漓江流域旱澇拐點研究

黃 丹，郭純青，習麗麗，徐寧濤

(1.桂林理工大學a.廣西礦冶與環境科學實驗中心;b.環境科學與工程學院，廣西桂林 541006;2.遼寧省鞍山水文局，遼寧鞍山114039;3.遼寧省白石水庫管理局，遼寧朝陽 122000)

0 引 言

漓江起源于興安、靈川兩縣交界的貓兒山，流經桂林市區和陽朔縣，最后到達平樂縣城附近與恭城河交匯。漓江全長214 km，流域面積為12 285 km2[1－2]。漓江的桂林水文站徑流特征值為年均徑流量41.8 億m3，最大58.8 億m3，最小24 億m3，年均徑流深1 510 mm。年均降水量為1 853.7mm，徑流系數0.63，徑流模數48.2 L/(s·km2)，平均流量為132.6 m3/s。本文中，漓江流域指從興安至陽朔間的河段，流域面積為5 585 km2[2]。2014年桂林城區有集中供水自來水廠4 座，生產能力44萬m3/d[3]，全部以漓江水為水源。

漓江流域的旱澇與桂林旅游業的發展及市區人民的生產和生活息息相關。漓江流域旱澇產生的原因主要有[4－6]:(1)降雨的天數、降雨量時空分布不均等自然因素;(2)漓江流域用水量增加，用水過度;(3)上游水源林遭破壞等人為因素。戴新[7]認為漓江枯水期的水量逐年減少，主要是以下因素造成的:上游修建青獅潭水庫后攔蓄了水量;漓江上游的森林受到嚴重的破壞，蓄水保水的性能減弱;流域的降水量減少;桂林市工業和生活用水量不斷增大;河床抬高，河道受損等。然而，陳順天[8]對枯水期水量逐年減少，水源林破壞對旱澇的影響提出了質疑，根據桂林2 個水文站的實測資料分析，不論是年最小流量或枯水期平均流量，其變化均有明顯的周期性，均不存在逐年減少的趨勢。

拐點存在于自然和社會一切事物發生、發展、消亡中，它產生于一切事物的發展、變化、演化過程中，存在人類思維變化中。廣義上講，拐點是指事物發展過程中或運行速率發生本質變化的點[9]，是描述變化過程中的扭轉點，即從量變到質變的點，從漸變到突變的點。隨著“拐點論”在自然科學與社會科學研究中的不斷深入，“拐點”涵義也日趨完善。目前“拐點論”在社會科學中的經濟、歷史等方面取得了較多的研究成果[9－12]，但在自然科學領域，對拐點的研究還相對較少。

本文中拐點分為U 型拐點、倒U 型拐點和反N 型拐點(圖1)。U 型拐點中上升拐點為旱澇頻率和程度長時間或大幅度增多的點，而U 型減速拐點為旱澇變化減緩點，U 型加速拐點為旱澇增速的點。倒U 型曲線頂點為倒U 型下降拐點，為旱澇頻率和程度長時間或大幅度減少的點。倒U 型加速點為旱澇開始加速的點，而倒U 型減速點為旱澇開始減速的點。而反N 型拐點為U 型和倒U型長期積累的結果，即旱澇交替出現的結果。拐點的出現點為洪澇易發點，應該采取有效方法防治旱澇災害，旱澇的形成都有能量積累到能量釋放的拐點過程。對漓江流域旱澇拐點的研究有助于發現發生這些災害的本質，可以更好地幫助加強提高旱澇災害的監測、預報、預警和應急能力，進而有效實施防災減災工作。

