变化环境下西江下游高要段水沙变化及原因分析

高敏华

(广东省水文局肇庆水文分局，广东 肇庆 526060)

1 流域概况

西江发源于云南省曲靖市沾益区马雄山，在广东省珠海市的磨刀门注入南海，全长为2 214 km[1]，集水面积约为353 120 km2。其中南盘江与红水河为西江上游，黔江与浔江为西江中游，梧州以下为西江下游。梧州至高要两岸多为丘陵、山地，穿西江猪乸、三榕、大鼎、羚羊四峡。其中：猪乸峡长为2 km，三榕峡长为5 km，大鼎峡长为1 km，羚羊峡长为7 km，最窄处宽约为330 m，河谷切割深约为100 m，羚羊峡上、下基本属堤围区。

梧州水文站是西江干流控制站，集水面积为327 006 km2，占西江集水面积的94.6%，占西江(广西境内)年径流总量的85%[2]。梧州水文站断面以上一级支流有桂江、右江、邕江、郁江、柳江以及清水河，二级支流有左江、洛清江、龙江，三级支流有黑水河。

高要水文站为西江进入广东省后首个干流控制站，位于西江梧州水文站下游约167 km处，集水面积为351 535 km2，占西江集水面积的99.6%。高要水文站多年平均年径流量为2 187×108m3，多年平均年输沙量为5 848×104t，多年平均年降水量为1 584.0 mm。本站断面上游约1.3 km有西江大桥；下游右岸2 km处的新兴江汇入，3 km处有阅江大桥，11 km为羚羊峡，峡长约9 km，峡谷内河槽收缩，约44 km经思贤滘与北江联通。

梧州水文站下游有三大支流汇入西江干流，分别为贺江、罗定江以及新兴江，其中新兴江从高要水文站下游右岸2 km处汇入。梧州水文站至高要水文站河段共有4个水文站和4个水位站，其中4个水文站点均位于西江支流，分别为位于贺江的南丰水文站，位于罗定江的罗定古榄水文站、官良水文站，位于渌水河的小罗水文站。西江水系分布见图1。

2 数据来源

西江下游高要段有区间雨量站27个(西山、大水口、白梅、大冲、大堡、马跡河、金林、高良、桂圩、加益、泗沦、榕木寨、小垌、沙口、宁沙、云霄、罗定、船步、山垌、山田、金鸡、高村、莫村、悦城、佐岗、水尾、平水)、水位站4个(古榄、封开江口、德庆、六都大堤)以及6个水文站(梧州、南丰、小罗、罗定古榄、官良、高要)，分布如图2所示。

本文使用的数据为1974—2018年(45年)西江下游梧州水文站、高要水文站年径流量及年输沙量、官良水文站年输沙量资料以及35个区间站点的降水资料。以上数据来源于《中华人民共和国水文年鉴(珠江流域水文资料)》。

3 水沙变化特征

3.1 径流量的变化特征

对西江下游高要段的径流量变化情况进行分析，将西江梧州水文站及西江高要水文站年径流量时间序列进行累计距平法[3-4]检验，这样能直观地了解西江下游高要段的径流量变化情况(见图3)。

通过累积距平法检验，梧州水文站年径流量时间序列在1982年、1992年、2003年以及2013年均发生趋势变化(见图3)。高要水文站年径流量时间序列趋势变化情况与梧州水文站年径流量时间序列趋势变化情况基本一致，在1982年、1992年、2003年以及2013年均发生趋势变化。

图3 梧州水文站、高要水文站年径流量累积距平曲线示意

3.2 输沙量的变化特征

梧州水文站和高要水文站年输沙量年际变化对比见图4，由图4可见，1974—2018年，梧州水文站和高要水文站的最大年输沙量均出现在1983年，分别为14 000×104t和13 100×104t。1994年，两站年输沙量差值最大，梧州水文站年输沙量仅为高要水文站的61.7%。

图4 梧州水文站、高要水文站输沙量年际变化示意

梧州水文站、高要水文站年输沙量累积距平曲线见图5，由图5可见，梧州水文站年输沙量在1974—1993年呈增加的趋势，1993年累积距平值达到最高值后，输沙量呈持续减少的趋势，时间序列的突变时间出现在1993年。

