西北江三角洲低水位變化及其影響因素

李蓮秀, 顧展飛, 李玉隆, 趙 東

(1.鄭州航空工業管理學院, 土木建筑學院, 鄭州 450000; 2.四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室, 成都 610065; 3.四川省生態環境科學研究院, 成都 610041)

河流三角洲低水位的演變，是氣候變化和人類活動干擾共同作用下的結果，其對航運、供水和橋梁安全等均造成了不可忽視的影響[1-2]。以往對于低水位的研究，大多關注氣候變化所引起的水位振蕩，如厄爾尼諾現象造成低水位驟降[3]。但隨著近年來人類對河流三角洲系統開發利用程度的增大，人為干擾逐漸成為了影響低水位演變的主導因素。坐擁世界上最大城市群的珠江三角洲，其河網水位的演變無疑也在很大程度上被人類活動所控制[4]。蔣陳娟等[5]通過分析珠江三角洲河網區25個潮位站的長時間水位序列，發現從口門處至河網區上端，水位變化趨勢由下降轉為上升。賈良文和陸永軍等則進一步指出，20世紀80年代以來河網上段低水位大幅下降的主要原因是河床大量采沙導致河槽容積增大、河床高程明顯降低[1,6]。而進入21世紀后采砂活動的減弱，河床下切趨勢放緩，同時流域上游水土保持措施的實施和水庫對天然徑流的調節作用使得三角洲枯季來流量增大，加之海平面的逐年抬升，珠江三角洲低位水位在近年又有了一定程度的回升[7]。

雖然前人在人類活動對珠江三角洲水位演變特性的影響上已做了較多研究，但對于低水位階段性變化及其成因的探討和認識尚且不足。本文以1972—2017年以來珠江西北江三角洲頂點馬口、三水站的水位和河床地形資料以及流域降水數據為基礎，梳理兩站年最低水位的變化趨勢，并討論氣候因素和人類活動在低水位演變過程中的影響，以期為西北江三角洲水位演變的相關研究提供新的認識。

1 研究區概況

珠江流域是中國流域面積第三大的流域，面積達4.52×105km2，多年平均降水量和徑流量分別為1 200～2 200 mm和3 100億 m3[8]。流域內修建有龍灘水庫、新豐江水庫等多座大(一)型水庫(容積>10億m3)，其三大主流西江、北江和東江在廣東省東南部匯聚形成珠江三角洲(見圖1A)。本文研究區域為西江和北江共同沖積形成的西北江三角洲，其內坐落有廣州、中山、澳門等多座大城市，社會經濟發達，人類活動密集(見圖1B)。流域來水來沙經上游高要站和石角站輸入西北江三角洲，在頂點馬口、三水處重新分配后流經三角洲河網匯入南海。

圖1 研究區域簡圖

2 數據及方法

2.1 水文數據

本文使用的水文氣象數據主要包括：(1) 高要和石角站枯季徑流量數據，引自中國泥沙公報(2003—2017年)和Liu等[9](1972—2002年)；(2) 珠江流域內42個雨量站1972—2017年的月均降水數據，源自中國氣象局網站；(3) 1972—2017年中國南海海平面平均高度，源自美國國家海洋和大氣管理局網站(NOAA)；(4) 1972—2017年西北江三角洲馬口、三水站水位和河床高程資料，引自《珠江流域水文資料》(珠江三角洲河口區(一))和Wang等[10]。

2.2 Mann-Kendall檢驗法

Mann-Kendall檢驗(MK檢驗)是由Mann提出(1945年)、后由Kendall(1975年)改進的一種非參數檢驗方法[11]。MK檢驗不要求樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，可應用范圍很廣，因此被世界氣象組織推薦作為評估水文序列趨勢變化的方法。本文使用MK檢驗法評估西北江三角洲馬口、三水站年最低水位序列的變化趨勢，并識別出可能的趨勢突變點。

根據馬口站(或三水站)年最低水位序列(x1,x2, …,xn)構造一秩序列：

(1)

其中，

(2)