1 降雨與徑流變化趨勢拐點分析

漓江流域氣候屬于東亞季風區，氣候溫和，雨量充沛，屬于豐水區。但夏季和冬季分別由不同氣流控制，漓江流域降雨年內分配極不均衡，有雨季和旱季之分，降雨量的季節分配不均直接影響了河川徑流的季節性變化，因而漓江流量也就相應有豐水期和枯水期之分，這也致使河川徑流暴漲暴落，洪澇和枯水問題突出。表1為漓江流域多年平均降雨量和流量年內分配情況，漓江枯水期水資源嚴重短缺，干旱缺水問題突出。根據國際水資源的豐缺標準，漓江流域屬于豐水地區[13]。然而，漓江是雨源型河流，受季風氣候影響，徑流年內分配極不均勻，豐水期和枯水期的流量相差很大。在漓江流域枯水期時，常出現旅游通航中斷或部分中斷、城市供水告急、水質惡化、生態環境用水受擠占等嚴重缺水現象，而在豐水期又極易發生洪澇災害。洪澇災害不斷發生和洪澇急轉直接制約了桂林市經濟社會的發展。對降雨量和徑流量的拐點進行分析，有利于尋找旱澇原因并幫助進行旱澇防御。從表1可見，降雨量月分配與漓江平均流量的月分配基本呈對應關系:漓江豐水期流量比值高于同期降雨比值，高出5.08%;而枯水期流量比值低于同期降雨比值，低5.08%[14]。原因是冬夏兩季流域內產流模式不同:夏季多為大暴雨，降雨速度大于下滲速度，降雨轉變成徑流的效率高;冬季長期干旱，土層干燥，且冬季降雨量少，降雨強度低，降雨轉變成徑流的效率低。

圖1 拐點類型Fig.1 Type of turning points

表1 漓江流域多年平均降雨量和流量年內分配情況Table 1 Average annual rainfall and flow in Lijiang river

如圖2和圖3所示，漓江月平均流量和流域降雨量從8月末出現倒U 型減速拐點，說明流量下降速度變緩，一直到次年2月底3月初倒U 型加速拐點出現，這段時間降雨量和流量是一年中最少的時間，為漓江流域旱季，其降雨量為370 ～430 mm，僅占全年降雨量的20% ～25%[4－6]。降雨量和流量從9月初開始繼續下降，但減少速度變慢直至11月中旬前后出現U 型上升拐點，說明降雨量和流量最低進入谷底，2月春雨開始，流量不斷增加，枯季便結束了。降雨量和流量一直不斷上升，到5月或6月左右到達下降拐點，這是一年中降雨量和流量最大的點，5、6月這兩個月的降雨量為507 ～683 mm，占全年降雨量的35%左右，這一時間是洪澇易發期，在此期間發生洪水數占洪水總數的66%，近100年來洪峰流量達到3 000 m3/s、洪水位超過146 m 危險水位災害性洪水都發生在6月。從3月末到9月初為漓江流域豐水期，其降雨量為1 100 ～1 400 mm，占全年降雨量的75% ～77%[6]。降雨量和流量的拐點出現時間基本吻合，印證了漓江是一條雨源型河流，徑流主要來自于降雨。而出現拐點的時間略有不同是因為豐水期比枯水期降雨量轉化為徑流量的效率高[4]。

由圖4可見，下降拐點出現在1982、1987、1994、1998、2002年，說明在這些年份易發生洪澇;而上升拐點出現在1986、1991、1995、2001年，說明這些年份易發生旱情。這也與歷史資料顯示吻合，其中1998年發生了洪水位超過146 m 危險水位的災害性洪水。

圖2 漓江流域流量拐點Fig.2 Turning points of flow in Lijiang river basin

圖3 漓江月降雨量拐點分布Fig.3 Turning points of monthly rainfall in Lijiang river basin

圖4 漓江流域平均流量拐點Fig.4 Turning points of the average flow rate in Lijiang river basin

1.1 降雨變化拐點分析

降雨對漓江流域的旱澇作用很大。從漓江流域1957—2006年歷年平均降雨量變化曲線(圖5)可知，降雨量有上升的趨勢，但上升趨勢不十分明顯。采用有序聚類法[15]對漓江流域的年降雨量序列進行拐點分析，由圖6可知，當τ =36 時，離差平方和Sn(τ)最小，由此得出漓江流域降雨量拐點在1991年。

圖5 漓江流域年降雨量變化曲線Fig.5 Changing curve of the annual average flow in Lijiang river basin

