北部湾钦江响应极端天气的水沙变化过程

2023-11-18许珊珊杨夏玲黎树式潘嘉嘉梁喜幸

热带地理 2023年11期

许珊珊，杨夏玲，黎树式，潘嘉嘉，梁喜幸,4

（1. 南宁师范大学地理科学与规划学院，南宁 530001；2. 广西北部湾海洋环境变化与灾害研究重点实验室，广西钦州 535011；3. 广西沿海水文中心，广西钦州 535000；4. 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200241）

河流是一个受多方面因素驱动的动态系统（仁宗萍等，2012），通过水动力向海输送沉积物，影响河口三角洲的地形和地貌，在陆海运输和全球物质循环中发挥关键作用（McKee et al., 2004; Walling, 2009）。山溪型中小河流虽然流域面积小，但具备流程短、流速快、响应极端天气快的特点，对全球海洋地球化学循环具有重要影响。山溪型中小河流的水沙变化也是复杂的动力过程，对自然环境较敏感，易受极端天气影响（杨守业等，2018），探明水沙变化特征与规律对流域内防洪减灾、生态治理等具有重要意义（Chen et al., 2001）。

如今受全球气候变化和人类活动干扰，许多河流水沙过程发生显著变化（Li et al., 2020）。近半个世纪以来，全球较多河流的水沙都呈现出减少的趋势，包括一些大型河流如密西西比河、湄公河与黄河等（Lu et al., 2006; Heimann et al., 2011；王鸿翔等，2022）。水利工程、土壤保持措施和采砂等人类活动是河流水沙减少的主要原因（Wang et al.,2016；李景保等，2019；黄晨璐，2021；杨江洁等，2022；朱文轩等，2022），但热带气旋、降雨、植被覆盖度等自然因素也是调节水沙变化的重要驱动因素（黄晨璐，2021；Li et al., 2022；孙一等，2022）。此外，有不少研究成果是针对人类活动和降雨对径流量和输沙量的贡献率进行探讨（张建等，2020；刘强等，2021；王赫等，2022），取得了较好的成果，但忽视了极端天气对水沙变化的贡献。实际上，极端事件通常通过改变河流的蕴育环境来影响河流的水沙变化，在很大程度上有助于河流侵蚀和沉积物的输送（Coppus et al., 2022）。如极端洪水可以携带泥沙和相关的沉积物运输（Death et al., 2015），洪水往往会侵蚀坡地，造成大量的土壤侵蚀，大量的泥沙被带入河道（张欧阳等，2003）；全球热带地区的河流流量均与热带气旋有关（Galewsky et al., 2006），热带气旋带来的短时强降雨，导致河流流量和含沙量升高（Hsu et al.,2004）。因此，极端事件对水沙的贡献具有极其重要的作用。但由于众多研究中大部分学者聚焦在大江大河水沙变化研究，加之中小河流的水文站较少或建设不完善，很难获取其长时间序列的水沙数据。因此，目前对山溪型中小河流的水沙变化研究甚少，有学者以北部湾南流江为例，揭示了洪水和热带气旋等极端天气是影响山溪型中小河流水沙变化的重要原因（Li et al., 2022；杨夏玲等，2023）。南流江是广西北部湾的第一大独流入海河流，与钦江毗邻，两者具有相似的气候特征，但也存在一定的空间异质性。钦江位于中国南海之滨，正在建设中的西部陆海新通道世纪大工程——平陆运河将沿钦江进入北部湾海域（周献恩等，2022），钦江将会成为未来西南地区最便捷的出海通道，对区域内的社会经济发展提供了机遇。同时，运河修建将不可避免地影响钦江的水沙变化过程，因其地理位置的特殊性，流域内地势低洼，易受洪水的威胁和来自海洋的热带气旋的影响，因此，分析极端天气对钦江水沙变化的影响将对平陆运河沿线的防灾减灾、港口航道建设具有重大意义。鉴于此，本文拟基于近60 年的钦江水沙数据、热带气旋数据与洪水数据揭示极端天气下钦江水沙变化的规律，以期为流域内的社会经济发展和防洪减灾工作提供科学参考。

1 研究区域概况

钦江发源于灵山县罗阳山，注入广西北部湾海域（图1）。钦江自东北向西南流经钦州市的灵山县、钦北区、钦南区，河流长达179 km，总流域面积达2 457 km2（黎树式等，2018）。钦江流域地处南亚热带季风气候区，季风环流明显，春夏季多暴雨，夏秋季易受热带气旋影响，降雨量丰沛（李鸿儒等，2016）；降水年内分配不均，4—9月为流域的丰水季，而10月至次年3年为枯水季，降雨多集中在4—9 月。1965—2021 年60 多年来钦江的平均径流量为10×108m3左右，平均输沙量为20.09×105t。