可見，秩序列Sk是第i時刻數值大于j時刻數值個數的累計數。在時間序列隨機獨立的假定下，定義統計量：

(3)

其中：UF1=0，E(Sk)，var(Sk)是累計數Sk的均值和方差，可由下式算出：

(4)

(5)

把時間序列x逆序排列(xn,xn-1, …,x1)再通過式(2—3)求出 UFk，同時令UBk= -UFk(k=n,n-1, …,1) ，UB1= 0。得到的統計序列UFk和UBk，UFk為正則表明xk序列呈上升趨勢，為負則表明呈下降趨勢，當其超過顯著性臨界直線時，說明趨勢顯著。UFk和UBk曲線的交點如果在臨界線之間，則其對應的時刻為可能發生突變的時間

2.3 相對權重法

相對權重法(relative weight)是由 Johnson和Jeff于2000年提出的一種估計線性模型中自變量相對重要性的方法[12]。本文使用該方法來量化各影響因素(降水變化、海平面上升、河床下切和水庫群對徑流的調節)對西北江三角洲低水位演變的相對貢獻率。該方法首先以自變量分解出的正交變量作為中間載體，然后分別通過自變量對正交變量、因變量對正交變量建立線性回歸方程，最后自變量的相對重要性則為兩組回歸系數平方的積的和。相對權重法的主要步驟簡述如下：

(1) 將自變量(降水變化、海平面上升、河床下切、人類活動對枯季徑流的擾動)和因變量(馬口、三水站年最低水位)進行標準化處理(X,Y)；

(2) 將標準化的自變量矩陣X進行奇異值分解，進而將矩陣X轉化為相互獨立的正交變量Z；

(3) 將正交變量分別與標準化的因變量和自變量建立線性回歸方程，求出因變量Y與正交變量Z的回歸系數Bk和自變量X與正交變量Z的相關系數λkj；

(4) 由于矩陣Z中的正交變量間是不相關的，因此，可用λ2表示正交變量矩陣Z所占原始變量矩陣X的貢獻比例。最后，各變量的相對權重εj可表示為：

(6)

由于相對權重是由原始變量經過正交轉換得到的，因此可以更好地避免變量之間的相互作用(多重共線性)的問題。此外，相對權重的一大特性為各個自變量權重之和等于整個模型的R2。最后，各自變量的相對權重可以以百分比的方式來表示，即：

(7)

3 結果與分析

3.1 西北江三角洲低水位演變過程

本文統計了西北江三角洲頂點處馬口、三水站1972—2017年年最低水位的變化情況。由圖2看出，馬口站年最低水位序列在1990年附近存在突變，1990年前水位序列趨勢線UF在0基準線上下波動，表明此期間年最低水位無明顯的變化趨勢；1990年后水位序列趨勢線UF下降到置信水平為0.05的基準線-1.96以下，表明水位呈現出顯著的下降趨勢。而水位序列的逆序列趨勢線UB在序列前14 a處于-1.96基準線以下，表明水位逆序列在此期間亦呈現顯著的下降趨勢，即正序列的后14 a可能表現一定程度的回升。據此將馬口站1972—2017年的低水位演變過程劃分為3個階段：波動期(1972—1990年)，年最低水位在-0.11 m的均值上下波動；突變下降期(1991—2003年)，年最低水位由-0.11 m大幅下降至-0.50 m以下；緩變回升期(2004—2017年)，年最低水位逐漸回升，到2017年已升至-0.30 m。

三水站的年最低水位序列的突變點雖然較馬口站前移2 a，但演變過程與馬口站相似，也可大致分為波動、突降和回升3個時期。因此本文將兩站年最低水位的演變過程統一劃分為波動期(1972—1990年)、突變下降期(1991—2003年)和緩變回升期(2004—2017年)。