圖6 漓江流域降雨拐點分析Fig.6 Turning points of rainfall in Lijiang river basin

1.2 年平均流量變化趨勢及突變分析

圖7為漓江流域年平均流量變化曲線(1958—2003)，其上升趨勢并不明顯。用有序聚類法對年平均流量序列進行拐點分析，得到漓江流域年平均流量拐點分析圖。由圖8可知，當τ =34 時，離差平方和最小，由此得年平均流量最為突出的拐點在1991年。年平均流量的突變點位置與年降水量的突變點位置都在1991年，而青獅潭水庫對漓江補水(一期)工程從1986年開工建設，至1990年完工，這與1991年比較接近，說明造成漓江桂林水文站徑流變異的主要因素是降水突變等氣候變化，同時人類活動對漓江徑流序列的突變影響也比較大。

圖7 漓江流域年平均流量變化曲線Fig.7 Changing curve of the annual average flow in Lijiang river basin

圖8 漓江流域年平均流量拐點分析Fig.8 Turning points of the annual average flow in Lijiang river basin

1.3 最枯月平均流量變化趨勢及突變分析

圖9為漓江流域最枯月平均流量變化曲線(1958—2003)，用有序聚類法對最枯月平均流量進行拐點分析，從圖10可知，當τ=46 時，離差平方和Sn(τ)最小，因此漓江流域最枯月平均流量拐點出現在1987年，處于青獅潭水庫對漓江補水(一期)工程施工階段，最枯月平均流量拐點與降雨量和徑流量的拐點1991年接近但并不完全同步。這是由于最枯月平均流量不僅受降雨量控制，更可能是由于青獅潭水庫的修建蓄水所引起的。

圖9 漓江流域最枯月平均流量變化曲線Fig.9 Changing curve of the estimated monthly average flow in Lijiang river basin

圖10 漓江流域最枯月平均流量拐點分析Fig.10 Turning points of the estimated monthly average flow in Lijiang river basin

通過對研究區的洪枯水特征進行分析，統計發現漓江流域的多年平均月降雨量與桂林水文站的多年平均月徑流量大致呈現同步增長和降低趨勢，一般9月至翌年2月為研究區的枯水期;根據桂林水文站1936—2003年間的67 場洪水統計分析，年最大洪水主要發生在4—7月份，以5—6月份最多，災害性洪水則集中發生于6月份。

2 漓江流域植被覆蓋的拐點分析

森林在漓江流域水循環中作用很重大，雖然漓江流域的森林覆蓋率比較高，但是水源林所占比例卻僅為整個森林的30%，且質量較差。漓江流域植被平均蓄積量僅為44.1 m3/hm2，遠遠低于全國平均值90 m3/hm2。楊永德等利用GIS 對漓江流域TM/ETM + 影像監督分類結果作出測量[16]，結果見表2。

表2 不同生態區監督分類統計Table 2 Classification of different patterns

圖11 漓江源頭水源林面積拐點Fig.11 Turning point of ecosystem areas at the source of Lijiang river

由圖11可見，漓江水源林區的面積在最近幾十年里的變化趨勢是先增多再減少，拐點出現在1998年前后。漓江水源林區的面積從1986年的1 584 km2減少到2002年的1 222 km2，面積總量減少約22.8%，表明了漓江源生態環境在退化[16－17]，而造成這種退化的時間主要是從1998年以后。鄧世宗等[18]認為，30年內水源林蓄積量總共下降了30%多，水源林受到嚴重的破壞，涵養水源功能急劇減弱。因此必須保護好漓江上游現有的森林，尤其是常綠闊葉林，計算得到增加2.65 ×104hm2常綠闊葉林，使其覆蓋率達32.95%，使森林覆蓋率達到60.4%，漓江枯水期各月流量就可以增加4 m3/s，枯水期就可能從現在的6 個多月縮短為2 個月甚至2 個月以下[18]，這樣就可以大大緩解漓江枯水期的干旱問題。

由于亂砍濫伐，近30年來漓江水源林破壞嚴重，林區的面積也急劇減少，水源林的減少導致漓江流域蓄水保土的性能減弱，水位流量也發生了變化。以貓兒山林區的社水河為例:2002年的正常流量僅為0.7 m3/s，只相當于1995年以前枯水期的流量，而現在枯水期流量只有0.3 m3/s，導致河水顯著減少的一個重要原因就是亂砍濫伐，使得森林的固土保水、維護生態環境的功能減弱[19－20]。