图1 研究区域Fig.1 The study area

2 数据来源与方法

2.1 数据来源

1965—2021年的水沙数据来自《广西河流泥沙公报》①水沙数据来源：广西沿海水文中心. 2018—2021年。和《中国水文年鉴：珠江流域水文资料》（水利部珠江水利委员会，1965—2021），钦江流域的陆屋水文站的水沙实测数据。陆屋水文站位于钦江流域的中游，其收集的水沙数据代表钦江的水沙变化。其中，1995年的逐日输沙量数据缺失。极端天气是对极端降雨、极端干旱、热带气旋等极端事件的统称，本文主要分析热带气旋、洪水对钦江水沙的影响。其中，洪水记录数据来自广西沿海水文中心，选取钦江发生洪水的年份为洪水年。热带气旋数据来自上海台风研究所和浙江省水利厅、浙江省水利信息管理中心②https://typhoon.slt.zj.gov.cn。有研究表明，进入19°N以北、112°E 以西的热带气旋会对广西沿海地区有不同程度的影响（Chen et al., 2014），同时参考前人的成果（Tang et al., 2021），根据过境钦江流域以及周围区域，如北部湾海域，并引起钦江水沙有显著起伏的热带气旋，选取钦江流域受该热带气旋影响的年份作为热带气旋年。具体的洪水年和热带气旋年记录如表1所示。

表1 1965—2021年钦江流域热带气旋与洪水数据Table 1 Statistics of tropical cyclones and floods in the Qinjiang River Basin from 1965 to 2021

2.2 研究方法

2.2.1 变差系数法变差系数（Е Г 布罗赫洛夫等，1956）通常被用来评价年内径流泥沙分配不均匀。本文采用变差系数来探究钦江热带气旋年的径流量与输沙量的变化规律和特征，公式（张伯虎等，2015）如下：

式中：xi代表月径流量（月输沙量），单位为m3；代表月平均径流量（月平均输沙量），单位为t；N为时间序列长度。变差系数Cv用于评价水沙的变化程度，Cv值越小，水沙变化程度越小；Cv值越大，水沙变化程度越显著。

2.2.2 贡献率计算法本文研究极端天气对钦江水沙的贡献率，总体思路是根据热带气旋过境期间增长的总径流量占全年平均径流总量比例，即热带气旋对径流量的贡献率。公式（杨夏玲等，2023）如下：

式中：Ptc_c代表贡献率；Qw_tc代表热带气旋过境期间的平均流量；Qw_nor为年内没有受热带气旋影响的正常天气的平均流量；D_tc代表热带气旋过境持续的天数；Qw_a是年平均流量；n是全年天数（365或366 d）。同理，洪水对径流量的贡献率也是根据该方法计算得出。

热带气旋对输沙量的贡献率与热带气旋对径流量的贡献率计算方法同理，公式（杨夏玲等，2023）如下：

式中：Qs_tc是热带气旋过境期间的平均输沙量；Qs_nor是年内没有受热带气旋影响的正常天气的平均输沙量；Qs_a是年平均输沙量；D_tc是热带气旋过境持续的天数。同理，洪水对输沙量的贡献率也是根据该方法计算得出。

3 结果与分析

钦江地处中国西南沿海地带，地势低洼，降水丰沛、集中，历年来受洪水的威胁较大。其属于亚热带海洋性季风气候，易受热带气旋影响，因此本文选择热带气旋和洪水两个极端天气事件来分析其对钦江水沙变化的影响。

3.1 热带气旋对水沙的影响

在热带气旋影响下，钦江的水沙变化波动较大（图2）。近60 年来，热带气旋年的平均流量为290 m3/s，正常天气的平均流量为32 m3/s，热带气旋期间的平均流量是正常天气的9.06倍；热带气旋过境期间的平均输沙量为1.15×104t，正常天气的平均输沙量是0.05×104t，热带气旋过境期间的输沙量是正常天气期间的23倍。而热带气旋过境期间流量和最大值和最小值分别发生在1971 年和2019 年，最大值和最小值分别为880.18 和102.57 m3/s，相差825.25 m3/s。热带气旋过境期间输沙量的最大值和最小值分别发生在1971 和2016 年，年输沙量最小值为0.15×104t，年输沙量最大值为7.37×104t，相差7.22×104t。可见热带气旋年的年际水沙变化差异明显。

