近年来珠江流域水位-流量演变与成因分析

唐嘉琪，段 凯*，郝 璐

(1.中山大学土木工程学院，广东 广州 510275;2.南京信息工程大学应用气象学院，江苏 南京 210044)

随着城市化和工业化进程的快速推进，全球变化成为当下和未来人类社会发展所关注的共同问题。全球变化不仅仅包含了气候变化还包括人类活动对环境变化所造成的影响，导致了许多河流水文情势变化显著[1-4]，一定程度上破坏了水文时间序列的一致性[5-6]。ZHANG Q等[7]在分析1959—2005年珠江流域下游3个水文站的长流量系列以及马口站和三水站之间的流量比时，发现三水/(马口+三水)流量比增加是珠江三角洲河道形态变化(下切)的结果，气候变化对水文演变过程也有巨大影响；Yongqin David Chen等[8]指出珠江流域的年最小流量趋于增加，与年最小流量相比，年最大流量的标准偏差较大，对珠江三角洲的洪水减缓条件不利，干旱或洪水等极端水事件的发生概率将更高；易灵等[9]研究发现近年来人类活动对珠江流域径流量及时空分布整体影响较小，但对珠江流域洪水量级、以及西江、北江和珠江三角洲地区的水位流量关系影响较大。珠江流域是中国南方经济最发达的地区之一，同时也是中国洪涝灾害最为严重的地区之一。因此，从各方面研究分析珠江流域径流的变化趋势，有利于认识珠江流域水文情势变化的演变规律和影响因素，有助于认识人类活动和气候变化对复合流域造成的综合影响，为珠江流域的洪水灾害风险研究与水资源管理提供重要的参考。

1 数据及研究方法

1.1 数据

本文选取珠江流域位于干流和主要支流上的16个水文站近年来的流量和水位数据进行统计分析，序列长度为1997—2013年，且该序列资料通过累积平均曲线和差积曲线法分析均具有较好的代表性。水位和流量数据来源于广东、广西水文部门，少许水文站点缺失数据采用线性插值法进行插补，降水数据来源于国家气象局气象信息中心，水文站点和气象站点的地理位置分布见图1。

图1 珠江流域水库、气象和水文站点分布

1.2 研究方法

本文主要采用非参数 Mann-Kendall[1]趋势突变检验法、线性趋势等分析方法来检验流量和水位的趋势变化。Mann-Kendall是受到广泛应用的一种非参数检验方法[1]，具有检验范围宽、定量化程度高以及人为干扰性小等特点，更加适用于类型变量和顺序变量的检验。本文将对选取的16个水文站在1997—2013年的月平均流量和月平均水位时间序列进行分析，利用MK趋势检验得出在珠江流域17年来流量和水位在全年、枯水期(10月至次年3月)和汛期(4月至9月)月平均的变化趋势结果(表1)。

利用珠江流域1997—2013年实测的逐日流量和水位数据资料，通过水位流量关系的散点图进一步分析流域各站点的水位流量关系的变化情况。 根据MK突变检验法检验出各站点的水位和流量变化的突变点作为时段划分依据画出散点图，从几个对应时段散点的上移和下降的幅度大小判断各站点水位流量关系变化的情况。

2 结果与讨论

2.1 流量的趋势变化特征

从表1可以看出，汛期绝大部分站点的流量呈减少趋势，仅金鸡和河源2站汛期流量呈增加趋势，其中江边街、涌尾和迁江等5个站的汛期流量减少趋势达到了统计意义上(显著性水平=0.05)的显著性水平。枯水期流量有超过一半的站点呈增加趋势，其中大湟江口、河源和博罗增加趋势显著，江边街和柳州站呈显著的减少趋势。从年尺度来看，除了江边街、涌尾和柳州站的流量表现为显著的减少趋势，其他站点表现出的变化趋势均不显著。

2.2 水位的趋势变化特征

珠江流域水位与流量的趋势变化特征各不相同，但水位在各时间尺度上表现出相似的变化特征。整个流域共有13个站(占总站数的81%)的变化趋势通过了5%显著性水平检验，西江水系的大部分站点呈显著的升高趋势，北江和东江大部分的站点呈显著的降低趋势(表1)。其中，迁江、贵港和梧州在汛期呈显著的降低趋势，在枯水期和年尺度上西江只有贵港站呈显著的降低趋势，北江和东江只有河源站在各时间尺度上表现为显著的升高趋势。从整个流域的空间分布来看，流域各站点水位的时空变化差异很大。通常情况下，在自然河道中，若河道断面仅随沉积和侵蚀变化，那么水位变化是相对缓慢的，珠江流域的水位在时空间上呈现的显著变化趋势与流域各水系不同强度、不同方式的人类活动有关。

表1 珠江流域近年来流量和水位汛期、枯水期和年变化趋势的MK检验结果

2.3 水位和流量关系的变化特征

为了全面反映流域流量和水位在时间上的变化特征，利用1997—2013年实测资料进一步分析珠江流域水位流量关系变化，大部分站点历年水位流量关系变化幅度不大，本文选择其中变化比较显著的结果进行论述，图2为典型站点水位流量关系散点图，图中根据每个站点水位和流量对应的MK突变检验法检验出的时间突变点作为时段划分的依据。

