广西北部湾入海流域径流演变特征及其对气候变化和人类活动的响应*

张亚丽，王栋华，田义超，林俊良，陶 进，张 强

(1.北部湾大学资源与环境学院，广西钦州 535011；2.桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林 541004；3.北部湾大学北部湾海洋地理信息资源开发与利用重点实验室，广西钦州 535011)

入海径流是指通过河流带入海洋的冲淡水，入海径流对近海区域的盐度结构、海水营养元素和沿岸洋流有着较大影响。而随着入海流域人类活动的频繁，大量高营养盐的农业、工业和生活废水汇入入海径流，不但会改变河口、海湾的水文性质，还会影响整个海陆交互地带生态水文过程和海洋生态环境[1,2]。近年来，全球变暖改变了气候系统的热力和动力环境，不仅影响陆地-大气系统的能量收支和水循环过程，而且也对降水、湿度和径流等水文要素产生显著影响[3]。因此，在全球气候变化加剧及工业进程加快的背景下，研究入海河流径流的演变趋势及归因识别，对近海生态环境保护具有极其重要的意义。

目前，国内外学者对亚马孙河入海流域[4]、印度的热带河流流域[5]、美国的密西西比河流域[6]和中国的黄河、长江流域[7,8]等的入海径流的时空变化特征和未来变化趋势进行了探讨分析，结果表明多数入海流域的径流呈现下降趋势。而对于造成入海径流发生变化的原因，相关学者持有不同观点。部分学者认为持续高温、蒸散发、暴雨和太阳辐射等气候因素的变化均对入海流域的径流造成不同程度的影响[9,10]。然而Destouni等[11]和王一鸣等[12]认为入海流域径流的变化是对土地利用覆盖变化、大坝建设和运营、地下水和地表水抽取、生态环境工程建设等一系列人类活动的响应。可见，流域的大小、地理位置和地形地貌的不同，引起径流变化的主导因素不尽相同。为了识别气候变化和人类活动对入海径流的影响程度，Lv等[13]和Cui等[14]进一步将累积量斜率变化率比较法与断点检测方法相结合，定量地计算人类活动和气象因素对径流变化的贡献率。上述研究为合理配置水资源提供了方法和数据支撑。就目前而言，对入海流域径流关注的热点主要集中在较大区域单个流域径流的演变特征及其驱动机制，然而对受气候变化反应更为敏感的独注入海的中小流域，其径流空间分异与蒸散发和热带气旋影响下的降水存在何种响应关系，缺少深入的认识；尤其是剧烈的气候变化叠加频繁的人类活动，相邻独注入海流域的径流个体演变和整体演变特征存在何种异同，都是有待探讨的科学问题。

广西北部湾是我国西南地区出海口最近的通道，同时该地区海岸线、淡水、海洋、农林和旅游等资源丰富，是国家“一带一路”倡议的实施区域以及西部陆海新通道的建设区域[15]。近年来，广西北部湾经济发展较快，自然条件和人类活动发生了巨大的变化，亦对入海径流和生态环境产生了重要影响[16]。虽然部分学者探讨了单个入海径流的径流量和降水的关系，但是没有考虑蒸散量对径流的影响[17]。相关学者对入海径流量变化态势的分析大多集中在单独的入海流域[18]，缺乏从整体上对广西北部湾独流入海流域的径流的研究。鉴于此，本文从以下两个方面开展研究：①评估广西北部湾入海流域径流深的变化点、发展演变特征和未来趋势；②定量分析降水、蒸散发以及人类活动对入海河流径流量变化的贡献率，以期为广西北部湾入海流域水资源的合理配置、生态环境保护等提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及数据来源

研究区(图1)位于107°20′-110°30′ E，21°00′-23°39′ N，年平均降水量1 500-2 500 mm，年平均气温21.5-22.4℃，属于典型的热带、亚热带湿热季风气候，受海洋气候影响，常年高温多雨。广西北部湾水资源丰富，直接独注入海的河流众多，其中流域面积大于1 000 km2的有南流江、大风江、钦江、茅岭江、北仑河[19,20]。本文径流数据来源于茅岭江流域的黄屋屯、钦江流域的陆屋、大风江流域的坡朗坪和南流江常乐站的径流量，防城江和北仑河径流深数据由水文站推算而来。气象数据来源于国家气象科学数据中心(http://data.cma.cn/)，归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)月数据来源于美国国家航空航天局(NASA)官网下载的MOD13Q1数据集，空间分辨率为250 m，时间分辨率为16 d，最后采用最大合成月数据。流域内水资源总量和供水量来源于广西水资源公报(广西水利厅官网http://slt.gxzf.gov.cn/zwgk/jbgb/)，潜在蒸散发数据根据气象数据采用彭曼公式计算获得。