图2 钦江热带气旋和正常天气的平均流量（a）与平均输沙量（b）Fig.2 Average flow(a) and sediment transport(b) of Qinjiang tropical cyclone and normal weather

钦江热带气旋年份的年均径流量和年均输沙量曲线呈现出相似的变化波动，有逐年递减的趋势（图3）。自2000年以来广西以人工造林为重点，森林面积逐年上升，水能涵养、防风固沙作用明显，使得钦江流域的输沙率减小（莫剑等，2020）。此外，可能与登陆华南沿海地区的热带气旋频数、强度呈下降趋势（张俊香等，2012）及降雨量的变化有一定联系。1973年，为保护钦州城区和耕地的安全，钦州市政府开始兴建钦江部分两岸河堤及排水匣门。河堤的修建有利于稳固河岸，减少流水或降雨对两旁河岸的冲刷，在很大程度上对钦江流域的水土保持起到保障作用。输沙量的下降趋势较径流量的趋势更明显，历年来，径流量的平均变差系数为0.90，输沙量的平均变差系数为1.55，说明钦江的年均输沙量波动较年均径流量波动大。

图3 热带气旋年径流量与输沙量变化情况（a. 径流量；b. 径流量变差系数；c. 输沙量；d. 输沙量变差系数）Fig.3 Changes in annual runoff and sediment transport of tropical cyclones (a. runoff; b. coefficient of variation in runoff; c. sediment transport; d. coefficient of variation in sediment transport)

从月尺度变化来看，钦江的水沙变化在4—9月份波动较大，1—3月与10—12月的变化不明显（图4），与热带气旋的季节性相符合，说明钦江的水沙变化具有季节性变化，且受热带气旋影响较大。这一季节性特征与南流江相似（杨夏玲等，2023）。热带气旋年的径流量与输沙量峰值通常发生在6—8月，而非热带气旋年的径流量与输沙量峰值通常发生在7—10 月。河流的径流量与输沙量峰值通常发生在7—8月，其次，热带气旋年的平均径流量与平均输沙量基本上比非热带气旋年的高，同时存在年代差异。

图4 热带气旋年径流量（a）、输沙量（c）和非热带气旋年径流量（b）、输沙量（d）年代变化Fig.4 Chronological changes in annual runoff (a) and sediment transport (c) from tropical cyclones and chronological changes in annual runoff (b) and sediment transport (d) from non-tropical cyclones

从日变化来看，热带气旋过境前后，钦江的水沙变化波动较平缓，无明显起伏（图5）。而在热带气旋过境期间，日流量与日输沙量都具有较大的起伏，输沙量随着流量的增大而增大，呈现“水沙激增”的模式。1971 年5 月与6 月径流量和输沙量峰值为历年最大峰值，Dinah 台风直接过境钦江流域并带来持续性的强降雨是其中主要的原因。值得一提的是，热带气旋过境期间的平均流量与平均输沙量峰值呈现出70 年代＞80 年代＞90 年代＞00 年代＞10 年代，特别自2010 年后，流量与输沙量的变化不明显。说明钦江的水沙变化可能受热带气旋的影响在逐渐减小，但在热带气旋过境期间水沙变化较大，热带气旋仍然是影响钦江水沙变化的重要因素。

图5 热带气旋年日流量变化（a. 1966—1995年；b. 2001—2014年；c. 2015—2021年）与日输沙量变化（d. 1966—1995年；e. 2001—2014年；f. 2015—2021年）Fig.5 Changes in annual daily tropical cyclone fluxes (a. 1966-1995; b. 2001-2014; c. 2015-2021) and daily sediment transport(d. 1966-1995; e. 2001-2014; f. 2015-2021)

热带气旋对钦江径流量和输沙量的贡献率具有相似的变化趋势特征（图6）。热带气旋对钦江的径流量多年平均贡献率为10.75%，对输沙量的多年平均贡献率为20.95%，由此可见其对输沙量的贡献率变化大于对径流量的变化，与上述输沙量的变差系数大于径流量变差系数相对应。其中，2006年热带气旋对钦江径流量的贡献率最大，为24.60%；2016年热带气旋对钦江径流量的贡献率最小，为1.03%。2010 年热带气旋对钦江的输沙量贡献率最大，为44.04%；其2016 年的热带气旋的贡献率最小，为1.76%。

图6 热带气旋对钦江水沙（a. 径流量；b. 输沙量）的贡献率Fig.6 Contribution of tropical cyclones to water and sediment(a. runoff; b. sediment transport) in the Qinjiang River