柳州、平乐和河源站在1997—2013年的水位流量关系呈现相似的变化特征：在2005—2008年间，低流量下的水位均发生了大幅度的上升。其中，柳州站在汛期流量12 000 m3/s时水位上升幅度较小，但在流量为10 000 m3/s以下时上升幅度很大，上升数值约为2～10 m，其水位流量关系在2005—2006年发生跳跃，从1997—2005年单一稳定的水位流量关系到2006—2013年变为不稳定的水位流量关系；平乐站的水位流量关系从2008年开始逐年上移，从1997—2007年单一稳定的水位流量关系到2008—2013年变为不稳定的水位流量关系，且在同一流量下2008—2013年时段的水位与1997—2007年的相比，水位上升幅度与柳州站的一致；河源站的水位流量关系上升的时间连续较强，流量在1 600 m3/s以下时上升幅度非常显著，水位上升值约为1～3 m。

贵港、石角和博罗站近年来的水位流量关系均呈一宽带状分布，并且在近年来其水位流量关系均表现出不同程度的下移趋势。贵港站从2004年开始，在同一流量下其水位呈现明显的下降趋势，且在中高流量段水位下降的幅度最大，最大水位差约为4 m。石角站在任一流量下的水位基本保持相同的下移差值；博罗站在流量为1 000 m3/s以下时下降幅度大，每年的水位基本保持0.25m的下降幅度，流量在1 000 m3/s以上时的下降幅度比流量在1 000 m3/s以下的更大，1997—2013年的水位差最高值达到5 m。

a)柳州

d)石角

2.4 成因分析

水资源的形成遵循自然的水循环规律，越来越多的研究表明[10-18]，气候变化与人类活动会导致自然水循环发生显著变化，河川径流量和水位对气候变化和人类活动的响应敏感，一般来说，河川径流和水位，除了气候因素外，它同时受人类活动引起的流域下垫面变化的影响。对珠江流域近17年流量与水位的长期变化规律的分析可以看出，珠江流域的流量在汛期、枯水期和全年的时间尺度上存在着一定的差异性，大部分站点呈现减少趋势；而水位在空间分布上存在较大的差异，大部分站点呈现升高趋势；整个流域的水位流量关系也在近年来发生了复杂的变化。气候变化从多方面影响流域径流量和水位， 降水变化是影响流域径流最为直接的因素之一[19-20]，人类活动如采砂活动、水库建设等改变了流域下垫面，也会影响流域的产汇流机制。

2.4.1气候变化

由图3可见，在年尺度上(图3a)，珠江流域94.8%站点的降水量表现出不显著的减少趋势，流量呈显著减少趋势的3个水文站所在区域的降雨量均表现为减小趋势。在汛期(图3b)，几乎所有气象站的降雨量均呈现出减小趋势，其中有4个气象站的降雨量呈显著的减小趋势且均分布在西江流域，珠江流域汛期的流量变化大多数与降雨量的一致。在枯水期(图3c)，超过一半的水文站点流量在近年来有增加趋势，同时，有11个气象站的降雨量也表现出了增加趋势；其中江边街的流量以及其周围的气象站的降雨量均保持一致的显著减小趋势。

a)年尺度

c)枯水期

近年来西江和北江流量变化在年尺度、汛期和枯水期大多数与降水量基本一致，珠江流域属湿热多雨的热带和亚热带气候，在湿润地区，径流对降水的响应比径流对气温的响应更为显著[16]，张强等[21]研究结果表明在大于95%置信水平下降水和径流之间存在显著的相关性，降水对珠江流域地表水资源量具有决定性的作用。华南地区[22]以及珠江流域[17]冬季降水量呈上升趋势的区域要多于夏季降水量呈上升趋势的区域，这与本文流量的枯汛期变化研究结果也基本吻合，因此，1997—2013年，珠江流域西江和北江的流量在汛期和枯水期变化趋势不同的原因应该与气候趋势性变化有关，因为同期的降水量和流量的变化趋势基本一致。而在东江流域，各时间尺度上的降雨在近年来都表现为减小趋势，而流量却基本表现出增加趋势，研究表明[9]相对于整个珠江流域，人类活动对东江河流的来水量影响较大，且东江蓄水工程的建设对径流量年内年际分配有直接的影响。以博罗站为例，受已建的新丰江、枫树坝、白盆珠等蓄水工程影响，其多年平均汛期径流量由天然的76.5%变为实测的71.7%，而枯水期径流量由天然的23.5%增加到实测的28.3%，径流的年际变化更加均匀[9]。

