本文收集了珠江流域进入珠江三角洲之前西、北、东江的主要水文控制站——高要站、石角站、博罗站1960—2017年年度及月度输沙率数据,长时间序列输沙率数据来源于广东省水文局(历史测量数据),中山大学(历史保存数据)与《中国河流泥沙公报》(2002—2017年)。珠江流域主要大坝建设数据来源于中国大坝工程学会网站。

(1)输沙率年际变差系数(S_v)与输沙率年际极值比(S_w)。珠江流域西、北、东江1960—2017年径流年际变化特征值计算结果见表2,西、北、东江输沙率变差系数(S_v)值在0.5左右,总体数值较大,说明珠江流域输沙率年际变率较大,输沙率稳定性较差,稳定性大小顺序为北江大于西江大于东江,西、北、东江输沙率变差系数(S_v)值与输沙率年际极值比(S_w)值变化趋势有所不同,输沙率年际极值比(S_w)值介于7.15～16.15,北江与西江S_w值较大且较为接近,说明北江与东江更易出现输沙率的极大值或极小值点,综合输沙率变差系数(S_v)值与输沙率年际极值比(S_w)值可以发现,东江为三江中输沙率变异性最大的支流。

表2 1960-2017年珠江流域西、北、东江输沙率年际变化特征

(2)M-K趋势分析法与滑动平均法。用于诊断连续水文序列趋势性方法较多,其中应用最广范、最为简便直观的方法为M-K趋势分析法与滑动平均法,本文分别用这两种方法对珠江流域西、北、东江1960—2017年输沙率趋势性进行分析。

由图2可知,高要、石角、博罗站历史输沙率变化幅度较大,西江、东江输沙率明显下降,通过M-K趋势检验法检测发现,西江高要站输沙率变化曲线UF与UB在2001年前后相交,交点位于0.05置信区间内,证明高要站输沙率在2001年开始出现下降趋势,UF在2004年之后始终位于0.05置信区间之外,输沙率持续下降。高要站2001—2016年平均输沙率仅为1970—2000年的30%,在流量基本保持稳定的情况下,反映了西江含沙量的快速下降; 石角站2000年之后输沙率虽有下降,但下降趋势不明显,UF始终位于0.05置信区间之内,2001—2016年平均输沙率为1960—2000年的80%。东江博罗站自1987年前后开始下降,1990年之后UF始终位于0.05置信区间之外,下降趋势较明显,2001—2016年平均输沙率为1960—2000年的65%。

图2 1960-2017年高要、石角、博罗输沙率M-K检验

珠江流域高要、石角、博罗1960—2017年输沙率3 a滑动平均值与5 a滑动平均值见图3。可见,高要、石角、博罗水文站1960—2017年输沙率3 a滑动平均值与5 a滑动平均值较为相似,近几十年均呈现“上升—下降—上升”的波动过程,但3站输沙率总体呈下降趋势,尤其以西江高要站下降最为迅速,其次为东江博罗站,下降最缓慢的为北江石角站。对高要、石角、博罗1960—2017年输沙率数据作线性回归分析,研究其58 a间总体变化特征,线性回归方程见图3,高要、石角、博罗线性分析相关系数r值分别为0.33,0.04,0.34,由线性回归统计学可知,当α=0.05,n=58时,查表得相关系数r=0.259,3个流域中西江、东江|r|值大于r_0.05,证明这两个支流输沙率下降趋势明显,北江|r|值小于r_0.05,输沙率下降趋势不明显。综合图3逐年输沙率与3 a,5 a输沙率滑动平均值可知,西江高要站输沙率下降始于1997年前后,北江石角站下降趋势不明显,东江博罗站输沙率下降始于1984年前后。

综合比较滑动平均值(3 a,5 a)法与M-K趋势检验法,可以发现其反映的总体规律基本相似,两种方法都显示西江高要站与东江博罗站输沙率存在下降趋势,而北江石角站输沙率总体变化趋势不大。但其变化的时间存在差异,M-K趋势检验法检测西江高要站输沙率在2001年开始出现下降趋势,东江博罗站自1987年前后开始下降,这分别比滑动平均值法迟3～4 a,其主要原因是由于滑动平均法只是将3 a或5 a进行滑动平均,使曲线变得平缓,但并不能避免下降过程中会出现小的波动,从这一方面来说,M-K趋势在统计学上讲意义更大,同时滑动平均值法可以起到很好的检验作用,综合分析两种结果,认为1960—2017年珠江三角洲顶点处西江、东江输沙率下降趋势显著,起开始下降年份分别为2001年、1987年,北江下降趋势不明显。

图3 1960-2017高要、石角、博罗年输沙率及3 a,5 a滑动平均值

(3)累积距平法。高要、石角、博罗3站1960—2017年输沙率累计距平见图4,高要、博罗累积距平形状较为相似,都经历一个上升—下降过程,其上升、下降的转折点分别在1998年、1987年前后,而石角站累积距平曲线形状较为曲折,存在多个转折点。

(4)集中度与集中期法。珠江流域高要、石角、博罗水文站1960—2017年10 a尺度的输沙率集中度与集中期计算结果见表3,由表3可知,输沙率的年内集中程度为西江高于北江高于东江,西江高要站年内输沙率集中度在1960—2009年较为稳定,基本维持在0.8左右,2010—2017年迅速减小为0.7,北江石角站年内输沙率集中度自1960年以来基本呈增大趋势,东江博罗站年内输沙率集中度自1960年以来基本呈减小趋势,其RCD_year值较西江高要站与北江石角站略小。