3.2 洪水对水沙的影响

洪水是中国东南部季风区易受影响的灾害之一，通常是由强降雨、风暴潮等自然因素引发的流量突增的水文灾害事件。钦江属于南亚热带季风气候，也受到洪水的影响。根据钦江在1965—2021年期间的洪水记录（共包括10 年的洪水特征记录），分析洪水对钦江水沙变化的影响。研究发现：在洪水年，钦江洪水期的日均流量和日均输沙量远大于正常天气的日均流量和日均输沙量（图7），1967、1971 年的洪水期平均流量和平均输沙量较高，而1970年的洪水期流量较高，但输沙量较低。在洪水年中，正常天气的平均流量在375 m3/s，而洪水期平均流量基本上在2 725 m3/s 附近波动，是正常天气平均流量的7.27倍。洪水年正常天气的平均输沙量为0.07×104t，而洪水期的平均流量为1.14×104t，是正常天气输沙量的16.28倍。

图7 钦江洪水期与正常天气水沙变化（a. 流量；b. 输沙量）Fig.7 Changes in water and sediment during the Qinjiang River flood and normal weather (a. flow; b. sediment transport)

洪水具有突发性，扰乱河流正常情况下的水文特征，是影响河流水位、输沙的关键因素。洪水过程的径流量与输沙量在钦江的年水沙总量中占据一定比重（图8）。在洪水过程中，1971年的洪水过程径流量与输沙量为历年之最，径流量为4.5×108m3，占年径流量的25%；输沙量为39.47×104t，占年输沙量的58%。洪水过程径流量与输沙量的最小值出现在2013 年，径流量为4.4×108m3，占年径流量的20%；输沙量为1.25×108m3；占年输沙量的8%。总体而言，在10个洪水年中有7个洪水年的洪水过程径流量占比超过20%，其中有4 年超过30%；有7个洪水年的洪水过程输沙量占比超过15%。相比之下，洪水过程中的径流量占比平均值为18%，而洪水过程输沙量的历年占比平均值为32%，说明洪水过程引发的输沙量变化比径流量变化剧烈。

图8 钦江洪水期水沙占比情况（a. 径流量；b. 输沙量）Fig.8 Water and sediment ratio during the flood season of the Qinjiang River (a. runoff; b. sediment transport)

从日变化（图9）来看，洪水期钦江的水沙变化呈现出同步剧增的趋势，日流量和输沙量达到峰值。在历年的洪水爆发中，其1971年6月洪水的流量和输沙量达到最大值，2013年11月洪水的流量和输沙量为最小值。在1971年，钦江流域遭遇到当时最大洪水，为超50 年一遇的洪水。1967、1971、1981、1985年的洪水期流量都超10×102m3/s，输沙量都超过5×104t。而1969、1976、2006、2012、2013 年洪水期的流量和输沙量变化相对而言较小。由此可见，钦江受洪水的影响洪期具有典型的“丰水多沙”特征，与南流江的洪期特征相似，南流江洪期流量多次超20×102m3/s、输沙量超105t（杨夏玲等，2023），相对而言钦江受洪水的影响水沙变化较南流江小。且受不同洪水的影响呈现不同的变化趋势，钦江的水沙呈现不同的变化。

图9 洪水月逐日流量和输沙量变化Fig.9 Monthly and daily flow and sediment transport changes of flood

热带气旋对钦江径流量和输沙量的贡献率具有相似的变化趋势特征（图6）。洪水对钦江的径流量多年平均贡献率为16.75%，对输沙量的多年平均贡献率为30.07%，由此可见其对输沙量的贡献率变化大于对径流量的变化，与上述中热带气旋过境时输沙量的贡献率大于径流量有相似之处。其中，1967 年洪水对钦江径流量的贡献率最大，为25.53%；2013年洪水对钦江径流量的贡献率最小，为6.26%。1971 年热带气旋对钦江的输沙量贡献率最大，为56%；其1976年的热带气旋的贡献率最小，为17%。说明洪水对钦江的水沙贡献占比较大，是引起钦江水沙变化的重要因素之一。

