近60年广西西江流域年输沙模数特性分析

朱颖洁

(梧州水文中心，广西 梧州 543002)

河流输沙模数是指一定时段单位流域面积上的输沙量，是径流量大小、流域内地形地貌、地面组成物质、气候、植被盖度和人类活动等影响泥沙的综合结果，是反映流域土壤侵蚀强度和侵蚀产沙强度的重要指标。输沙模数高，表示流域水土流失严重，河道输沙能力大。近年来，水沙变化规律受到越来越多的关注，如韦红波等[1]绘制中国多年平均输沙模数等值线图，分析了中国泥沙输移及淤积的宏观分布规律；李雪梅等[2]对黄河中游多沙粗沙区粗泥沙输沙模数区域分布及产沙量进行研究；师长兴[3]研究长江上游输沙尺度效应；苑振海等[4]建立西台峪小流域实验站年输沙模数与年降水量的相关关系；王巧焕等[5]分析了抚河流域含沙量、输沙量和输沙模数的分布特点；熊亚兰等[6]分析全球气候变化对贵州省输沙模数的影响；胡建军等[7]采用长短系列对比分析法分析黄河粗泥沙集中来源区各水文站长系列(1954—2007年)实测多年平均输沙模数较短系列( 1954—1969年)变化情况，并对长系列输沙模数进行还原；王杰[8]选取输沙模数等指标采用Pettitt检验、有序聚类分析法、Morlet小波分析等方法对河龙区间1956—2015年气象和水文序列进行趋势突变以及周期分析；易灵等[9]从沿程变化、年际变化和年内变化3个方面分析了西江流域干支流径流量和输沙量的时空分布变化；万家全[10]采用Mann-Kendall检验法、5年滑动检验法、累积距平法对西江干流迁江站、大湟江口站、梧州站、高要站年径流量与年输沙量数据进行定量与定性分析，同时使用模拟退火算法进行非线性回归分析，得出西江流域干流年径流量和年输沙量的变化规律。西江上连滇黔，横贯八桂，下接珠江水网直达港澳，与国际海运网对接，是构筑泛珠三角区域经济体系与建设中国—东盟自由贸易区的重要出海动脉，是名副其实的黄金水道。前人对西江流域水沙变化的研究多运用常规方法分析年径流量和年输沙量的变化规律，对年输沙模数特性缺乏系统研究，本文开展西江流域年输沙模数时空演变规律研究，填补了西江流域输沙模数分析的空白，可为研究西江流域侵蚀产沙规律、制定水土保持和水资源利用规划、设计水工程提供基础数据，为黄金水道的建设提供技术支撑。

1 资料与方法

根据西江水系的分布特征和水文站分布情况，研究选取西江流域21个水文站的50余年(1960—2014年)年输沙模数、年径流量和年降水量资料。所有研究资料均摘自水文年鉴，质量可靠。研究选取站点包括不同区域大、中、小流域的控制水文站，具有很强的代表性，能很好地反映西江流域年输沙模数演变特征，研究站点分布见图1。研究运用Mann-Kendall秩次相关检验法[11]和Spearman秩次相关检验法[12]量化分析年输沙模数的趋势成分，并选取代表站绘制年平均输沙模数变化曲线分析西江年输沙模数年际变化的特点；采用Mann-Whitney-Pettitt突变点分析法[13]对年输沙模数进行突变分析，找出其突变点，并通过t检验法检测突变点的真伪性；计算各河段在20 世纪 60—90 年代、2000—2009年和1960—2014年的多年平均输沙模数，并利用Kriging插值法[14]对年输沙模数的均值和趋势等进行空间插值，揭示年输沙模数的空间分布特征；最后，通过绘制双累积曲线和利用水文分析法研究西江流域年输沙模数的变化成因。

