近50年珠江三大支流水沙关系变化研究

吴 尧，官明开，曹 煜，龚伟杰

（河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098）

近50年珠江三大支流水沙关系变化研究

吴 尧，官明开，曹 煜，龚伟杰

（河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098）

基于西江高要站、北江石角站和东江博罗站的水沙数据，分析近50年来珠江三大支流水沙关系的变化。利用交叉小波变换分析水沙关系时发现，西江和北江水沙波动能量的稳定性及水沙的正相关性强于东江。水沙幂指数曲线拟合反映了水沙在不同年代的变化关系及相关程度，其中西江水沙拟合斜率和相关系数整体较大。此外，月均水沙的年内分布曲线揭示了三大支流间水沙年内分布的差异。水沙关系的变化不仅与流域风化沉积物的来源有关，而且更是受到水土保持工程和水库建设等人类活动的影响。

水沙关系；交叉小波变换；水沙幂指数；珠江

由于丰富的自然资源和优越的地理条件，近几十年来珠江三角洲的经济飞速发展，已经成为华南对外经贸的门户。泥沙等陆相物质通过径流的运输，在河口区淤积形成珠江三角洲，形成了纵横交错的水网系统。河口三角洲地区水沙动力特性复杂，影响到河道的泄洪、通航［1］。大规模水利工程的兴建为经济的发展奠定了坚实的基础，与此同时，这些人类活动一定程度上也引起了珠江水沙关系发生改变。河流的水沙关系是河流系统中关键部分，关系到河流泥沙的输运、沉积等特性。更进一步地，还影响到水道通航、三角洲地貌和河口生态平衡［2］。水沙关系的变化是一个十分复杂的过程，受到多方因素的共同调控作用。包括河道形态、河流水情、降雨量等自然因素，以及土地利用，水库建设和人工采砂［3］等人为影响。以往对珠江水沙关系的研究更多的是集中在对水沙通量的变化分析和对水沙过程的统计分析。本文依据珠江三大支流上主要控制水文站长时间尺度的实测水沙资料，利用交叉小波变换，水沙幂指数关系和绳套关系等角度分析近50年各支流水沙关系的变化。对珠江流域长时间尺度水沙关系的研究，不仅对河道整治、河口生态治理等有重要意义，也能为各流域水资源的统筹开发和优化配置提供依据。

1区域概况及数据

珠江是中国流量第二大的河流，其水系主要由西江、北江和东江三大支流组成。径流流经江西、广西、湖南和广东等省份。流域总面积约为45.4×104km2，上游的径流通过复杂的珠江三角洲河网区汇入南海。珠江多年平均的水沙通量分别大致为2.85×1011m3/a和0.75×108kg/a。其中西江是珠江最大的支流，根据高要站的实测资料，其多年平均的水沙通量占珠江水沙总量的77％和89％。而北江和东江的水沙通量相对较小。流域受到热带和亚热带季风气候的影响，大部分的降雨主要集中在夏季，河流水情具有明显的季节性特征。

高要站、石角站和博罗站分别为西江、北江和东江干流的主要水文控制站，本文研究资料为西江高要站，北江石角站和东江博罗站3个站点的月平均径流量和含沙量，研究的时间序列跨度为1961～2012年。为了分析长时间尺度下水沙关系的变化，将研究数据的时间跨度依据年代不同划分成5个部分。资料来源于水利部发布的水文年鉴，文中对泥沙的研究均指悬移质泥沙。

2研究方法介绍

2.1交叉小波分析

交叉小波变换能反映两组离散时间序列的相关程度，而且能反映两者在各时频域的位相特征和细部特征，被广泛的应用于水文、气象等资料间的相关分析［4］。其中，交叉小波功率谱可以定义为

式中：S为平滑算子。

2.2水沙幂函数曲线

水沙的幂函数关系为

公式两边经过对数变换后转化为线性关系

式中：Cs为含沙量，Q为流量；a和b都为拟合的系数。a越大意味着易受径流侵蚀和输运的风化沉积物来源越充足，b越大意味着径流的挟沙能力和侵蚀能力越强［5］。

3结果分析和讨论

3.1水沙通量的交叉小波分析

交叉小波分析能够揭示径流量和含沙量在不同时频域的相关关系及位相特征。因此对西江高要站、北江石角站和东江博罗站的月均水沙通量运用交叉小波分析，来研究各支流水沙关系的变化。图1中粗实线区域表示相关性通过了红噪声标准谱的显著性检验。细实线围成的“U”型区域内表示交叉小波谱的有效范围，避免了由于数据长度有限性导致的边界效应。矢量箭头表示水沙的位相关系，箭头向右为正相关，箭头向左为负相关。