2.4.2水库建设

到2010年，珠江流域现已经建成的大型水库约72座，总库容493.09亿m3，其中西江已有的大型水库36座，总库容290亿m3；北江流域的大型水库总库容已超过50亿m3，但其主要的水利工程尚不能对整个流域的水文过程起到控制性作用；东江流域拥有三大控制性水库——枫树坝、新丰江和白盆珠，总控制集水的面积达1.17万km2，以46.6%的比例占了东江下游博罗水文站以上控制面积[23]。北江、东江及西江部分站点的水位近年来变现为显著的降低趋势，一部分的原因考虑与珠江流域近年来水利工程的建设有关。

90年代中期北江干流中游河道陆续修筑了孟洲坝、白石窑、飞来峡等水利枢纽，其中1999年建成的飞来峡水利枢纽是广东省建国以来建设规模最大的综合性水利枢纽工程[24]，建库后的1999—2001年飞来峡坝下至河口镇105 km下游河段的河道累计冲刷沙量510万t，平均每年的冲刷沙量较建库前增加了近4倍，且冲刷河段主要在三水河口镇至石角区间的北江大堤河段[25]。整个北江流域的输沙量在20世纪90年代到21世纪初一直保持着减少趋势，且建库后5年的石角站平均输沙量比建库前的降低了50% ，近年来石角站的水位流量关系表现出大幅度的下移趋势(同一流量下的水位下降幅度为1～5 m)。

2.4.3水土流失

在1997—2013年期间，西江流域中上游大部分站点的水位呈增加趋势，这与中国不合理的土地利用方式以及肆意砍伐森林有关。据1995年全国第二次遥感调查统计，珠江流域水土流失面积为6.270万km2；另据《珠江流域2004年水土保持监测公报》，2004年珠江流域水土流失面积6.273万km2[26]；而据2011年全国第一次水利普查成果，珠江流域水土流失面积9.64万km2，占流域土地总面积的21.8%，水土流失区域平均土壤侵蚀模数2 790 t/(km2·a)，上游的南、北盘江也是中国水土流失最严重的地区之一[27]。也就是说，1995—2011年这10多年来珠江流域水土流失面积增加了53.7%，并且水土流失最为严重的江河位于西江流域。1955—2005年西江的柳州站和南宁站的输沙量呈上升趋势[26]，本文研究的南宁和柳州站年尺度下水位呈上升趋势。因此水土流失可能是西江流域的部分站点水位升高的影响因素之一。

2.4.4河道采砂

在1997—2013年期间，北江、东江下游和西江三角区部分站点的水位呈显著的降低趋势，主要是由人类的无序采砂活动所致[28]。城市化建设的快速发展，导致对沙子的需求量急剧增加，并且采砂活动在珠三角地区不均匀分布，沙子质量和运输条件决定了在不同区域的采砂量，从而导致珠江不同流域的河床下降的程度不同。在过去的20年中，北江三角洲的采砂量远远大于西江三角洲，东江下游河床的下降程度远远大于上游[28]。

20世纪70年代中期以前，北江下游北江大堤河段年淤积量约为48万～64万m3，之后人类开始在河道挖掘泥沙，到90年代初演变为大规模河道采砂，从1999—2007年已从北江干流下游河道取走河床泥沙1.49亿m3，相当于北江下游北江大堤河段近300年的自然淤积量。北江干流石角河道石咀至灵洲河段主槽河床(2007—2011年)大幅下切，平均下切幅度超过3 m[29]，在本文中北江下游石角站的水位流量关系在近年来也大幅度往下偏移。1980—2002年间东江下游以及东江三角洲的采沙总量达到了3.32亿m3[30]，1988—2002 年是东江干流河床下切最快的时段，惠州至东江口河槽容积共增加17 230.50万m3[31]。根据胡晓张等[32]2002—2015年东江中下游干流河床演变特征分析结论，20世纪90年代以后，河源至博罗区间河段两岸开发程度不高，断面变化相对较小；博罗以下石龙樊屋河段两岸开发程度教高，河道下切幅度也较大，且由于河道不均匀下切在东江干流下游最为集中，东江干流中上游河道的水位流量关系变化不大，但下游河道水位流量关系大幅度往下偏移，这与本文中东江下游博罗站的水位流量关系在1997—2013年的变化情况基本一致。整体来说，采砂活动严重的区域其水位在近年来也呈显著的降低趋势。

3 结论

a)整个流域共有13个站(占总站数的81%)发生了显著的变化趋势。从年尺度上看，珠江流域流量变化总体上比较稳定，只有西江的江边街、涌尾和柳州水文站表现出了显著的减少趋势。

b)汛期绝大部分站点的流量呈减少趋势，在枯水期有超过一半的站点流量呈增加趋势。流量在汛期和枯水期变化趋势不同的原因是汛枯不同时期降水量的变化趋势存在差异，气候趋势性变化是导致珠江流域的流量在汛期和枯水期变化趋势不同的重要因素。

b)汛期

c)西江流域大部分站点的水位呈现显著的升高趋势，水土流失可能是重要影响因素之一；而北江、东江下游和西江三角区部分站点的水位呈显著的降低趋势，贵港、石角和博罗站的水位流量关系呈不同程度的逐年下降趋势，这与水库的建设以及人类大量的采砂活动有关。