3.2 低水位演變的影響因素分析

3.2.1 降水波動 在自然演變的條件下，河道內水位的變化往往受氣候因素(降水)的控制。由圖3看出，本文統計了馬口、三水站1972—1990年最低水位和當年最小月均降水量，回歸分析結果顯示兩者之間具有較好的線性正相關關系，表明在此期間降水因素是西北江三角洲頂點低水位波動的主導因素，低水位演變過程近似處于自然狀態。而用此時期擬合得到降水—水位關系式來預測各年份馬口和三水站的最低水位，可以發現，1990年前理論預測值與實測值吻合良好，但1990年后實測值要明顯低于理論預測值，表明1990年后兩站最低水位受其他因素的顯著降低，降水的波動此時已不再是最低水位變化的主導因素。

3.2.2 海平面上升 由于大河三角洲位于陸地與海洋的連接處，河網內的水動力特性被徑流作用和潮汐動力所共同控制，其水位也受到下游海平面的頂托，這種影響在枯季徑流作用較弱時更為明顯，因此在研究三角洲低水位的演變時不能忽視下游邊界海平面變化帶來的影響。圖4是1970—2018年中國南海海平面平均高度的變化情況，可以看到海平面整體上呈現持續上升的趨勢，1994年以前上升趨勢較為平緩，年均抬升約1.6 mm，而1994年后上升速度明顯加快，達到2.8 mm/a，在2004—2017年海平面整體抬升40 mm，是此期間西北江三角洲低水位有所回升的原因之一。

圖2 馬口、三水站年最低水位演變趨勢

圖3 馬口、三水站年最低水位與最小月均降水量之間的關系

3.3.3 河床下切 西北江三角洲因其優越的地理位置，經濟社會發展迅速，城市化程度高，人口密集，人類活動頻繁。人類對于河流系統的開發利用很大程度上改變了河床演變的進程，甚至成為河床演變的主導因素。為滿足城市化進程中對于建筑材料的需求，西北江三角洲在1980s中期興起了大規模人工采砂活動，加上1988年后西北江三角洲上游流域實施的水土保持措施和大型水庫的攔沙效應大幅削減了三角洲的泥沙來源，引起三角洲河網河床大范圍不均勻地下切[8,13]。由圖5統計的1972—2017年馬口和三水站斷面平均河床高程變化可知，1990年前兩站河床高程均保持相對穩定，而在1990年左右開始顯著降低，其中馬口斷面在1990—2006年平均下切深度超過5 m，三水斷面在1990—2006年平均下切深度也接近6 m。2006年后馬口斷面河床高程略有抬升，而三水斷面河床高程則繼續保持輕微的下切態勢。如此劇烈的河床下切勢必會使得西北江三角洲河道內的水位流量關系發生相應的調整，這也是1991—2003年馬口、三水站年最低水位發生大幅度下降的主要原因之一。

圖4 馬口、三水站年最低水位與最小月均降水量之間的關系

圖5 馬口、三水斷面河床高程變化情況

3.4.4 枯季徑流增大 為了滿足流域防洪安全以及日益增長的工農業用水需求，在1960—2006年，珠江流域共建設了19座大型水庫和超過8 000座不同規模的水庫大壩，這些水庫的容積超過894億 m3，接近珠江流域年徑流量的30%[10]。由此可見，在西北江三角洲上游流域的水庫群能對西北江三角洲的徑流過程產生強有力的調節作用。而進入2000s后，隨著國家科學發展觀的提出以及“可持續發展”理念、《水土保持法》等法律條例的推行，1950s以來毀林開荒亂象得到了有效控制，同時政府實施封育保護、生態修復和植樹種草等水土保持措施，使得流域內森林覆蓋率顯著提升，以廣東省為例、至2010年其森林覆蓋率上升至58.9%，是1985年的2倍多[14]。隨著森林覆蓋率的增大，加之流域水管理部門利用上游水庫群的聯合調度進行補淡壓咸，流域徑流的年內分配將發生很大程度上的調整[15-16]。如圖6A所示，累積徑流量與累積降水量呈現很好的線性正相關關系。參考Gao等[17]對于雙累積曲線轉折點識別方法的研究，基于Pettitt方法對該雙累積曲線的逐年斜率序列進行檢驗(見圖6B)，可以發現曲線斜率在2009年后發生轉折，呈現出較為顯著的增大趨勢(置信水平90%)，表明在相同的降水條件下，2009年后枯季的徑流量有所增大。這種在水土保持和水庫調節共同作用下的枯季徑流量增大，也是西北江三角洲低水位在近年有所回升的原因之一。為了進一步探討人類活動引起的枯季徑流擾動在低水位演變過程中的相對貢獻率，本文通過回歸分析擬合得到2009年前的枯季降水—徑流關系式，用各年枯季降水量代入關系式計算得到各年枯季徑流量理論值，將各年理論值與其對應實測值之間的差值序列視為代表人類活動引起的枯季徑流擾動的水文序列(見圖6C)。