从图1中的交叉小波功率谱可以明显的看出，3条支流的水沙波动能量都主要集中在1年左右的主周期上。而在其他频率尺度上只检测到分布不规律且持续时间极短的显著性特征。因此忽略高频率尺度的波动，主要分析3条支流在1年主周期上的水沙相关性及其在近50年的变化规律。其中，高要站的交叉小波功率谱在1年主周期上的波动能量在研究周期内均较稳定，只在2005年后才出现波动能量的消失，表明此时的水沙相关性发生改变（图1（a））。石角站的波动能量同样表现稳定，只有在2002～2003年出现了波动能量的缺失（图1（c））。博罗站的水沙相关性的变化相对较明显。在1990年后，东江水沙关系1年主周期的波动能量出现明显的波动和变化（图1（e））。交叉小波凝聚谱比交叉小波功率谱揭示了范围更大的显著性时频域，其主周期同样集中在8～16个月。三大支流的水沙交叉小波凝聚谱在周期小于1年的频段内均检测到不连续且分布不均匀的波动能量。而在更长周期的频段上，石角站的交叉小波凝聚谱检测的水沙关系的显著性覆盖范围最广，除了20世纪70年代和20世纪80年代在16个月到64个月的部分区域，其余时频段均检测到显著的波动能量（图1（d））。高要站在20世纪90年代后，在16个月到64个月的频段内存在显著的水沙相关性，覆盖范围相对较小（图1（b））。而博罗站从20世纪90年代后，在所有的频域范围内波动能量均较显著（图1（f））。从位相关系来看，3个测站的水沙关系都呈现显著的正相关。高要站和石角站水沙位相关系的正相关性要强于博罗站。

图1 高要站（a/b）、石角站（c/d）和博罗站（e/f）水沙的交叉小波功率谱（第一列）和交叉小波凝聚谱（第二列）Fig.1 The cross wavelet transform（first line）and wavelet coherence（second line）between monthly runoff and sediment concentration of Gaoyao（a/b），Shijiao（c/d）and Boluo（e/f）station

3.2水沙的幂函数关系分析

幂函数关系曲线被广泛的应用于水沙关系的研究。从图2可以直观地看出珠江3个支流的水沙幂函数关系在各个年代的变化。其中高要站在各个年代水沙关系的幂函数拟合直线的斜率（b）最大，明显大于石角站和博罗站拟合直线的斜率。这可能是由于西江径流量较大使得径流挟沙能力较强。而以石角站和博罗站为代表的北江和东江径流则具有较相近的挟沙能力。另外，3个测站在20世纪70年代和80年代拟合直线的斜率均明显大于各自在近20 a拟合的斜率，相应的直线的截距（ln（a））均较小，说明珠江三大支流挟沙能力在近20 a都明显减弱。风化沉积物的来源与珠江流域的水土保持措施密切相关。研究发现，20世纪50年代到80年代，由于土地改革等农业、经济改革，流域内出现了大规模的森林采伐，水土流失加剧。尤其从1975～1984年，珠江流域的森林覆盖率从38％猛降到27％［6］。而从1990年后，随着人们在资源开发过程中环保意识的增强，珠江流域的《水土保持法》得到贯彻实施。大量水土保持工程的建设改善了流域中水土流失严重的现象，流域的水土治理面积逐渐增大，水土流失汇入径流的泥沙来源显著减少［7］。

幂函数拟合的参数ln（a）和b以及拟合的相关系数R2见表1。3个测站的水沙关系在不同的年代有不同的相关关系。其中，高要站的水沙的相关系数R2最大（R2∈(0.82,0.90)），说明高要水沙关系相关性最好。其最大的相关系数出现在20世纪70年代和80年代，在2000年后，水沙相关性减弱。博罗站的R2整体较小（R2∈(0.53,0.73)），表明东江的水沙相关性在3条支流中最弱，这与前文位相关系分析结果相吻合。而且在近20年东江的水沙相关性还有进一步减弱的趋势。石角站的水沙相关系数R2适中，最小的水沙相关系数出现在20世纪90年代（R2=0.57）。

图2 高要站、石角站和博罗站在各个时期的水沙幂函数拟合Fig.2 The power function of water and sediment of Gaoyao，Shijiao and Boluo station at different periods

表1 高要、石角和博罗站在各个时期的水沙幂函数拟合参数（ln（a）和b）和相关系数R2Tab.1 Fitting parameters（ln（a）and b）and coefficient of determination（R2）of Gaoyao，Shijiao and Boluo station for different decades

图3 高要站、石角站和博罗站在各个时期的月平均水沙年内分布曲线Fig.3 Distribution curves within year of monthly average discharge and sediment concentration for different decades at the Gaoyao，Shijiao and Boluo station

3.3月均水沙关系年内分布曲线

正常情况下，月平均径流量从枯季到洪季有一个明显的增加过程，再从洪季到枯季有一个减小过程，可以分别称之为涨水期和落水期。与径流密切相关的月平均含沙量随之变化，但它与径流的变化过程存在相位差，使得水沙关系在一年的12个月份里形成一个具有上升过程和下降过程的绳套曲线，即水沙关系年内分布曲线。通常在涨水期阶段，年内首次降雨形成的洪水使得地表泥沙易受侵蚀，流域产沙量大。当洪峰落后于沙峰时，则呈现顺时针的绳套曲线，当沙峰落后于洪峰，则为逆时针的绳套曲线。同样地，将研究周期依据年代分成5个研究阶段，利用月均水沙年内分布曲线来探究近50年水沙关系在不同年代的年内分布变化。

