南渡江水沙变化特征及其趋势分析

林尤文，于 淼，朱丽蓉，叶长青，黄俊霖

(1.海南省水文水资源勘测局，海南 海口 570228；2．海南大学生态与环境学院，海南 海口 570228；3.海南大学旅游学院，海南 海口 570228)

径流量和输沙量是重要的水文参数，对河势稳定和河道演变有重大影响，众多学者关于水沙关系做了有意义的研究[1-3]。楚纯洁等[1]主要采用相关分析、双累积曲线法、累积距平法、R/S分析、Morlet小波分析等方法对水沙数据进行定量分析。对于水沙量年际改变态势，史红玲等[2]和王小军等[3]运用滑动平均法和Mann-Kendall法对水沙变化进行了研究。在研究水沙变化趋势和跳跃变化等方面，学者们多采用DMC(双累积曲线)、Mann-Kendall和小波分析等方法[4-5]。郭鹏等[6]使用斯皮尔曼的层级相关检验方法，线性回归与滑动平均这两种校验办法，对泥沙与径流改变的态势进行研究。张晓华等[7]应用Mann-Kendall、滑动平均等统计方法，对水沙变化态势与特点进行了研究。对于形成水沙变化的原因，武荣等[8]认为建设不少保持水土的项目是最为重要的原因；而赵广举等[9]指出原因在于人类行为与气候要素，比如保持水土和降雨等。而胡春宏等[10]则归究于两大要素即自然改变与人类行为。前者涵盖了流域中即降水量与下垫面改变，后者则涵盖了自然、水库项目、保持水土工程、采沙与水沙调制。胡春宏等[10]认为倘若较大规模地提高采砂水平，那么输沙量会出现改变，并且导致河道出现问题。然而，中国水沙变化规律与成因的研究集中于长江、黄河和珠江等大江大河，对热带地区具有独特的地域性的岛屿河流研究还比较少，南渡江流域内种植了大量人工橡胶林，植被格局存在明显的热带雨林和人工经济林相互转化。受到自然影响与人为影响，近年来南渡江流域水沙变化具有新的特点，其变化是否影响南渡江水沙运动等,一直是社会各界比较关心的问题。有必要研究典型流域变化环境下水沙变化规律及其影响机理，为丰富不同流域的径流泥沙规律和机理识别提供依据。本文以南渡江干流主要控制站龙塘站、支流控制站三滩站的观测数据为基础，分析了流域水沙变化的特点和趋势。

1 南渡江水沙基本特性

南渡江河长333.8 km，流域面积7 033.2 km2。整条河流倾斜贯穿，呈现出上低下高的地势，其源头是南峰山，并从此流向琼中、儋县、苟中，再经屯昌流至定安，并汇至海口市，最后流向琼州海峡[11-12](图1)。流域涉及人口约226万，占全省人口近30%。干流建有龙塘水文站，集水面积6 841 km2，占该流域面积的97%，目前，龙塘站控制以上地区干流1969年已建成大型水库松涛水库，总库容及兴利库容分别为33.45×108、20.83×108m3。龙州河是南渡江最大的支流，河长近99 km，源头是屯昌县黄竹岭山下，流向往南途经南吕农场，随即折返至东北方向的定安，并北上流经该镇后，向西行聚于南渡河。龙州河三滩水文测站控制集水面积达1 178 km2，龙州河三滩站控制以上地区基本没有大中型水库。

图1 南渡江地理位置

1.1 水沙年际组成

南渡江丰水少沙，龙塘站多年平均径流量为66.81×108m3，平均输沙量为53.12×104t；三滩站的年平均径流量为12.38×108m3，而平均输沙量为13.60×104t。南渡江龙塘站、三滩站各年代水沙量统计见表1。三滩站径流量各年际间没有明显的变化，但近期(1998—2000年)沙量有所增多(表1)；而对于龙塘站来说，其径流量也一样，在年际变化上无改变；可输沙量自1998—2007年间出现大量的下滑，比较1977—1997年的数据，发现年均减少沙量约33.82×104t。