图1 研究站点分布示意

2 时间演变特征

2.1 趋势变化

为揭示西江年输沙模数的趋势变化，用Mann-Kendall趋势检验法和Spearman秩次相关检验法诊断其变化趋势，检验结果见表1。若Spearman秩次相关检验统计量|T|与Mann-Kendall趋势检验统计量|U|均大于置信水平为0.05时的相应临界值为趋势明显，否则不明显。由表1可看出：天峨、都安、迁江、武宣、大湟江口、梧州、邹圩、南宁、百色、金鸡站年输沙模数呈显著的下降趋势；贵港、崇左、平乐、恭城站呈不显著的下降趋势；马陇、柳州、桂林、荔浦、富罗、富阳、太平站呈不显著的上升趋势。

表1 年输沙模数趋势检验

为进一步揭示西江年输沙模数年际变化的特点，选取代表站绘制年平均输沙模数变化曲线和5年滑动平均曲线(图2)。选取的代表站为上游的天峨站、中游的大湟江口站和下游的梧州站。

由图2可知，1983年为天峨站、大湟江口站和梧州站年输沙模数最大的年份，其距平值分别为615、232、256 t/km2；2013年为天峨站年输沙模数最小的年份，其距平值为-394 t/km2；2011年为大湟江口站和梧州站年输沙模数最小的年份，其距平值分别为-153、-156 t/km2；天峨站、大湟江口站和梧州站年输沙模数,20世纪60年代年平均值分别为416、200、215 t/km2,20世纪70年代年平均值分别为472、224、240 t/km2,20世纪80年代年平均值分别为579、243、228 t/km2,20世纪90年代年平均值分别为530、189、157 t/km2,2000—2009年平均值分别为175.0、76.6、72.6 t/km2，2010—2014年平均值分别为1.33、37.70、32.20 t/km2。天峨站、大湟江口站和梧州站年输沙模数1960—2014年总体变化的倾向率为-67.8、-33.3、-39.7 t/(km2·10a)，说明天峨站、大湟江口站和梧州站年输沙模数呈明显的下降趋势。

2.2 突变分析

突变现象不仅可揭示系统的本质，而且对于系统的有效调控有很重要作用。采用Mann-Whitney-Pettitt突变点分析法对西江流域21站的年输沙模数序列进行突变检测和判别，以揭示西江年输沙模数变化的突变情况。

从表2可知：①桂林、贵港、马陇、柳州、富阳、荔浦、太平、恭城、富罗、崇左站年输沙模数序列分别在1973、1986、1987、1990、1991、1991、1993、1998、2000、2002年可能发生突变，但是突变点在显著性水平α=0.05下不显著；②平乐站当|Ut,n|达到最大值，1977年平乐站年输沙模数序列可能发生突变，突变点在显著性水平α=0.05下显著；邹圩站当|Ut,n|达到最大值，1981年邹圩站年输沙模数序列可能发生突变，突变点在显著性水平α=0.05下显著；金鸡站当|Ut,n|达到最大值，1986年金鸡站年输沙模数序列可能发生突变，突变点在显著性水平α=0.05下显著；都安站和迁江站当|Ut,n|达到最大值，1991年年输沙模数序列可能发生突变， 突变点在显著性水平α=0.05下显著；梧州站当|Ut,n|达到最大值，1994年梧州站年输沙模数序列可能发生突变，突变点在显著性水平α=0.05下显著；天峨站、武宣站和大湟江口站当|Ut,n|达到最大值，1997年年输沙模数序列可能发生突变， 突变点在显著性水平α=0.05下显著；主要原因是随着家庭联产承包责任制的推广，人们采取各种手段毁林开荒，地表植被破坏使水土流失加剧；③南宁站和百色站当|Ut,n|达到最大值，由此得出2002年年输沙模数序列可能发生突变，突变点在显著性水平α=0.05下显著，主要原因是随着1998年以后全国实施天然林保护工程，水土流失减少。