图5 梧州水文站、高要水文站年输沙量累积距平曲线示意

由表1可见，梧州水文站1994—2018年年输沙量最大值为7 200×104t，较变异前1974—1993年的14 000×104t减少了48.5%；1994—2018年年输沙量最小值为420×104t，较变异前1974—1993年的2 010×104t 减少了79.1%；1994—2018年年输沙量平均值为2 630×104t，较变异前1974—1993年的7 390×104t减少了64.4%。岩滩水电站在1992年投入运行后，根据岩滩水电站入库泥沙率及出库泥沙率计算的1992—2002年岩滩水电站拦截泥沙量为每年4 240×104t，拦截率达到71%，大量泥沙被岩滩水电站拦截[5]。梧州水文站输沙量在1993年后呈减少的趋势与岩滩水电站蓄水截沙有一定的关系。

表1 梧州水文站年输沙量各阶段变化情况 104 t

高要水文站年输沙量时间序列累积距平法及Mann-Kendall[6-7]突变检验法检验分别见图5和图6，由图5、图6可见，通过累积距平法检验，高要水文站年输沙量时间序列在1974—1988年呈上升的趋势，1989年有所下降，1989年年输沙量较1988年减少68%，1989年后输沙量继续呈上升的趋势，至1998年累积距平值达到最高值后，输沙量持续减少的趋势。由Mann-Kendall趋势检验，1998年以后，高要水文站输沙量呈显著减少的趋势。高要水文站年输沙量的突变时间出现在1998年。

图6 高要水文站年输沙量的M-K趋势检验曲线示意

高要水文站1974—2018年年输沙量各阶段变化情况见表2，由表2可见，高要水文站1999—2018年年输沙量最大值为5 760×104t，较变异前1974—1998年的13 100×104t减少了56%；1999—2018年年输沙量最小值为805×104t，较变异前1974—1998年的2 460×104t减少了67.3%；1999—2018年年输沙量平均值为2 470×104t较变异前1974—1998年的7 620×104t减少了67.7%。1999—2018年，高要水文站年输沙量呈减少的趋势。

表2 高要水文站年输沙量各阶段变化情况 104 t

4 降水对水沙关系的影响

径流量与输沙量、降水量密切相关，梧州水文站位于高要水文站上游167 km处，梧州以下为西江下游，西江梧州至高要段主要汇入河流有贺江、罗旁水、罗定江、渌水河、马圩河及悦城河。以泰森多边形赋予权重对梧州水文站以下至高要水文站流域内(西江干流、贺江、罗旁水、罗定江、渌水河、马圩河、悦城河)35个雨量站点的1974—2018年年降水量数据进行计算，得到流域区间降水量。

西江高要段1974—2018年流域区间年径流量由高要水文站年径流量与梧州水文站年径流量差值求得。对1974—2018年流域区间年径流量进行累积距平法检验见图7。由图7可见，区间年径流量在1974—1978年呈增加的趋势，1979—1992年呈现减少的趋势，1993—2002年呈现增加的趋势，2003—2013年呈现减少的趋势，2014—2018年呈现增加的趋势。

图7 流域区间年径流量累积距平曲线示意

通过对高要水文站区间年径流量与流域区间降水量1974—1978年、1979—1992年、1993—2002年、2003—2013年、2014—2018年进行Pearson相关系数[8-9]计算，进行降水变化对径流量变化影响程度的分析见表3和图8。

由表3和图8可见，1974—1978年，区间年降水量均值为1 490.9 mm，区间年径流量与区间年降水量的相关系数为0.251，未通过0.01(0.875)显著性水平检验。1979—1992年，区间年降水量均值为1 479.2 mm，较1974—1978年减少0.8%。区间年径流量与降水量的相关系数为0.271，未通过0.01(0.623)显著性水平检验。1993—2002年，区间降水量均值为1 557.3 mm，较1979—1992年增加了6%。区间年径流量与降水量的相关系数为0.528，未通过0.01(0.708)显著性水平检验。表明这一阶段区间年径流量的增加与区间降水量变化相关，但影响程度不显著。2003—2013年，区间降水量均值为1 470.7 mm，较1993—2002年减少了6.2%。区间年径流量与降水量的相关系数为0.796，通过0.01(0.684)显著性水平检验。表明这一阶段区间年径流量的减少与区间降水量的变化相关，且影响程度显著。2014—2018年，区间降水量均值为1 592.9 mm，较2003—2013年增加8.3%。区间年径流量与降水量的相关系数为0.816，未通过0.01(0.875)显著性水平检验。1974—2018年各阶段区间年径流量和区间年平均降水量相关性整体不显著。

表3 流域区间年径流量及降水量各阶段均值

图8 1974—2018年不同阶段区间年径流量和区间年降水量相关关系示意

西江下游高要段1974—2018年流域区间年输沙量由梧州水文站年输沙量与高要水文站年输沙量差值求得。对流域区间年输沙量序列进行累积距平法检验见图9，由图9可见，1974—1983年流域区间输沙量呈减少的趋势，1984—1999年流域区间输沙量呈增加的趋势，2000—2005年呈现波动变化的阶段，2006年累积距平值到最大值后，流域区间输沙量呈减少的趋势。