1.2 方法

1.2.1 入海径流年际变化特征分析

采用均值、极值比和变差系数3个指标衡量广西北部湾入海流域径流深的变化特征，利用Sen′s趋势分析法对径流序列进行趋势识别，基于小波分析周期检验绘制小波方差图和小波等值线图，甄别广西北部湾入海流域的径流深的周期性特征，并采用滑动t检验和双累曲线识别突变年份，依此分段划分径流深的时期。滑动t检验和小波分析等方法已在许多水文气候研究中使用，相关基本原理和方法不再列出，具体计算过程参考文献[21,22]。基于水资源压力指数(Water Stress Index,WSI)计算广西北部湾入海流域城市水资源压力指数的空间分布，具体计算参照文献[23,24]。

图1 广西北部湾独注入海流域研究区[审图号：GS(2020)4619号]Fig.1 Study area of Guangxi Beibu Gulf Basin injected into the sea alone [Map review No.:GS (2020) No.4619]

1.2.2 Hurst指数

R/S分析法由英国Hurst提出，若0

为了研究广西北部湾入海流域径流深的未来变化趋势的平均循环周期，构建统计量：

(1)

式中，P(j)表示时间序列的极差，Σ(j)表示时间序列的标准差。T(j)能够识别长时间序列是否存在周期循环的特性。以log(j)为x，T(j)为y，做曲线图。当T(j)随log(j)发生明显转折时，说明未来的状态从此刻起不再受过去的状态影响，那么此刻即为未来变化趋势的平均循环周期。

1.2.3 气候变化及NDVI对径流变化的贡献率

王随继等[26]提出了累积量斜率变化率比较法，并指出该方法可以用于河流径流量变化及其影响因素的定量分析。具体计算步骤：根据突变检验结果，将广西北部湾入海流域的径流深划分为3个时期，然后将年份作为自变量，将年累积径流深、年累积降水、年累积蒸散发量作为因变量，做一元线性回归。第一时期(T1时期)为研究期的起始年至第一个突变年(1982-1992年)，第二时期(T2时期)为第一个突变年至第二个突变年(1993-2002年)，第三时期(T3时期)为第二个突变年至研究期末年(2003-2015年)。T1时期、T2时期和T3时期的年累积径流深的斜率分别为Ka1、Ka2、Ka3，年累积降水量的斜率分别为Kp1、Kp2、Kp3，年累积蒸散发分别为Ke1、Ke2、Ke3，其单位均为mm/a。

T2时期相对T1时期，累积降水量、累积蒸散发及人类活动对累积径流深斜率的变化率的贡献率分别为Cp1、Ce1、Cv1，其计算公式如下:

Cp1=(Kp2-Kp1)/(Ka2-Ka1)×100%，

(2)

Ce1=(Ke2-Ke1)/(Ka2-Ka1)×100%，

(3)

Cv1=100%-Cp1-Ce1。

(4)

T3时期相对T2时期，累积降水量、累积蒸散发及人类活动对累积径流深斜率的变化率的贡献率分别为Cp2、Ce2、Cv2,其计算公式如下:

Cp2=(Kp3-Kp2)/(Ka3-Ka2)×100%，

(5)

Ce2=(Ke3-Ke2)/(Ka3-Ka2)×100%，

(6)

Cv2=100%-Cp2-Ce2。

(7)