表1 南渡江水沙地区组成变化

1.2 水沙年内变化

南渡江通常都是汛期才会出现输沙和输水的情况，而全年中特别是6—11月是输沙量和径流总量的高峰期，大致有80%～90%的比例，特别是大暴雨、强降水的时候，其多次的降雨量，比较整个年度来说，有近30%～40%。根据龙塘水文站历史资料，南渡江多年平均月入海径流量和输沙量均是典型的单峰型。在输沙量与径流总量上，前者的高峰期产生在9月，而后者却产生在10月，对比整年总量比例，前者占了25.5%，而后者占34.1%[13]。

1.3 水沙地区组成

流域水沙主要来源于南渡江干流和龙州河(表1)。龙州河三滩站集水面积占龙塘站的17.2%，但径流量和输沙量分别占龙塘站的18.6%和33.1%，输沙量占比较大。从水沙地区组成来看，1998—2007年龙州河输沙量有所增加，三滩站径流量为10.97×108m3，占龙塘站的20.6%。

2 南渡江主要测站水沙相关分析

2.1 水沙相关分析

从南渡江龙塘站、三滩站历年水沙量相关关系能够看出(图2)，三滩站近段时间的水沙点，大部分贴近1957—1976年这一区段，说明近年水沙关系没有出现明显的偏离，与往年水平基本相同；而龙塘站近期水沙相关点多数在相关线(1956—1976年)下方，说明近段时间，径流总量一样的前提下，相比别的年份，在输沙量上会有一定的下降趋势。

a)龙塘站

b)三滩站

2.2 累积水沙量关系

在研究水文气象要素长期演变趋势时，多位学者普遍应用操作简单、结果直观明显的双累积曲线方法(DMC，Double Mass Curve)进行一致性检验。DMC其概念是作为某种关联线，通过某个直角坐标，反映出2个变量的相关性，即与它们的累积持续数值有关。对于某个相同时间区域，倘若数据表现出的是正比关系，则在直角坐标中，2个变量的积累数值会是某条直线，而它们的斜率值是某个占比常数，即与两变量所指示的点有关。倘若产生曲线转折的现象，则其斜率值会突然扩大或者缩小，这代表着水沙改变较显著。而对于2个变量来说，其积累关联性突然变化的时间，便是斜率突然变化相应的年代[14]。

从龙塘站和三滩站水沙量双累积曲线(图3)可以看出：对于三滩站，自1967年起，其DMC便与曲线有些脱离，且往径流总量横轴靠近，说明泥沙输送能力大幅度下降，后又恢复，表明近年来输沙量增多；龙塘站双累积曲线在1970年后斜率显著减小，主要靠至径流总量这个横轴，代表着输沙量自1970年便出现降低的态势。

a)龙塘站

b)三滩站

3 南渡江水沙变化趋势初步分析

随时间的推移三滩站与龙塘站径流和泥沙呈现一定的趋势特征。进一步应用滑动平均与Spearman秩次相关检验等方法研究水沙变化态势。

3.1 Spearman秩次相关检验

使用Mi作为某些系列的等级相关，即年输沙量或者是径流总量，在时间序列等级相关上使用Ti表示，而N表示年数，那么对于它们间的关联性r，能够通过如下式子表示[15]：

(1)

a)龙塘站径流量N=52，c= 0.274,r=-0.151;输沙量N=50，c=0.280；r=-0.514。

b)三滩站径流量N=51，c= 0.277,r=-0.199;输沙量N=44，c= 0.299；r=0.003。

依照某个关系，即|r|>c，能够推导出在径流总量上，三滩站有一定的减小趋势而龙塘站则有轻微减小趋势，基本保持一致；而在输沙量上，三滩站无明显的改变态势，龙塘站却有显著的降低态势。

3.2 滑动平均法

滑动平均法其原理在于：挑选出若干连续值，其个数为2K，又或是多一个，即2K+1，对它们进行平均值求取，以此再对Yt这一新序列进行求解，由于受平均影响，它们的随机变化状况，相较于之前的情况有所降低，由此让之前的序列X呈现出一定的变化，即光滑性增强[16]。新序列Yt可表示为：

(2)

