涝灾害，旱涝的形成都有能量积累到能量释放的拐点过程。对漓江流域旱涝拐点的研究有助于发现发生这些灾害的本质，可以更好地帮助加强提高旱涝灾害的监测、预报、预警和应急能力，进而有效实施防灾减灾工作。

1 降雨与径流变化趋势拐点分析

漓江流域气候属于东亚季风区，气候温和，雨量充沛，属于丰水区。但夏季和冬季分别由不同气流控制，漓江流域降雨年内分配极不均衡，有雨季和旱季之分，降雨量的季节分配不均直接影响了河川径流的季节性变化，因而漓江流量也就相应有丰水期和枯水期之分，这也致使河川径流暴涨暴落，洪涝和枯水问题突出。表1为漓江流域多年平均降雨量和流量年内分配情况，漓江枯水期水资源严重短缺，干旱缺水问题突出。根据国际水资源的丰缺标准，漓江流域属于丰水地区[13]。然而，漓江是雨源型河流，受季风气候影响，径流年内分配极不均匀，丰水期和枯水期的流量相差很大。在漓江流域枯水期时，常出现旅游通航中断或部分中断、城市供水告急、水质恶化、生态环境用水受挤占等严重缺水现象，而在丰水期又极易发生洪涝灾害。洪涝灾害不断发生和洪涝急转直接制约了桂林市经济社会的发展。对降雨量和径流量的拐点进行分析，有利于寻找旱涝原因并帮助进行旱涝防御。从表1可见，降雨量月分配与漓江平均流量的月分配基本呈对应关系:漓江丰水期流量比值高于同期降雨比值，高出5.08%;而枯水期流量比值低于同期降雨比值，低5.08%[14]。原因是冬夏两季流域内产流模式不同:夏季多为大暴雨，降雨速度大于下渗速度，降雨转变成径流的效率高;冬季长期干旱，土层干燥，且冬季降雨量少，降雨强度低，降雨转变成径流的效率低。

图1 拐点类型Fig.1 Type of turning points

表1 漓江流域多年平均降雨量和流量年内分配情况Table 1 Average annual rainfall and flow in Lijiang river

如图2和图3所示，漓江月平均流量和流域降雨量从8月末出现倒U 型减速拐点，说明流量下降速度变缓，一直到次年2月底3月初倒U 型加速拐点出现，这段时间降雨量和流量是一年中最少的时间，为漓江流域旱季，其降雨量为370 ～430 mm，仅占全年降雨量的20% ～25%[4－6]。降雨量和流量从9月初开始继续下降，但减少速度变慢直至11月中旬前后出现U 型上升拐点，说明降雨量和流量最低进入谷底，2月春雨开始，流量不断增加，枯季便结束了。降雨量和流量一直不断上升，到5月或6月左右到达下降拐点，这是一年中降雨量和流量最大的点，5、6月这两个月的降雨量为507 ～683 mm，占全年降雨量的35%左右，这一时间是洪涝易发期，在此期间发生洪水数占洪水总数的66%，近100年来洪峰流量达到3 000 m3/s、洪水位超过146 m 危险水位灾害性洪水都发生在6月。从3月末到9月初为漓江流域丰水期，其降雨量为1 100 ～1 400 mm，占全年降雨量的75% ～77%[6]。降雨量和流量的拐点出现时间基本吻合，印证了漓江是一条雨源型河流，径流主要来自于降雨。而出现拐点的时间略有不同是因为丰水期比枯水期降雨量转化为径流量的效率高[4]。

由图4可见，下降拐点出现在1982、1987、1994、1998、2002年，说明在这些年份易发生洪涝;而上升拐点出现在1986、1991、1995、2001年，说明这些年份易发生旱情。这也与历史资料显示吻合，其中1998年发生了洪水位超过146 m 危险水位的灾害性洪水。

图2 漓江流域流量拐点Fig.2 Turning points of flow in Lijiang river basin

图3 漓江月降雨量拐点分布Fig.3 Turning points of monthly rainfall in Lijiang river basin

图4 漓江流域平均流量拐点Fig.4 Turning points of the average flow rate in Lijiang river basin