2 结果与分析

2.1 广西北部湾入海流域径流深的时空特征

由表1可知，广西北部湾各独注入海流域虽然位置比邻，但径流深空间分异显著，径流深相差较大。入海径流深较大的是北仑河入海流域和防城江入海流域，多年平均径流深分别达到2 115.58 mm和2 105.56 mm；径流深较小的是茅岭江入海流域和钦江入海流域，多年平均径流深分别为703.55 mm和719.33 mm；南流江流域和大风江流域的多年平均径流深分别为744.50 mm和882.61 mm。极值比和变差系数反映广西北部湾入海流域径流量的年际变化幅度，茅岭江流域径流极值比和变差系数最大，分别为5.85和0.44，年际变化大，说明径流量变化剧烈；北仑河和防城江入海流域径流深的极值比分别为2.14和2.02，变差系数分别为0.17和0.21，年际变化较小，说明年际径流深相对平稳。

表1 广西北部湾入海流域径流深及降水特征Table 1 Characteristics of runoff depth and precipitation in Beibu Gulf Basin entering the sea in Guangxi

表2和图2展示了广西北部湾入海流域径流深的时间演变特征，图2中趋势线置信区间为红色的代表上升趋势，趋势线置信区间为蓝色的代表下降趋势。由图2可知，从变化趋势上来看，除钦江流域的径流量呈不显著增加趋势外，其余5个流域的径流量都表现为减少趋势。茅岭江和大风江流域入海流域径流深均呈显著下降趋势(P<0.05)。从未来趋势上来看，未来钦江流域的径流深有进一步增加的趋势，持续周期为22 a。而茅岭江流域、防城江流域和北仑河流域径流深未来持续减少，持续周期分别为22 a、28 a和29 a。大风江的径流深呈下降趋势，但是持续的时间具有不确定性。从突变年份上来看，广西北部湾入海流域径流突变的年份比较一致，发生在1992年和2003年左右，仅茅岭江流域入海径流的第二次突变时间稍迟，为2005年。

2.2 广西北部湾入海流域径流深的周期特征

由图3和图4可知，钦江流域、南流江流域、大风江流域、防城江流域、北仑河流域的径流深的周期变化存在一致性，历年年均径流深演化过程中均存在多时间尺度特征。具体而言，南流江流域、大风江流域、防城江流域、北仑河流域的历年年均径流深演化过程中存在2-6 a、7-15 a和16-24 a 3种时间尺度的周期变化规律。2-6 a的尺度虽有交替变换表现，但表现偏弱。从大尺度7-15 a分析，径流深形成3个高震荡周期和2个低震荡周期，具体来说径流深在11 a左右的年际变化的震荡周期最为显著，其中3个高震荡周期分别位于1986-1987年、1997-2002年和2013-2014年，在该时期内呈现出正相位，径流偏多;2个低震荡周期分别位于1991-1993年和2005-2009年，径流深在该时期呈现出负相位，径流深偏少。而在大尺度16-24 a，主要在1985-2014年较活跃，形成2个高震荡周期和1个低震荡周期，在20 a左右的年际变化的震荡周期最为显著。

表2 广西北部湾入海流域径流趋势性、突变性和持续性分析Table 2 Analyses on trend，mutability and persistence of runoff in Beibu Gulf Basin entering the sea in Guangxi

(a) Qinjiang River Basin,(b) Nanliu River Basin,(c) Maoling River Basin,(d) Dafeng River Basin,(e) Fangcheng River Basin,(f) Beilun River Basin图2 广西北部湾入海流域径流深趋势Fig.2 Trend of runoff depth in Beibu Gulf Basin

(a) Qinjiang River Basin,(b) Nanliu River Basin,(c) Maoling River Basin,(d) Dafeng River Basin,(e) Fangcheng River Basin,(f) Beilun River Basin图3 广西北部湾入海流域径流深小波周期图Fig.3 Wavelet analysis diagram of runoff depth of Beibu Gulf Basin entering the sea in Guangxi

(a) Qinjiang River Basin,(b) Nanliu River Basin,(c) Maoling River Basin,(d) Dafeng River Basin,(e) Fangcheng River Basin,(f) Beilun River Basin图4 广西北部湾入海流域径流深小波方差图Fig.4 Wavelet variance diagram of runoff depth of Beibu Gulf Basin entering the sea in Guangxi

茅岭江流域径流深的周期震荡变化稍有不同，存在7-24 a和25 a以上两种时间尺度的周期变化规律。7-24 a的长周期震荡最为明显，而25 a以上的周期震荡偏弱，周期性存在局部显著的尺度特征。具体来说，径流深在11 a左右年际变化震荡周期最为显著，形成了3个高震荡周期和2个低震荡周期，其中高震荡周期位于1985-1987年、1999-2002年及2013-2015年，径流深在该时期呈现出正相位，径流偏多；而1989-1995年及2006-2009年，径流深在该时期呈现出负相位，径流偏少。