表2 年输沙模数突变分析

3 水沙空间分布

3.1 平均分布特征

计算各河流在20世纪 60—90 年代、2000—2009年和1960—2014年多年平均输沙模数，并运用Kriging插值法对不同时期的多年平均年输沙模数进行插值,得到年输沙模数空间分布(图3)。从图3可知，流域各河流的输沙变化是不均匀、不同步的；20世纪60年代，各河流多年平均输沙模数介于 32.2～416.0 t/km2，多年平均年输沙模数均值为191 t/km2，最大值出现在红水河，最小值出现在富群水；20世纪70年代，各河流输沙模数介于60.3～493.0 t/km2，多年平均年输沙模数均值为223 t/km2，最大值出现在北流河，最小值出现在清水河；20世纪80年代，各河流多年平均输沙模数介于21.8～579.0 t/km2，多年平均年输沙模数均值为199 t/km2，最大值出现在红水河，最小值出现在桂江；20世纪90年代，各河流输沙模数介于34.8～530.0 t/km2，多年平均年输沙模数均值为197 t/km2，最大值出现在红水河，最小值出现在桂江。2000—2009年各河流输沙模数介于42.2～266.0 t/km2，多年平均年输沙模数均值为112 t/km2，最大值出现在富群水，最小值出现在清水河。1960—2014年各河流输沙模数介于50.5～395.0 t/km2，多年平均年输沙模数均值为178 t/km2，最大值出现在红水河，最小值出现在清水河。

图3 多年年输沙模数空间分布

西江流域年均输沙模数在20世纪60—70年代上升，从60年代的191 t/(km2·a)升至70年代的223 t/(km2·a)，增加了16.8%，增幅最大的是恭城河，增幅高达226.0%，最小增幅在清水河，增幅为0.8%。但在80年代又持续下降，年均输沙模数从80年代的199 t/(km2·a)降至90年代的197 t/(km2·a)、2000—2009年的112 t/(km2·a)，较70年代减幅分别为10.8%、11.7%、49.8%，80年代减幅最大的是桂江，减幅高达83.4%，最小减幅在柳江，减幅为3.2%，90年代减幅最大的是桂江，减幅高达73.6%，最小减幅在郁江，减幅为3.4%，2000—2009年减幅最大的是红水河，减幅高达88.5%，最小减幅在郁江，减幅为8.7%。

同一时期内，不同河流的年输沙模数也不同。红水河和北流河多年平均输沙模数与其他河流相比处于较高水平，而清水河相反。从空间分布来看,20世纪60年代，西江流域多年输沙模数从西部和东部到东北部逐步减小，其中红水河多年平均输沙模数达400 t/km2左右，北流河、右江、柳江多年平均输沙模数在300 t/km2左右，西江干流、蒙江、左江多年平均输沙模数在200 t/km2左右，刁江、郁江、荔浦河、恭城河和富群水多年平均输沙模数在100 t/km2左右，清水河、贺江、桂江多年平均输沙模数最低，为50 t/km2左右；20世纪70年代，西江流域多年输沙模数从外部到中部逐步减小，其中红水河、北流河多年平均输沙模数达470 t/km2左右，恭城河多年平均输沙模数在330 t/km2左右，西江干流、右江、柳江多年平均输沙模数在250 t/km2左右，蒙江、左江和桂江多年平均输沙模数在190 t/km2左右，郁江、荔浦河和富群水多年平均输沙模数在150 t/km2左右，刁江、清水河和贺江多年平均输沙模数最低，为70 t/km2左右；20世纪80年代，西江流域多年输沙模数从西北部和东部到南部和东北部逐步减小，其中红水河多年平均输沙模数达550 t/km2左右，北流河多年平均输沙模数达450 t/km2左右，柳江多年平均输沙模数在320 t/km2左右，右江、西江干流多年平均输沙模数在200 t/km2左右，左江、恭城河、蒙江多年平均输沙模数在150 t/km2左右，刁江、郁江、桂江和富群水多年平均输沙模数在100 t/km2左右，清水河、荔浦河、贺江多年平均输沙模数最低，为50 t/km2左右；20世纪90年代，西江流域多年输沙模数从西北部和东部到中部和东北部逐步减小，其中红水河多年平均输沙模数达500 t/km2左右，右江、刁江、恭城河和北流河多年平均输沙模数达300 t/km2左右，柳江、西江干流和左江多年平均输沙模数在200 t/km2左右，郁江、桂江、荔浦河、蒙江多年平均输沙模数在150 t/km2左右，贺江、富群水多年平均输沙模数在100 t/km2左右，清水河多年平均输沙模数最低，为60 t/km2左右；2000—2009年，西江流域多年输沙模数从东部和西部向北部逐步减小，其中富群水多年平均输沙模数达260 t/km2左右，红水河、蒙江多年平均输沙模数在200 t/km2左右，刁江、柳江、左江、右江、荔浦河、北流河多年平均输沙模数在150 t/km2左右，西江干流、郁江、桂江、恭城河和贺江多年平均输沙模数在80 t/km2左右，清水河多年平均输沙模数最低，为40 t/km2左右；1960—2014年，红水河和北流河多年平均年输沙模数大，清水河、浔江、桂江和贺江多年平均年输沙模数小，小值区都小于130 t/km2，而大值区都大于280 t/km2；西江流域上游(郁江口以上)多年平均输沙模数一般在395～220 t/km2，西江流域中下游(郁江口以下)多年平均输沙模数在50.5～220 t/km2，从而得出一般情况下西江流域上游多年平均输沙模数大于中下游的多年平均输沙模数，但是小值区也存在局部大值斑块，如中下游北流河比外围年平均输沙模数大，与前人研究长江上游和抚河流域的年输沙模数空间分布结论一致。