1.1 降雨变化拐点分析

降雨对漓江流域的旱涝作用很大。从漓江流域1957—2006年历年平均降雨量变化曲线(图5)可知，降雨量有上升的趋势，但上升趋势不十分明显。采用有序聚类法[15]对漓江流域的年降雨量序列进行拐点分析，由图6可知，当τ =36 时，离差平方和Sn(τ)最小，由此得出漓江流域降雨量拐点在1991年。

图5 漓江流域年降雨量变化曲线Fig.5 Changing curve of the annual average flow in Lijiang river basin

图6 漓江流域降雨拐点分析Fig.6 Turning points of rainfall in Lijiang river basin

1.2 年平均流量变化趋势及突变分析

图7为漓江流域年平均流量变化曲线(1958—2003)，其上升趋势并不明显。用有序聚类法对年平均流量序列进行拐点分析，得到漓江流域年平均流量拐点分析图。由图8可知，当τ =34 时，离差平方和最小，由此得年平均流量最为突出的拐点在1991年。年平均流量的突变点位置与年降水量的突变点位置都在1991年，而青狮潭水库对漓江补水(一期)工程从1986年开工建设，至1990年完工，这与1991年比较接近，说明造成漓江桂林水文站径流变异的主要因素是降水突变等气候变化，同时人类活动对漓江径流序列的突变影响也比较大。

图7 漓江流域年平均流量变化曲线Fig.7 Changing curve of the annual average flow in Lijiang river basin

图8 漓江流域年平均流量拐点分析Fig.8 Turning points of the annual average flow in Lijiang river basin

1.3 最枯月平均流量变化趋势及突变分析

图9为漓江流域最枯月平均流量变化曲线(1958—2003)，用有序聚类法对最枯月平均流量进行拐点分析，从图10可知，当τ=46 时，离差平方和Sn(τ)最小，因此漓江流域最枯月平均流量拐点出现在1987年，处于青狮潭水库对漓江补水(一期)工程施工阶段，最枯月平均流量拐点与降雨量和径流量的拐点1991年接近但并不完全同步。这是由于最枯月平均流量不仅受降雨量控制，更可能是由于青狮潭水库的修建蓄水所引起的。

图9 漓江流域最枯月平均流量变化曲线Fig.9 Changing curve of the estimated monthly average flow in Lijiang river basin

图10 漓江流域最枯月平均流量拐点分析Fig.10 Turning points of the estimated monthly average flow in Lijiang river basin

通过对研究区的洪枯水特征进行分析，统计发现漓江流域的多年平均月降雨量与桂林水文站的多年平均月径流量大致呈现同步增长和降低趋势，一般9月至翌年2月为研究区的枯水期;根据桂林水文站1936—2003年间的67 场洪水统计分析，年最大洪水主要发生在4—7月份，以5—6月份最多，灾害性洪水则集中发生于6月份。

2 漓江流域植被覆盖的拐点分析

森林在漓江流域水循环中作用很重大，虽然漓江流域的森林覆盖率比较高，但是水源林所占比例却仅为整个森林的30%，且质量较差。漓江流域植被平均蓄积量仅为44.1 m3/hm2，远远低于全国平均值90 m3/hm2。杨永德等利用GIS 对漓江流域TM/ETM + 影像监督分类结果作出测量[16]，结果见表2。

表2 不同生态区监督分类统计Table 2 Classification of different patterns

图11 漓江源头水源林面积拐点Fig.11 Turning point of ecosystem areas at the source of Lijiang river

由图11可见，漓江水源林区的面积在最近几十年里的变化趋势是先增多再减少，拐点出现在1998年前后。漓江水源林区的面积从1986年的1 584 km2减少到2002年的1 222 km2，面积总量减少约22.8%，表明了漓江源生态环境在退化[16－17]，而造成这种退化的时间主要是从1998年以后。邓世宗等[18]认为，30年内水源林蓄积量总共下降了30%多，水源林受到严重的破坏，涵养水源功能急剧减弱。因此必须保护好漓江上游现有的森林，尤其是常绿阔叶林，计算得到增加2.65 ×104hm2常绿阔叶林，使其覆盖率达32.95%，使森林覆盖率达到60.4%，漓江枯水期各月流量就可以增加4 m3/s，枯水期就可能从现在的6 个多月缩短为2 个月甚至2 个月以下[18]，这样就可以大大缓解漓江枯水期的干旱问题。