4 讨论

4.1 钦江响应极端天气水沙变化的影响因素

研究结果显示，在热带气旋过境期间和洪水期间，径流量与输沙量皆高于正常天气的径流量与输沙量。说明热带气旋和洪水是钦江水沙变化的重要影响因素。其中，水沙受极端天气的影响也存在一定的年际变化。如1971年热带气旋过境期间的平均流量和平均输沙量远大于热带气旋年热带气旋过境期间的平均流量和平均输沙量，该次Dinah 台风从海南西北进入北部湾，从茅尾海附近登陆北上并在次日过境钦江流域，带来持续性的强降雨。Tang等（2021）的研究指出钦江的降雨与流量以及输沙量之间呈现出显著的正相关关系。而2016年的热带气旋莎莉嘉从钦州湾海域过境防城港口后，向西北方向移动，对钦江的径流量和输沙量的影响较小。有学者认为热带气旋对水沙的影响是由于不同的热带气旋强度、登陆位置、移动路径和带来降雨量的不同而存在差异（杨夏玲等，2023），也有可能与热带气旋的结构与尺度有关（林岩銮等，2022）。若热带气旋直接经过流域内，带来的强降雨对钦江的水沙变化具有更大的影响。洪水期的降雨及其汇流过程往往侵蚀坡地，造成大面积的土壤侵蚀，大量的泥沙进入河道（张欧阳等，2003），从而影响河流的水沙发生变化。不同来源区的洪水具有不同的流量、含沙量、泥沙粒径、来沙系数及洪水历时，河流的水沙通量因此存在差异（张欧阳等，2005），洪量越大对河流的侵蚀运输就越大。

近年来，钦江的水沙也呈现出逐渐减少的趋势，受多方面因素的影响。有研究表明极端降雨条件下，水土流失治理是洪水与泥沙关系变化的主要驱动因素（Zhao et al., 2019），虽然极端天气对钦江水沙的贡献不容忽视，但许多研究表明人类活动仍然是对水沙变化贡献的主要原因，如人类活动对汀江径流变化的贡献率为68%～81%，对输沙变化的贡献率为90%～98%（王赫等，2022）；人类活动对三峡水库下游径流量和输沙量的贡献率均超过70%（王鸿翔等，2022）。此外，山溪型中小河流多具有瞬时大通量、快速物质转换、易受极端事件和人类活动影响、且对环境变化响应敏感等特点（杨守业等，2018）。钦江流域现有的主要水利工程灵东水库、青年水闸等都建于20 世纪60 年代，钦江水沙变化没有出现明显的直线下降趋势，所以水利工程对钦江水沙变化的影响有限，而钦江的年均降雨量与年均流量均存在良好的正相关关系（黎树式等，2018）。北部湾入海流域潜在蒸散发减少导致径流减少，植被覆盖率的增加在一定程度上也对径流有削减作用（张亚丽等，2022）。随着钦州市政府打击非法采砂活动取得成效，人类活动对河床的扰动减弱；另一方面，钦江流域存在众多的小山塘，来自小山塘的拦蓄用水的压力，也可能是钦江水沙逐渐减少的原因之一。

4.2 极端天气对钦江水沙的贡献率

热带气旋对钦江径流量和输沙量的多年平均贡献率分别为10.75%和20.95%，洪水对钦江径流量和输沙量的多年平均贡献率分别为16.75% 和30.07%，相比同样地处北部湾的山溪型中小河流——南流江，热带气旋对南流江的径流量和输沙量的多年平均贡献率分别为6.78%和19.31%，洪水对南流江的径流量和输沙量的多年平均贡献率分别为14.33%和36.21%（杨夏玲等，2023）。热带气旋对钦江径流量多年平均贡献率略大于南流江的，热带气旋对输沙量多年平均贡献率基本相同。洪水对钦江与南流江的径流量多年平均贡献率相差不大，而洪水对南流江输沙量的多年平均贡献率大于洪水对钦江输沙量的多年平均贡献率。南流江和钦江流域是两个相邻的山溪型中小河流流域，整体上钦江所处的地形坡度较南流江的高（Tang et al., 2021），在遇极端天气的条件下，钦江的水沙反应比南流江迅速，所以热带气旋对钦江的径流量贡献可能高于对南流江径流量贡献。另一方面，从遇洪水的频率上看，在相同的时间范围内，南流江遇洪水事件数量是钦江的2 倍，这可能是洪水对南流江输沙量的多年平均贡献率大于洪水对钦江输沙量的多年平均贡献率的原因。大江大河的水量、宽度、长度等方面比中小河流更有优势，且有众多支流。如长江上游的汛期洪水的输沙量占全年的80%以上，长江洪水场在很大程度上来源于其支流金沙江、嘉陵江、岷江等的洪水汇入（李思璇等，2021），而中小河流的水沙变化直接受极端天气的影响较大，来自支流的加持较少。因此，相对而言洪水对山溪型中小河流的输沙量贡献较大江大河的小，但其影响也不容忽视。