图9 流域区间年输沙量累积距平曲线示意

通过对流域区间输沙量与流域区间降水量1974—1983年、1984—2006年、2007—2018年3个阶段进行Pearson相关系数计算，对降水变化对输沙量变化影响程度进行分析。

由图10可见，1974—1983年，流域区间输沙量与降水量的相关系数为0.296，未通过0.01(0.708)显著性水平检验。表明这一阶段年输沙量的减少受降水量变化的影响较小。1984—2006年，流域区间输沙量与降水量的相关系数为0.488，未通过0.01(0.505)显著性水平检验。表明这一阶段年输沙量的增加受降水量的变化影响较小。2007—2018年，流域区间输沙量与降水量的相关系数为0.243，未通过0.01(0.661)显著性水平检验。表明这一阶段流域区间输沙量的减少受降水量的变化影响较小。

图10 1974—2018年各阶段流域区间输沙量和区间年降水量相关关系示意

根据梧州水文站至高要水文站区间径流量与区间输沙量的变化趋势，分阶段对流域区间降水与两者的相关性进行计算分析。表明1974—2018年西江高要段区间径流量的变化受流域区间降水的影响较小，人类活动是影响区间径流量变化的主要因素。

5 人类活动对水沙关系的影响

随着社会经济的快速发展，越趋频繁的人类活动对河流水文情势的变化造成的影响越发显著。水利工程的蓄放水对河流的径流变化产生直接的影响，同时水利工程对河道泥沙的拦截也直接使流域输沙量减少；城市化、森林砍伐、矿产开采、植被覆盖率的变化导致流域下垫面发生改变，也使流域径流和输沙量产生变化；上游来水及来沙的变化、河道采砂量的变化使河床形态发生改变，从而对河道水位产生影响。

影响西江下游高要段输沙量变化的众多人类活动中，以水利工程的建设运行影响最为直接和显著，随着西江流域水资源的持续开发利用，流域梯级水利工程的陆续建成运行，对西江下游水文情势变化的影响越趋明显[5]。

高要水文站位于西江下游，为西江进入广东境内后首个干流控制站，其断面上游167 km处为广西梧州水文站，高要水位站至梧州水文站河段，干流上无水利工程。支流贺江有合面狮水库，建成时间是1961年，总库容为3×108m3。

梧州水文站断面以上西江干流的主要水利工程有长洲水利枢纽、大藤峡水利枢纽、乐滩水电站(恶滩水电站)、百龙滩水电站、大化水电站、岩滩水电站、龙滩水利枢纽以及天生桥一级电站等(均为大(一)型水库，具体情况见表4)。

表4 梧州水文站断面以上水利工程一览

梧州水文站断面以上还有位于桂江的京南电站于1997年建成，库容为2.7×108m3，装机容量为69 MW；位于北流河下游的交口电站于1976年投产运行，装机容量为11 MW。位于右江上游的百色水利枢纽，2006年投产运行，总库容为56.6×108m3[10]。

高要水文站断面上游约1.3 km有西江大桥；下游右岸2 km处新兴江汇入，3 km处有阅江大桥，阅江大桥于2012—2017年进行施工建设，11 km为羚羊峡，峡长约9 km，峡谷内河槽收缩，约44 km处经思贤滘与北江联通。该河段受洪水涨落、北江洪水顶托和潮汐等诸多因素影响，枯水期大潮时有负流出现。

5.1 水利工程的影响

运用双累积曲线法绘制以累积年径流量为横坐标，累积年输沙量为纵坐标的关系线，来检验在排除降水量影响后，人类活动对年输沙量的影响情况。若关系线为直线，表示在排除降水量的影响后，年输沙量的变化只与年径流量的变化相关；若关系线斜率产生变化，则表示斜率产生变化的年份，人类活动对年输沙量的变化产生了影响。梧州水文站年径流量和年输沙量的双累积曲线见图11。

图11 梧州水文站年径流量和年输沙量双累积曲线示意

由图11可见，梧州水文站年径流量和年输沙量的关系线，斜率分别在1982年、1992年以及2003年发生变化，表明人类活动是影响年输沙量变化的主要贡献因子。1981年梧州水文站断面以上乐滩水电站投入运行，1992年岩滩水电站投入运行，2003年龙滩水利枢纽大江截流，2006年投入运行，其位于天峨水文站上游170 km处，天峨水文站1954—2006年输沙率为4 752×104t/a，占同期高要水文站输沙率的71%，表明高要水文站的输沙量变化主要受上游来沙量的影响[5]。随着梧州水文站断面以上水电站的增加，流域水库累积库容也随之增加，流域输沙量呈减少的趋势。