2.3 气候变化和人类活动对广西北部湾入海流域径流深变化的影响

以广西北部湾各独注入海流域的突变年份为界，在时间序列上分别按3个时期(T1时期、T2时期和T3时期)，对径流深、降水和蒸散发进行线性拟合,如图5所示。

提取图5中斜率的变化量和变化率，结果见表3。由表3可知，T2时期相对于T1时期，钦江流域径流深变化率最大，为35.14%，大风江域径流深变化率最小，为4.74%。T3时期相对于T2时期茅岭江径流深变化率最大，为-43.82%，钦江流域径流深变化率最小，为-9.4%。广西北部湾入海流域累积降水量变化率T2时期相对于T1时期全部为正值，说明降水也呈增加趋势，而T3时期相对于T2时期全部为负值，降水呈减少趋势；T2时期相对于T1时期累积降水量变化率最大的是北仑河流域，为20.97%，最小的是大风江流域，为8.63%。累积蒸散发变化率T2时期相对于T1时期全部为负值，变化范围为-3.51%至-0.11%，变化幅度较小，蒸散发呈减少趋势；T3时期相对于T2时期全部为正值，变化范围为1.05%至4.48%，蒸散量呈增加趋势，增加最大的南流江流域为4.48%。

总体而言，广西北部湾入海流域累积径流深T2时期相对于T1时期变化量全部为正值，入海流域径流深呈增加态势。究其原因，该时期降水增加，叠加乱砍滥伐导致植被破坏，从而加剧地表径流。T3时期相对于T2时期斜率的改变量全部为负值，径流深呈减少趋势。究其原因，该时期植被恢复导致植被蒸腾量相应增加和灌溉工程等人类活动的实施，共同造就了入海流域径流的减少。

图5 广西北部湾入海流域双累曲线图Fig.5 Double mass curve of Beibu Gulf Basin entering the sea in Guangxi

表3 累积量斜率变化率计算结果Table 3 Calculation results of cumulant slope change rate

续表

采用累积量斜率变化率比较法计算降水、潜在蒸散发和人类活动对径流深变化的贡献率，结果如图6所示。分时期来看，T2时期相比T1时期降水对钦江流域、南流江流域、茅岭江流域、大风江流域、防城江流域以及北仑河流域径流深变化的贡献率依次为42.57%、42.99%、66.98%、235.87%、59.73%、133.13%。由此可见，降水是该阶段广西北部湾入海流域径流深变化的主导因素，其次为人类活动，蒸散发对径流深变化的贡献率有限。T3时期相对T2时期，降水对钦江流域和北仑河流域的径流深变化的贡献率较大，分别为52.88%和66.68%，而人类活动对茅岭江流域、大风江流域和防城江流域的径流深变化的贡献率分别为83.72%、86.06%和67.71%，起主导作用。

综上所述，TI时期、T2时期径流的变化主要由降水导致，但随着时间推移，T3时期人类活动对径流的影响作用增强。究其原因，一是T3时期为2000年之后，生态工程、灌溉工程等人类活动频繁造成径流量的削减；二是气候变化对径流有直接影响，降水导致径流增加，潜在蒸散发增加导致径流减少。

(1) represents T2 period relative to T1 period,(2) represents the T3 period relative to T2 period图6 人类活动、降水和潜在蒸散发对径流深变化的贡献率Fig.6 Contribution rate of human activities,precipitation and potential evapotranspiration to runoff depth variation