图4 1960-2017年高要、石角、博罗输沙率累积距平

表3 高要、石角、博罗水文站年输沙率集中度与集中期

根据年输沙率集中期对应的角度,可以发现西江高要站年内输沙率主要集中在7月份,但近几十年其输沙率集中度对应数值在缓慢变小,说明其最大输沙率对应的月份不变,但在最大输沙月内最大输沙日期向前移动; 北江石角站输沙率集中期在5月、6月份交替出现,1970—1989年期间最大输沙发生在5月份,其余时间最大输沙发生在6月份,近几十年在季节尺度无明显向前或向后移动的趋势; 东江博罗站输沙率集中期在6月、7月份交替出现,近几十年其输沙率集中度对应数值在缓慢变大,说明其最大输沙率对应的时间在向后移动,1960—1999年期间最大输沙基本发生在6月份,此后最大输沙多发生在7月份。

(5)等值线图法。对1960—2017年高要、石角、博罗水文站月度输沙率作等值线图(图5),从等值线图中可以清楚地看出输沙率年内的分散程度与最大、最小径流出现的时间。输沙率等值线图与输沙率集中度与集中期表格演变阶段具有一致性,等值线图中年内输沙率较分散年份,输沙率集中度往往也较低,反之亦然,而输沙率集中期角度的波动与等值线图最大值的上下移动也有很好的对应性。

图5 1960-2017年高要、石角、博罗输沙率等值线

3.2.1 输沙率年际变化原因分析 影响河流年际输沙率变化的原因众多,而珠江三角洲输沙率年际变化受人类活动影响程度较大^[15-16],对珠江流域西、北、东江径流量近几十年分析,发现其径流量并未发生较大变化^[17],因此造成输沙率剧烈变化的主要原因是河流含沙量的变化。

图6为高要、石角、博罗1960—2017年河流含沙量的变化图。由图6可知,近几十年西江高要站、东江博罗站河流含沙量呈下降趋势,且西江下降率高于东江,北江石角站含沙量变化不大,含沙量的变化趋势与输沙率变化趋势相一致,且变化时间也基本吻合,西江高要站含沙量在1997年开始下降,东江博罗站含沙量在1987年前后开始下降。

图6 1960-2017年高要、石角、博罗站含沙量变化

人类活动主要通过影响河流含沙量的变化从而影响流域的输沙率,通过对国内外人类活动对流域输沙率的干预状况研究发现,人类活动主要通过两种方式改变河流的含沙量,一是流域植被覆盖率的变化,植被覆盖率影响土壤侵蚀,从而对河流含沙量产生影响,而植被覆盖率与国家或地区有关的环境政策与流域的综合管理或治理情况有关; 二是流域大坝、水库的修建,大坝、水库在完成其蓄水的同时,也使大量的泥沙在大坝前或水库中积聚,从而改变下游地区的含沙量。

据珠江水利委员会水农处通过遥感资料统计,1984—1988年相比1954年,水土流失土地的面积增大了38.9%,从而使大量泥沙下泄,增大了河流的含沙量,这与图5对应较好,由于西江来沙量占珠江流域总的来沙量的绝大部分,在这两个时间点其变化特征也最大,北江偏小,东江虽呈现下降趋势,但由于其输沙量在珠江流域所占比例较小,不影响总体的变化。1982年全国第4次水土保持工作会议以后,水土保持治理工作逐渐开展,这是珠江流域含沙量下降的一个原因。

但随着新建大坝、水库数量及库容量的增大,这些大工程也越来越成为影响流域河流含沙量的一个重要因素^[18],本文统计了珠江流域较大规模大坝、水库的修建情况,包括大坝、水库的库容及建成时间,具体数据见表4。西江流域较大的水利工程一般在1997年之后,1997年建成的天胜桥水电站其库容量高于前期建成的较大规模的水库库容量之和,而2006年建成的龙滩水电站,是当今珠江流域最大的水利工程,同时也是继三峡水电站之后国内第二大水电站,其库容量高达273亿m³,对于泥沙的积聚作用巨大^[18]。由图5可以看出,含沙量在这两个时间节点都有明显的下降过程,可见大坝、水库的修建对于含沙量的减小具有明显的作用。北江水电站规模较小,且修建时间较早,大坝修建引起的含沙量的降低与水土流失造成的含沙量的增大互相抵消一部分,导致含沙量变化不大,而东江1969年修建了新丰江水电站,库容量高达139亿m³,相比于东江较小的输沙率占比(图7),其库容量相对较大,在1969年之后博罗站含沙量有一个下降过程,此后随着枫树坝与白盆珠水电站的建成,其含沙量又经历了一个下降过程。

3.2.2 输沙率年内变化原因分析 珠江流域高要、石角、博罗输沙率年内变化主要与两个因素有关,一是径流的年内分配,二是年内河流含沙量的变化。通过对比高要、石角、博罗1960—2017年径流年内集中度与集中期^[17],发现高要站输沙率集中度与径流集中度变化特征相似,两者都表现为1960—2009年较为稳定,2010—2017年迅速减小,径流集中期与输沙率集中期基本相似,但输沙率集中度远远大于径流集中度,表现为输沙率年内更加集中,北江石角、东江博罗站输沙率集中度、集中期表现为与径流集中度、集中期密切相关。而分析河流年内含沙量分析,发现虽然整体含沙量呈下降趋势,但每个月相对全年所占比例变化不大,说明输沙率的年内变化主要与径流的年内变化有关,而径流的年内变化又与上文提到的大坝、水库的修建有关。

表4 珠江流域较大规模水库建设情况

图7 1960-2017年高要、石角、博罗分沙比