高要水文站年径流量和年输沙量的双累积曲线见图12，由图12可见，高要水文站年径流量和年输沙量的双累积曲线关系线，斜率的变化时间与梧州水文站的变化情况一致。表明高要水文站年输沙量的变化主要与上游水利工程蓄水对泥沙的拦截有关。

图12 高要水文站年径流量和年输沙量双累积曲线示意

5.2 水土保持的影响

水土流失问题也是影响输沙量变化的主要因素之一，据统计，1988年珠江流域水土流失面积达5.71×104km2[5]。城市人口的增加，城市化进程的加快，对土地的需求也越来越大，对山林荒地的开发程度也逐渐提高，这使流域内土壤植被覆盖率显著减少，造成水土流失。同时西江流域降水充沛，降水对流域内土壤的冲刷也是水土流失的其中一方面。1975—1988年，广西境内水土流失面积占土地总面积的4.5%～5.7%[10]。1974—1992年，梧州水文站和高要水文站年输沙量均呈增加的趋势，同期西江流域投入运行的水利工程的总库容为19.1×108m3，占高要水文站1974—1992年年平均径流量2 104×108m3的0.9%，对输沙量变化的影响较小，表明1974—1992年高要水文站输沙量的增加主要与气候变化以及水土流失有关。

1993—1998年，梧州水文站输沙量呈现小幅减少的情况，表明这一时期气候变化、上游水利工程对泥沙的拦截、流域内水土流失对梧州水文站输沙量的变化起共同的作用。但高要水文站输沙量在1993—1998年呈增加的趋势。图9中已对1974—2018年流域区间输沙量进行累积距平检验，可知，区间输沙量在1993—1998年呈增加的趋势，1999—2006年，区间输沙量无明显变化趋势；2007—2018年区间输沙量呈减少的趋势。结合西江梧州至高要段流域特点，分析西江梧州至高要段的一级支流罗定江上官良水文站年输沙量变化情况。

罗定江由于受其土壤的组成结构及森林砍伐、矿产开采等影响，流域内水土流失严重，有“小黄河”之称[11-12]。对官良水文站1974—2018年输沙量进行累积距平检验见图13，由图13可见，1998年后，官良水文站的平均年输沙量持续减少。1993—1998年，罗定官良水文站的平均年输沙量为96.9×104t，高要水文站输沙量在1993—1998年呈现一定的增长趋势，这与以罗定江流域为代表的的区间水土流失及气候变化有关。

图13 官良水文站年输沙量的累积距平曲线示意

高要水文站输沙量的突变时间出现在1998年，随着1991年《中华人民共和国水土保持法》的实施，西江流域水土保持能力显著提升，2002—2008年两广地区水土整治面积增幅为24.9%[5]。由表5可见，高要水文站1999—2018年平均年输沙量为2 470×104t，较1974—1998年的7 642×104t减少了67.7%；官良水文站1999—2018年平均输沙量为65.1×104t，较1974—1998年的147.5×104t减少了55.9%；1999—2018年平均区间年输沙量为549.5×104t，较1974—1998年的726.2×104t减少了24.3%，区间水土流失问题得到改善。1992年后，西江上游水利工程陆续投入运行水库工程的总库容为426×108m3，占高要水文站1993—2018年年平均径流量2 239×108m3的19%。

表5 高要、官良水文站、流域区间输沙量年际变化

6 结语

综上所述，在排除降水因素的影响后，高要水文站年径流量时间序列趋势变化情况与梧州水文站年径流量时间序列趋势变化情况基本一致，在1982年、1992年、2003年以及2013年均发生趋势变化。这表明高要水文站径流变化主要受到梧州水文站上游水利工程投产运行的影响。1974—2018年高要水文站年输沙量的突变点出现在1998年，1998年以后，输沙量呈下降的趋势，这与上游水利工程蓄水截沙及水土保持等因素有一定关系。梧州水文站1974—2018年年输沙量的突变点出现在1993年，1993年以后，输沙量呈下降的趋势。1993—1998年高要水文站年输沙量仍呈现增长趋势，这与以罗定江流域为代表的区间水土流失有关。随着梧州水文站上游水电站的陆续建成，1992年岩滩水电站投入运行，2006年龙滩水利枢纽投入运行，流域水利工程累积库容也随之增加，对泥沙的拦截量同时增加，流域输沙量呈减少的趋势。