3 讨论

3.1 广西北部湾入海流域径流空间分异

广西北部湾入海流域地理位置相邻，但径流深相差甚大，最大径流深是最小径流深的近3倍(表1)，这也与前人的研究基本一致[27]。广西北部湾地处南海北部，属于亚热带海洋性季风气候[19]。据统计，平均每年约有5个热带气旋影响广西[28]，而登陆的热带气旋通常会带来强风暴雨、风暴潮增水现象[29]。1980-2015年，广西北部湾海域内共有62个热带气旋在广西近海或者20°N以北区域登陆，占广西北部湾海域总热带气旋数量的49.2%，其中以越南北部登陆的热带气旋个数最多，达到40个，占影响广西近海热带气旋总数的64.5%[30]。由于广西沿海港湾众多，都为半封闭状态，并且深入陆域很远，但是广西北部湾海区尺度小，广西北仑河和防城江比邻越南，受越南沿岸反射的回潮波影响较大[19]。防城江流域、北仑河流域受热带气旋和季风气候影响，迎风面受十万大山和六万大山诸峰抬升形成降水，降水量极大。此外，防城江流域和北仑河流域西北地势高，山高坡陡高差大，叠加较大的降水量[31]，共同解释了此二流域径流深较大的原因。尽管茅岭江流域、钦州流域以及大风江流域降水量较大，但由于这三区地势平坦，水流较为缓慢，加上区域植被覆盖的改善，植被枯枝落叶层能够拦截部分降水量，减少地表径流量。另外，植被根系和土壤的相互作用，提高了土壤孔隙度和水分渗透性，减少了地表径流量及其流速。南流江径流深偏低的原因主要是随着十万大山山势的消减和距海渐远，降水量亦逐渐减弱，南流江流域的年均降水量较少，仅有其他流域的1/3。而降水是径流的重要补给[32]，降水量低造就了南流江流域的径流深较小。可见，广西北部湾独注入海流域虽然比邻，但入海流域径流深的空间分异较大，这与入海流域的降水时空分配不均及地理位置和地形条件密切相关。

3.2 广西北部湾入海流域径流对人类活动的响应

径流深的变化在时间和空间上是一个动态演化过程，是自然环境和人类活动共同影响的结果[33]。气候变化对径流有直接影响，降水导致径流增加[34]，潜在蒸散发增加导致径流减少，这也与本文的研究结果一致。广西北部湾入海流域的径流深演变特点为“下降-增加-下降”，降水的演变特点为“下降-增加-下降”，蒸散发演变特点为“增加-减少-增加”态势(表3)。有研究表明，不同区域径流量对气候变化和人类活动的响应和贡献率存在着显著的不均性[35]。入海流域的土地利用覆盖变化、退耕还林等生态环境工程建设对入海流域的径流深造成不同程度的影响，关于植被变化对流域径流影响的研究方法虽然不同，但是基本取得一致结论：植被覆盖率增加是导致地表径流减少的重要因素[36,37]。2003年起，广西政府对重点开发建设项目实施水土保持监测，开展实施了一系列生态工程建设。而此类生态工程项目的大量实施，一方面带来植被蒸腾耗水的增加，另一方面大规模植被带来的遮阳、阻风作用可以在很大程度上降低林下水土流失[38]。结合MODIS13Q1植被NDVI的监测结果(图7，图8)可知，2000-2015年流域植被NDVI呈现出增加趋势，增加的速率为0.049/(10 a)，其中北仑河流域和防城江流域总体上呈现轻微改善趋势，部分区域处于轻微退化状态；钦江流域、茅岭江流域、大风江流域呈显著改善趋势，其中显著改善区域所占的面积分别达到60.94%、46.12%、69.47%，而南流江流域的植被呈现中度改善。这也同样解释了广西北部湾入海流域T3时期径流深相比T2时期径流深有所降低的原因。本研究认为植被覆盖率增加对径流有削减作用，这与前人的研究结论基本一致[38]。国内相关研究表明，有效的生态恢复措施和植被工程建设，是流域径流减少的关键人为因素[39,40]，这与广西北部湾入海流域T3时期(2003-2015年)相对T2时期(1992-2002年)径流减少的原因相符。

图7 广西北部湾入海流域植被变化趋势Fig.7 Vegetation change trend in Beibu Gulf Basin entering the sea in Guangxi

图8 广西北部湾入海流域年均NDVI趋势Fig.8 Annual NDVI trend in Beibu Gulf Basin entering the sea in Guangxi

