罗定江干流输沙量年际变化趋势及跳跃分析

李 辉

(广东省水文局肇庆水文分局， 广东 肇庆 526060)

1 流域概况

罗定江是西江右岸一级支流，发源于信宜市鸡笼山，总集水面积为4 480 km2，干流全长为202 km，河流平均比降为0.829‰，总落差为167.5 m[2]。罗定江干流自源头到西江入河口，沿途接纳大小河流22条。流域的东、南、西三面群山环绕，山峰海拔均超过1 000 m，形成一个三面闭合倾斜的小盆地，所以汇水条件较好，但储水性差。加上盆地并非闭合的岩体，断层裂隙纵横发育，闭合程度较差，中游为剥蚀地貌，以干旱贫瘠的砂质红土丘陵及台地地貌为主，也有部分冲积阶地和岩溶峰林，红土丘陵台地占比重较大，透水性较好，地下水位较低，故流域大部分坡面上野草灌木难以生长，水土流失非常严重，含沙量大[3]。

流域较大的洪水多发生在7—9月份，主要是由台风雨造成，在阳江市或茂名市登陆的台风，经常使罗定江上游地区连续暴雨而形成山洪。暴雨产生的洪水强烈侵蚀流域面上的土壤，并携带大量泥沙，形成高含沙洪水，是罗定江泥沙的主要来源，是满目黄土旱丘、华南地区少有的下垫面状况[4]。

罗定江干流现有4个水文站，1个水位站。其中官良水文站设于罗定江中下游，建于1958年5月，位于郁南县河口镇官良村，是罗定江的控制站，属国家重要水文站，主要测验任务有水位、流量、泥沙、降雨量、蒸发量等，断面以上集水面积为3 164 km2，至河口距离为66 km。该站自1958年开始监测泥沙，是罗定江流域唯一监测泥沙资料的水文站，实测最大年平均输沙率为1985年的117 kg/s，最大年输沙量为1985年的369×104t，多年平均输沙率为39.23 kg/s。

罗定江流域河流及站点分布示意见图1。

图1 罗定江流域示意

2 主要分析方法

2.1 趋势分析方法

1) Spearman秩相关系数法

Spearman秩相关系数法是衡量时间序列变化趋势在统计量上有无显著性的常用方法。其原理是将两因子的样本值从小到大排列位次，以各因子样本值的位次代替实际数据加以运算。秩相关系数公式：

(1)

式中di为变量Xi和Yi的差值；Xi为周期1～n按值从小到大排列的序号；Yi为按时间排列的序号；n为时间。

观察到上述问题，笔者在学校有关部门的支持下，针对高中生如何进行有效的物理纠错这一问题进行了初步的研究，并得出了一些成果，为了验证其可行性，笔者在任教的高三班级中做了初步的尝试，就日常教学感受以及今年高考的情况来看，结果令人欣慰，主要体现在，教学过程中，师生的压力都有所减轻，学生养成了主动纠错的习惯，物理学习的积极性得到了提升，教师能够获得学生学习的真实情况信息，教学效率得到了提高，在最后的高考中，班级的表现也比较喜人.下面，笔者就简要谈谈自己针对上述问题采取了哪些措施.

2) Kendall秩次相关检验法

2.2 跳跃分析方法

1) 有序聚类分析法

以有序分类来推估最可能的突变点τ，其实质是寻求最优二分割点，使同类之间的离差平方和较小而类和类之间的离差平方和较大。对于水文时间序列x1，x2,…,xn，设可能的突变点τ，则突变前后的离差平方和分别为:

(2)

(3)

2) 游程检验法

3 结果与分析

3.1 整体趋势分析

通过对官良站1959—2019年的年输沙量序列，使用Spearman秩相关系数法进行分析，求得rs= -0.612 1，T= -5.844 7，统计量|T|=5.844 7>t0.000 5，通过显著性水平为0.1%的趋势性检验。继续使用Kendall秩相关检验法对年输沙量进行分析，求得k=543，τ= -0.406 6，D(τ)=0.007 7，U=-4.629 2。统计量|U|=4.6292>U0.0005，仍通过显著性水平为0.1%的趋势性检验。

两种方法均表明罗定江干流年输沙量下降趋势显著，Spearman秩相关系数法和Kendall秩相关检验法对官良站年输沙量的检验结果见表1，不同显著性水平的显著性检验临界值表见表2。

表1 官良站年输沙量的检验结果

表2 不同显著性水平的t和u临界值

3.2 跳跃分析

使用有序聚类法对官良站1959—2019年年输沙量序列进行分析计算，得到输沙量Sn(τ)～τ关系示意(见图2)，当Sn(τ)取最小值时的分割点对应的年份最有可能为突变年份。由图2可知，官良站年输沙量的突变点可能为1986年。使用游程检验对年输沙量突变点进行分析，n=61求得k=14，n1=28，n2=33，统计量|U|=4.496 9>u0.000 5，通过显著性水平为0.1%的趋势性检验，证明罗定江干流输沙量在1986年具有显著的跳跃成分，表明罗定江年输沙量序列的一致性可能遭到破坏。