3.2 年输沙模数趋势空间分布

考虑到不同地区年输沙模数趋势差异巨大，运用Kriging插值法对年输沙模数Mann-Kendall秩次相关检验法趋势分析结果进行插值,得到西江年输沙模数变化趋势空间分布见图4。由图4可知，除刁江、蒙江、桂江上中游呈不显著的上升趋势外，西江流域大部分区域呈减少趋势，从东北部至西南部减少趋势逐渐变小，其中西江干流、郁江、北流河减少趋势显著。

图4 年输沙模数变化趋势空间分布

4 成因分析

选取上游控制站天峨站、中游控制站大湟江口站和下游控制站梧州站，具体分析西江输沙模数变化的原因。

4.1 双累积曲线分析

自然因素和人类活动共同影响输沙模数的变化。降水时间、数量、强度和气温的变化等自然因素直接影响输沙模数变化；影响西江输沙模数变化的主要人类活动有水利工程建设、水土保持措施建设以及河道引水采砂等。双累积曲线法是一种研究气候变化以外的因素对河流输沙模数变化影响的方法。输沙模数与径流量有密切关系，点绘累积年输沙模数与累积年径流量的关系线，若输沙模数的变化只与径流量的变化有关，则二者的关系为一直线；若该直线在某一时间发生偏转，则表明人类活动对年输沙模数产生了影响。绘制了代表站的年输沙模数与年径流量的双累积曲线(图5)。

图5 代表站双累积曲线

红水河天峨站的年输沙模数-年径流量双累积曲线在1977年向左发生偏转，年输沙模数1977年以后呈增加趋势，其主要原因不合理的土地利用、森林砍伐、植被破坏和工程建设所带来的水土流失效应；年输沙模数-年径流量双累积曲线在1997年向右发生偏转，年输沙模数1997年以后呈减少趋势，其主要原因是1997年以后河道采砂严重；年输沙模数-年径流量双累积曲线在2007年向右发生偏转，年输沙模数2007年以后呈减少趋势，其主要原因是2007年龙滩电站建成发挥拦水蓄沙效应；说明在不受降水变化影响的情况下，西江上游红水河年输沙模数的变化，主要是人类活动影响流域侵蚀产沙的结果。

大湟江口站的年输沙模数-年径流量双累积曲线在1967、1983年向左发生偏转，大湟江口站的年输沙模数1967—1983年以后呈增加趋势，其主要原因是1967—1994年西江流域不合理的土地利用、森林砍伐、植被破坏和工程建设所带来的水土流失效应；年输沙模数-年径流量双累积曲线在1994年向右发生偏转，大湟江口站的年输沙模数1994年以后呈减少趋势，1994年马骝滩电站建成发挥拦水蓄沙效应是其主要原因；年输沙模数-年径流量双累积曲线在1997年向右发生偏转，年输沙模数1997年以后呈减少趋势，其主要原因是1997年以后河道采砂严重；年输沙模数-年径流量双累积曲线在2002年向右发生偏转，大湟江口站的年输沙模数2002年以后呈减少趋势，其主要原因是2002年以来水土保持措施的施行和水利工程的拦水蓄沙效应；说明在不受降水变化影响的情况下，西江中游年输沙模数的变化，主要是人类活动影响流域侵蚀产沙的结果。