由于乱砍滥伐，近30年来漓江水源林破坏严重，林区的面积也急剧减少，水源林的减少导致漓江流域蓄水保土的性能减弱，水位流量也发生了变化。以猫儿山林区的社水河为例:2002年的正常流量仅为0.7 m3/s，只相当于1995年以前枯水期的流量，而现在枯水期流量只有0.3 m3/s，导致河水显著减少的一个重要原因就是乱砍滥伐，使得森林的固土保水、维护生态环境的功能减弱[19－20]。

3 漓江流域最小生态需水量拐点分析

漓江流域虽然水资源丰富，但其时间和空间分布却极为不均匀，导致漓江流域枯季水资源紧张，加之在以前的水资源配置中对生态需水的考虑并不全面，使得生态用水被挤占，这也导致了河流生态系统功能有一定的受损。基于此，对漓江流域旱涝的研究离不开对漓江流域生态需水量进行研究。Covic[21]在1993年提出生态需水量的定义，即保证恢复和维持生态系统健康发展所需要的水量。对漓江桂林站1958—2003年径流量进行统计，月天然径流量排序结果如表3。

表3 漓江排序过后的天然径流量Table 3 Natural runoff in Lijiang river basin after sortingm3/s

研究表明，10%的河道流量是最低下限，如果河道流量低于10%，则河流生态系统健康得不到保障，河流的生态环境就会遭到破坏[22]。因此，采用改进后的月保证率设定法计算漓江生态需水量[23]。

设i 保证率下第j月的某一推荐流量等级(k)的河道生态需水量为Qi，j，k，根据月保证率设定法其公式为

式中:Ri，j表示i 保证率下第j月的月径流量;Ri，ave表示i 保证率下的年平均径流量;Wk为某一推荐流量等级(k)所采用的年平均径流量比例。用式(1)计算得到的不同保证率下的逐月河道生态需水量，可能会出现最小生态需水量小于月平均径流量10% 的情况，因此在这种情况下需依照下式进行修正[23]

式中:Rave，j表示多年平均第j月的月径流量;Rave，ave表示多年平均年径流量。

根据式(2)计算出漓江不同保证率下最小生态需水量，由图12可以看出，在10月到来年3月的枯水期，保证率越高，最小生态需水量越少;而在3月份出现的拐点和8月份出现拐点之间，保证率对最小生态需水量的影响较少，说明河流径流量的年际变化对生态需水量的影响在枯水季节表现的比丰水季节明显。对比漓江月平均流量(图13)，生态需水量拐点出现的时间和月平均流量的时间基本一致，说明月平均流量对生态需水量的影响较大，而河流径流量的年际波动对河流最小生态需水量影响却较小。因此，河流生态最小需水量是维持河流生态系统稳定和发展的刚性需求。

图12 漓江同保证率年份逐月生态需水量(最小)Fig.12 Monthly ecological flow requirements in Lijiang river basin under different guaranteed rates

图13 漓江月平均流量(1976—2003年)Fig.13 Average monthly flow in Lijiang river

4 结束语

根据大量数据对漓江降雨量、植被变化和生态需水量与漓江径流量间的关系进行了分析。在分析结果图中出现了大量的拐点:其中漓江月平均流量与降雨量拐点重合说明漓江是一条雨源性河流，其径流量主要受降雨影响;漓江年平均流量、最小流量与最枯月平均流量的拐点，其径流变异的主要因素除降水突变等气候变化，人类活动对漓江径流序列的突变影响也比较大;植被覆盖率倒U 型拐点的出现，说明近些年植被破坏严重也是漓江旱涝的一个主要原因;生态需水量拐点出现的时间和月平均流量的时间基本一致，这说明月平均流量对生态需水量的影响远远大于河流径流量的年际波动的影响。

通过分析印证了漓江旱涝出现与降雨和径流的分布不均，与补给区植被覆盖率和流域生态需水量的增加有关。漓江流域已不是一个纯自然系统，而是一个自然界与人类社会相互影响的复合系统。这个系统不仅服从于自然规律，受自然规律的影响，同时还受社会规律和经济规律的影响，而且来自人类的影响越来越大，人类很多的行为也成为引发漓江旱涝的一个重要原因。近年来通过修建水库蓄水、植树造林等方法对旱涝起到一定的缓和作用。要想减少漓江流域旱涝带来的灾害，必须科学的规划漓江流域的水资源，做到科学的可持续发展。

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