图2 官良站年输沙量Sn(τ)～τ关系示意

3.3 分段趋势分析

将1959—2019年年输沙量按跳跃点分成两段，不同时段的统计结果见表3，年输沙量变化过程见图3，说明突变前后年输沙量的变化趋势与总序列不同。

图3 官良站年输沙量变化过程示意

表3 输沙量不同时段统计结果

1959—1986年，年输沙量呈显著上升趋势，年均输沙量为179.23×104t，是多年平均输沙量的1.45倍。表明该段时间，罗定江流域水土流失现象加剧，河流泥沙含量显著增多。

1987—2019年，输沙量呈不显著下降趋势，且年均输沙量为76.74×104t，仅为多年平均输沙量的62.0%。表明该段时间罗定江流域泥沙含量减少显著。查阅相关资料可知，从1987年开始，当地政府通过以小流域为单元，采取生物措施与工程措施相结合的办法，综合治理水土流失，10多年来共计营造水土保持林18 857.8 hm2，修建大小土石谷坊4 554座，治理水土流失276.48 km2，水土流失治理工作取得阶段性成果，森林覆盖率大幅度提高[11]。从侧面证明了罗定江干流输沙量在1986年突变的原因是当地政府对水土保持的治理，并且治理成果显著。

4 和径流量的对比分析

使用Spearman秩相关系数法和Kendall秩次相关检验法对官良站1959—2019年的年径流量进行趋势分析，求得相关参数分别为：rs=0.066 3，统计量T=0.501 4，和k=957，τ=0.046，统计量U=0.522 7。两种方法均未能通过显著性检验。说明官良站年径流量呈不显著的上升趋势，与年输沙量的变化趋势不同。使用有序聚类法和游程检验对官良站1959—2019年的年径流量进行跳跃分析，发现其年径流量无明显的跳跃成分。

一般来说，在河流泥沙运动中，输沙量与径流量的变化具有趋同性[12]，官良站在1959—2019年共61年中水沙变化趋势并不相同，并且在年径流量增加的情况下年输沙量显著减少，充分说明了罗定江干流泥沙减少的事实。

对官良站1959—2019年的年径流量和年输沙量进行相关分析(见图4)，相关系数仅为0.439 9。表明官良站1959—2019年的年径流量和年输沙量的相关性并不强。考虑到官良站的年输沙量在突变点1986年前后的变化较大，将径流量分成1959—1986年和1986—2019年两段进行趋势分析(见表4)和相关性分析(见图5～图6)，官良站年输沙量和年径流量在不同时段的趋势对比见表5。

图4 1959—2019年官良站年径流量和年输沙量关系示意

表4 输沙量不同时段统计结果

图5 1959—1986年官良站年径流量和年输沙量关系示意

图6 1987—2019年官良站年径流量和年输沙量关系示意

表5 官良站年输沙量和年径流量在不同时段的趋势对比

结果表明：1959—1986年官良站的年径流量和输沙量变化趋势相同，均呈显著上升趋势，且两者相关系数为0.840 9，具有较强的相关性，符合自然河流泥沙运动中大水多沙，小水少沙的一般规律[13]；1987—2019年两者变化趋势相反，年输沙量呈不显著下降趋势，而年径流量呈不显著上升趋势，且两者的相关系数仅为0.368 4，显示很弱的相关性。究其原因，可能是由于在过去30多a中，人类在罗定江流域修建水库、水闸等各种水利工程，对罗定江干流输沙量造成了显著的影响，使输沙量与径流量的变化并不同步。

5 结语

通过对罗定江干流控制站官良水文站1959—2019年的年输沙量和年径流量资料分析，表明：① 罗定江干流输沙量在过去61 a中，整体呈下降趋势，年输沙量变异点为1986年，年径流量并没有明显变异点。说明年输沙量序列一致性可能遭到破坏，在进行水土保持效益评价等水文分析计算中，需要考虑年输沙量序列的一致性；② 1959—1986年，年输沙量呈显著上升趋势，与年径流量的趋势相同，且两者相关性较好；1987—2019年，年输沙量呈不显著下降趋势，与年径流量的趋势不同，且两者相关性较差。从侧面说明了当地政府在1986年前后对罗定江流域水土保持治理的成果显著，并且可能是由于人类在罗定江流域修建水库、水闸等各种水利工程，对罗定江干流输沙量造成了显著的影响，使输沙量与径流量的变化趋势并不同步。