3.3 广西北部湾入海流域水资源压力指数和水资源利用

广西北部湾入海流域资源丰富、径流量较大，径流量的年际变化极其不均匀，最丰水年(涝年)与最枯水年(旱年)相比，波动较大，年际径流深相差2-5倍(表1)。丰水期洪涝灾害发生频繁，而枯水期干旱缺水形势严峻。特别是2007年，广西北部湾入海流域周边城市2/3水资源压力达到高压力状态(水资源压力指数WSI>0.4)，水资源严重稀缺(图9，数据来源于广西水资源公报)，与社会经济环境发展不协调。这与张杰等[41]的研究结果相一致。因此，建议相关水利部门对入海流域河川径流量进行季节性和年际性调节，修建水库储蓄水量，以供应枯水季节和枯水年份。

WSI<0.1 refers to low pressure,0.10.4 refers to high pressure图9 广西北部湾入海流城市水资源压力指数时空分布Fig.9 Spatial and temporal distribution of water resource pressure index of surrounding cities in Beibu Gulf Basin entering the sea in Guangxi

广西水资源丰富，从广西北部湾入海流域水资源空间上来讲，径流深分布趋势是由东南部向西北部、由土山向石山递减[42]。然而就广西北部湾入海流域城市水资源压力指数来看，北海、南宁、贵港水资源长期处于中、高压状态，这和年径流深较大、水资源丰富相矛盾。矛盾的原因主要是广西北部湾入海流域水资源利用不合理、水资源利用效率不高以及入海流域降水分配不均。这与钟丽雯等[43]的观点相一致。叠加冬、夏季风交替、岩溶地质环境的影响，显著影响了广西水资源的数量、时空分布与利用。这种河流水资源时空分布不均匀性，对农业灌溉、航运、水力发电有直接影响，因而建议相关部门因地制宜调整产业结构，提升各产业用水效率。如广西北部湾入海流域城市地区应调整农业产业结构，大力发展节水农业。同时，加强节水灌溉基础设施建设与节水科技的应用，提高农业用水效率。建议北海、南宁、贵港等水资源压力指数较大城市的相关管理部门加大水资源利用相关科技投入，加强基础设施建设，同时防控水资源污染与浪费现象，全面提升水资源利用效率。

4 结论

本研究基于广西北部湾入海流域的气象资料以及水文监测数据，采用小波分析、Hurst指数等方法分析了广西北部湾入海流域的时空演变特征和未来趋势变化，并且采用累积量斜率变化率定量评估了人类活动和气候变化对径流变化的影响。结果如下：

①广西北部湾入海流域径流深空间分异较大，北仑河流域和防城江流域多年平均径流深较大，分别为2 115.58 mm、2 105.56 mm；径流深较小的是钦江流域和南流江流域，多年平均径流深分别为719.33 mm、744.50 mm；仅钦江流域径流深呈不显著上升趋势，其余流域均呈下降趋势。

②广西北部湾入海流域各流域径流深的突变年份呈现一致性，在1992年(突变增大)和2003年左右(突变减小)；而茅岭江流域入海径流的第二次突变时间稍迟，为2005年。钦江流域、南流江流域、大风江流域、防城江流域、北仑河流域的历年年均径流量演化过程中存在2-6 a、7-15 a和16-24 a 3种时间尺度的周期变化规律。丰、枯交替变化比较明显，贯穿整个时间序列。

③广西北部湾入海流域累积径流深T2时期相对于T1时期的变化量全部为正值，T2时期径流深呈增加趋势；T3时期相对于T2时期的斜率改变量全部为负值，径流深呈减少趋势。

④TI、T2时期降水是广西北部湾入海流域径流变化的主导因素，但随着时间推移，T3时期人类活动对径流的影响作用增强，蒸散发对径流的影响较小。

本文对影响广西北部湾入海流域的演化及影响因素作了定量研究，但是没有涉及径流变化对气候变化和人类活动的时间滞后响应，以及广西北部湾入海流域养殖生态系统造成下垫面的变化对径流的影响有待深入探讨。因此，在今后广西北部湾入海流域的驱动机制研究方面，需更加全面地考虑气候时滞响应，以及下垫面变化对广西北部湾入海流域径流作用机理，从而更全面地揭示广西北部湾入海流域径流深演化的机制，以期为合理利用水资源的配置以及相关政策的实施提供数据支撑。另外，GRACE卫星广泛应用于冰川、雪地、水库、地表水、土壤水和地下水的反演[44]，因而，基于GRACE数据结合优化算法的机器学习模型，估算未来广西北部湾入海流域水资源的变化是下一步研究方向。