3 漓江流域最小生態需水量拐點分析

漓江流域雖然水資源豐富，但其時間和空間分布卻極為不均勻，導致漓江流域枯季水資源緊張，加之在以前的水資源配置中對生態需水的考慮并不全面，使得生態用水被擠占，這也導致了河流生態系統功能有一定的受損。基于此，對漓江流域旱澇的研究離不開對漓江流域生態需水量進行研究。Covic[21]在1993年提出生態需水量的定義，即保證恢復和維持生態系統健康發展所需要的水量。對漓江桂林站1958—2003年徑流量進行統計，月天然徑流量排序結果如表3。

表3 漓江排序過后的天然徑流量Table 3 Natural runoff in Lijiang river basin after sortingm3/s

研究表明，10%的河道流量是最低下限，如果河道流量低于10%，則河流生態系統健康得不到保障，河流的生態環境就會遭到破壞[22]。因此，采用改進后的月保證率設定法計算漓江生態需水量[23]。

設i 保證率下第j月的某一推薦流量等級(k)的河道生態需水量為Qi，j，k，根據月保證率設定法其公式為

式中:Ri，j表示i 保證率下第j月的月徑流量;Ri，ave表示i 保證率下的年平均徑流量;Wk為某一推薦流量等級(k)所采用的年平均徑流量比例。用式(1)計算得到的不同保證率下的逐月河道生態需水量，可能會出現最小生態需水量小于月平均徑流量10% 的情況，因此在這種情況下需依照下式進行修正[23]

式中:Rave，j表示多年平均第j月的月徑流量;Rave，ave表示多年平均年徑流量。

根據式(2)計算出漓江不同保證率下最小生態需水量，由圖12可以看出，在10月到來年3月的枯水期，保證率越高，最小生態需水量越少;而在3月份出現的拐點和8月份出現拐點之間，保證率對最小生態需水量的影響較少，說明河流徑流量的年際變化對生態需水量的影響在枯水季節表現的比豐水季節明顯。對比漓江月平均流量(圖13)，生態需水量拐點出現的時間和月平均流量的時間基本一致，說明月平均流量對生態需水量的影響較大，而河流徑流量的年際波動對河流最小生態需水量影響卻較小。因此，河流生態最小需水量是維持河流生態系統穩定和發展的剛性需求。

圖12 漓江同保證率年份逐月生態需水量(最小)Fig.12 Monthly ecological flow requirements in Lijiang river basin under different guaranteed rates

圖13 漓江月平均流量(1976—2003年)Fig.13 Average monthly flow in Lijiang river

4 結束語

根據大量數據對漓江降雨量、植被變化和生態需水量與漓江徑流量間的關系進行了分析。在分析結果圖中出現了大量的拐點:其中漓江月平均流量與降雨量拐點重合說明漓江是一條雨源性河流，其徑流量主要受降雨影響;漓江年平均流量、最小流量與最枯月平均流量的拐點，其徑流變異的主要因素除降水突變等氣候變化，人類活動對漓江徑流序列的突變影響也比較大;植被覆蓋率倒U 型拐點的出現，說明近些年植被破壞嚴重也是漓江旱澇的一個主要原因;生態需水量拐點出現的時間和月平均流量的時間基本一致，這說明月平均流量對生態需水量的影響遠遠大于河流徑流量的年際波動的影響。

通過分析印證了漓江旱澇出現與降雨和徑流的分布不均，與補給區植被覆蓋率和流域生態需水量的增加有關。漓江流域已不是一個純自然系統，而是一個自然界與人類社會相互影響的復合系統。這個系統不僅服從于自然規律，受自然規律的影響，同時還受社會規律和經濟規律的影響，而且來自人類的影響越來越大，人類很多的行為也成為引發漓江旱澇的一個重要原因。近年來通過修建水庫蓄水、植樹造林等方法對旱澇起到一定的緩和作用。要想減少漓江流域旱澇帶來的災害，必須科學的規劃漓江流域的水資源，做到科學的可持續發展。

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