梧州站的年输沙模数-年径流量双累积曲线在1967年向左发生偏转，年输沙模数1967年以后呈增加趋势，其主要原因是1967年后西江流域不合理的土地利用、森林砍伐、植被破坏和工程建设所带来的水土流失效应；年输沙模数-年径流量双累积曲线在1994年向右发生偏转，年输沙模数1994年以后呈减少趋势，其主要原因是1994年以后河道采砂严重；年输沙模数-年径流量双累积曲线在1997年向右发生偏转，梧州站的年输沙模数1997年以后呈减少趋势，其主要原因是1997年京南电站建成发挥拦水蓄沙效应；年输沙模数-年径流量双累积曲线在2006年向右发生偏转，梧州站的年输沙模数2006年以后呈减少趋势，其主要原因是2006年长洲水利枢纽建成发挥拦水蓄沙效应；说明在不受降水变化影响的情况下，西江下游年输沙模数的变化，主要是人类活动影响流域侵蚀产沙的结果。

4.2 降水变化与人类活动对水沙变化的影响

采用水文分析法建立人类影响少时期的年降水量和年输沙模数回归方程(表3)，得到代表站跃变年后的年输沙模数。不同时段计算值之间的差异，即为降水变化的影响量；同期计算值与实测值之差，即为人类活动减沙量。根据突变分析结果，天峨站和大湟江口站在1997年发生显著性突变，梧州站在1994年发生显著性突变，显著性突变发生前的时期尽管也受人类活动影响，但是人类活动影响不明显，因此将显著性突变发生前的时期作为人类影响少时期，天峨站和大湟江口站人类影响少时期为1960—1996年、梧州站人类影响少时期为1960—1993年。比较而言，年输沙模数与年降水量均呈较好的响应关系，而变化期结果则较差。由表4可知:人类活动是引起西江流域年输沙模数减少的主导因素。降水变化对输沙模数的贡献率为6.3%～12.3%，人类活动的贡献率为87.7%～93.7%。

表3 年输沙模数回归方程

表4 气候与人类活动对年输沙模数变化的影响

5 结论

对1960—2014年西江流域输沙模数时间和空间特征进行了研究，主要结论如下。

a)除平乐站、邹圩站、金鸡站、梧州站分别在1977、1981、1986、1994年，都安站和迁江站在1991年，天峨站、武宣站和大湟江口站在1997年，南宁站和百色站在2002年年输沙模数序列发生了显著突变外，其余站点没有发生显著突变。

b)西江流域年均输沙模数在20世纪60—70年代上升，但在80年代又持续下降；红水河和北流河多年平均输沙模数与其他河流相比处于较高水平，而清水河相反；西江流域多年输沙模数20世纪60年代从西部和东部到东北部逐步减小，70年代从外部到中部逐步减小，80年代从西北部和东部到南部和东北部逐步减小，90年代从西北部和东部到中部和东北部逐步减小，2000—2009年从东部和西部向北部逐步减小；一般情况下西江流域上游多年平均输沙模数大于中下游的多年平均输沙模数。

c)除刁江、蒙江、桂江上中游呈不显著的上升趋势外，西江流域大部分区域呈减少趋势，从东北部至西南部减少趋势逐渐变小。

d)在不受降水变化影响的情况下，西江年输沙模数的变化，主要是人类活动影响流域侵蚀产沙的结果。

e)人类活动是引起西江流域年输沙模数减少的主导因素。降水变化对输沙模数的贡献率为6.3%～12.3%，人类活动的贡献率为87.7%～93.7%。