假设选取出某个恰当的数值K，让序列出现均匀的高频振动，没有特别突出的改变。倘若将K设定成数值5，则2K+1等于11，对于这11个点来说，选取出其中的中间点，并使用平均数值来替换，则出现如下公式：

Y6=1/11(Y1+Y2+Y3+Y4+Y5+Y6+Y7+Y8+Y9+Y10+Y11)

(3)

Y7=1/11(Y2+Y3+Y4+Y5+Y6+Y7+Y8+Y9+Y10+Y11+Y12)

(4)

三滩站与龙塘站，滑动平均两站的径流总量，且提取11个年份；而滑动平均两站的输沙量，则各自提取7年与9年(输沙量干流站点取9年，支流站点取7年)(图4)。并且反映出在径流总量上，前者有一定的降低形势，而后者则有稍许的缩减态势；而在输沙量上，前者无明显变化态势，而后者缩减态势显著。

a)龙塘站

b)三滩站

3.3 线性趋势的回归检验

在时间序列为线性的条件下，用简单线性模型表示：R=a0+aT+ε，T为时间，ε是服从正态分布的独立随机变量[15]。

统计量t=a/Sn服从t分布，显著水平ɑ在0.05的情况下相应临界值t0.025=1.684：

(5)

如果t大于1.684则表示变量变化趋势明显。计算结果如下。

a)龙塘站径流量a=-0.255 7,Sn=0.284 528 853,t=0.953 7;输沙量a=-0.953 7,Sn=0.221 678 833,t=1.153 4。

b)三滩站径流量a=-0.044 4,Sn=0.277 224 236,t=0.16015;输沙量a=0.044 6,Sn=0.051 123 614,t=0.872 39。

在径流总量上，三滩站有一定的减小趋势，而龙塘则有稍许的下降态势；而在输沙量上，三滩变化态势不明显，而龙塘下降态势显著。

总之，三滩站与龙塘站表现出的变化态势为：对于径流总量来说，三滩和龙塘稍有下降；对于输沙量来说，三滩没有明显改变，而龙塘有较强的下降态势。

4 讨论

a)径流变化分析。降水是影响径流的重要因素。李瑞娴等[17]根据雨量站和龙塘站资料，分析得到1956—2007年来降雨量和径流量均呈下降趋势，径流量下降幅度更明显。众多研究表明土地覆被变化是流域径流改变的重要驱动因子。马荣华等[18]指出海南中部的部分人工植被在人类正向干预的作用下变成了雨林等，涵养水土的功能比人工植被强。李瑞娴等[17]指出南渡江流域1982—2006年植被指数呈上升趋势，1987年前人类活动对流域下垫面地间接影响加剧了径流下降的趋势，2000年后随流域植被覆盖率的提高，径流下降趋势有所减缓。

b)输沙量变化分析。在增沙上，有着突出影响的是河底采砂或是伐林，而某些水利项目如水库等，能够有效地将水储存起来，并将沙拦截。南渡江干流1969年建有松涛水库，而支流龙州河则没有大型水库，水库可以蓄水、积蓄泥沙，这就导致龙塘站径流量和输沙量有下降趋势，而三滩站输沙量则没有明显变化。南渡江流域1982—2006年植被指数呈上升趋势，有利于减少输沙量。另外，河底采砂在一定程度上可以增加输沙量[15]。目前南渡江流域的河沙资源主要分布在大塘河、龙州河河道内，因为采砂在一定程度上能增加输沙量，导致三滩站的输沙量有所上升。

5 结论与建议

应用统计方法对南渡江水沙变化趋势研究，得出结果如下。

a)三滩站径流总量各年际间没有显著的变化，但1998—2000年输沙量增多；龙塘站在年际变化上，其径流总量同样无明显改变，但从1998—2007年输沙量明显下降，与1977—1997年相比，年均减少沙量约33.82×104t，减少约57.61%。

b)在径流总量变化趋势上，三滩站有一定的降低态势，龙塘站则有轻微的减少态势；在输沙量上，三滩站基本没有变化，而龙塘站却有显著的下降态势。

c)影响水沙变化因素中，降水量是径流量改变的主要原因，流域下垫面变化间接影响加剧了径流下降的趋势。而松涛水库拦沙则是输沙量减少的重要原因。