从图3可以看出，除了20世纪80年代，在其余4个研究阶段西江高要站的水沙年内分布曲线的涨水期和落水期都接近重合。20世纪80年代的水沙曲线呈现明显的顺时针环形，涨水期的含沙量大于落水期的含沙量，说明年内首次洪水冲刷侵蚀大量的风化沉积物后汇入径流，沙峰领先洪峰。且相比其余4个阶段，20世纪80年代的洪季平均含沙量相对较大，最大的月均含沙量（7月）达到0.7 kg/m3左右。前面分析已经提到过，20世纪80年代珠江流域的森林采伐现象最为严重。而西江作为珠江最大的支流，其上游流经云南、贵州和广西等省份，这部分流域属于岩溶地貌，土壤贫瘠且脆弱。植被的破坏将造成难以修复的土地荒漠化现象［8］。在降雨形成地表洪水侵蚀作用下，风化物被水流带走使得径流中含沙量显著增大。北江石角站的水沙年内分布曲线在前4个研究阶段均呈现顺时针环形且差异不大，表明其水沙关系的年内分布特征较稳定。而对于东江博罗站，前4个阶段的曲线也都呈现顺时针环形。与北江不同的是，东江前4个阶段的水沙年内分布绳套曲线不断收缩，沙峰和洪峰的峰值均不断减小，尤其是含沙量减小程度更大。泥沙的减少与水库拦沙密切相关。东江在近50内修建的许多大中型水库，尤其是新丰江（1962）、枫树坝（1973）和白盆珠（1985）3座大型水库，其库容量占广东省大型水库库容总量的63.4％［9］。水库建设已经被证明是入海泥沙通量减少的主要原因。值得注意的是，三大支流在2000年后绳套曲线在涨水期和落水期趋于重合，表明洪峰和沙峰的相位趋于一致。这种现象可以归结为2000年后大量水土保持工程的建设改善了流域水土流失的状况，受到首次降雨冲刷侵蚀的泥沙来源显著减少。

4结论

珠江三大支流在近50年的水沙关系都发生了不同程度的变化。对水沙位相关系分析和相关系数R2的计算结果都发现，3条支流中东江的水沙相关性最弱。尤其是在1990年后，东江水沙交叉小波谱在1年主周期的波动能量变化明显。此外，从20世纪60年代起东江的沙峰和洪峰峰值不断减小，反映在绳套曲线上是前4个年代的曲线形态不断收缩，尤其是含沙量减小显著。这可以归结为东江上大型水库对径流的调控和拦沙作用。北江的水沙关系在研究周期内相对较稳定，除了20世纪90年代的水沙相关系数较小（R2= 0.57）。西江的水沙相关系数整体较大，说明其水沙相关性最显著。此外，幂指数拟合结果发现西江水沙的拟合直线斜率整体均较大，揭示了西江径流较强的侵蚀能力和挟沙能力。

珠江三大支流的水沙关系变化不仅各有特点，而且还存在一些共性。整体来看，三大支流在近20年拟合直线的斜率均明显小于各自在20世纪70年代和80年代的斜率，表明在近20年珠江流域整体的风化沉积物等泥沙来源减少。这与流域的水土保持工程的实施有关，近20年流域的森林覆盖率增加且水土流失减少。此外，水沙关系的年内分布曲线结果还发现，2000年后三大支流的绳套曲线形态在涨水期和落水期均趋于重合，意味着洪峰和沙峰的相位趋于一致，受到年内首次降雨冲刷侵蚀的泥沙来源显著减少。

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Detecting the changing runoff⁃sediment relationship among three main tributaries of the Pearl River in the last 50 years

WU Yao,GUAN Ming⁃kai,CAO Yu,GONG Wei⁃jie
(College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

Based on the runoff and sediment dataset from Gaoyao station of Xijiang,Shijiao station of Beijiang and Boluo station of Dongjiang during the last 50 years,the changing runoff⁃sediment relationship among three main tributaries of the Pearl River was detected.The cross wavelet analysis reveals that the stability of runoff⁃sedi⁃ment fluctuant energy and the positive correlation property of Xijiang and Beijiang are more significant than Dongji⁃ang.Additionally,the power function of water and sediment was applied to study the changing runoff⁃sediment rela⁃tionship and their correlation characteristic during different decades.It finds that the slope of runoff⁃sediment power function is steeper and the correlation coefficient of determination is larger in Xijiang.Furthermore,the distribution curves within year of monthly average runoff and sediment illustrate different characteristics for three tributaries. The changing runoff⁃sediment relationship is affected by the source of weather sediment and the human impact via soil-water conservation projects and the construction of reservoirs.

runoff⁃sediment relationship;cross wavelet transform;power function of water and sediment;the Pearl River

P 333；TV 11

A

1005-8443（2016）04-0405-06

2016-01-19；

2016-03-30

吴尧(1992-)，男，福建省漳州人，硕士研究生，主要从事河口水动力学研究。Biography：WU Yao（1992-）,male,master student.