圖6 基于雙累積曲線的西北江三角洲枯季徑流量與降水量關系及其突變檢驗

3.4.5 各影響因素對低水位演變的相對貢獻率 本文將馬口、三水站年最低水位序列作為因變量，兩站對應的流域枯季降水序列、海平面平均高度序列、河床高程序列和枯季徑流擾動序列作為自變量，運用相對權重法探討上述影響因素在年最低水位演變過程中的相對貢獻率。表1的相對貢獻率計算結果表明，在1972—1990年，降水因素是影響低水位變化最主要的因素，其對馬口和三水站年最低水位變化的貢獻率分別達到50.62%和66.48%，明顯超過其他3個影響因素，這是因為在近似自然演變狀態下河道水位變化主要受氣候條件的控制。而1991—2003年，降水因素對于馬口和三水站年最低水位變化的貢獻率分別降至17.92%和27.25%，已不是引起低水位變化的主要原因，此時對馬口和三水站年最低水位的顯著降低起主導作用的影響因素是河床地形的變化(河床的下切)，貢獻率分別達到55.81%和59.59%，這也與賈良文和陸永軍等[6-7]得到的珠江河網大量采沙導致河網上段低水位大幅度降低的結論相一致。進入2004—2017年，河床地形變化趨緩，其對低水位變化的影響也明顯減弱，而此時馬口、三水站低水位在海平面的持續抬升和枯季徑流增大作用下出現回升的現象。對于馬口站，海平面上升和徑流增大對其年最低水位變化的貢獻率分別為29.88%和40.83%；三水站兩者的貢獻率則分別為30.56%和45.02%。可見水土保持和水庫調節對枯季徑流的增大作用還是這一時期低水位回升的最主要原因。此外，流域降水的周期性增大，也對低水位的升高起到一定的作用，貢獻度為15%～20%。

表1 各影響因素對馬口、三水站年最低水位演變的貢獻度 %

上述影響因素中，年際降水波動和海平面上升主要受到自然(氣候)因素的控制，而河床地形變化以及枯季徑流擾動的主要驅動力則是強人類活動的影響，如大規模的河網采砂、流域上游的水土保持措施及大型水庫建設。可以看到，在1990年以前，影響馬口、三水站年最低水位演變趨勢的主導因素是氣候條件的變化(55%～73%)；而1991—2003年，珠江河網地區人類活動影響呈現出無序且劇烈的發展態勢，其對低水位的影響程度(61%～69%)也超過了氣候條件變化所帶來的影響；2004年以后，隨著珠江三角洲及流域水管理部門對開發活動的科學規劃，區域的無序開發得到一定程度的治理，人類活動對于低水位的影響程度有所減弱(接近50%)，本時期低水位受到人類活動和氣候因素的共同控制。值得注意的是，諸如修建水閘、丁壩等河道整治工程，也會顯著地改變局部地區的低水位，但本文沒有考慮此類人類活動的影響。此外，區域的取水用水也會對低水位造成一定的影響，本文統計了1997—2019年廣東省年用水總量變化情況見圖7[18]，可以看到2010年以前，用水量呈現出平穩增長的態勢，而2010年以后，隨著用水結構的調整優化，用水量有了一定程度的下降，2019年用水量比2010年減少了約56億m3(遠小于流域年徑流量3 100億m3)。用水量的變化對低水位的回升具有一定貢獻，但相比于水土保持措施及大型水庫建設等人類活動，其影響程度十分有限。

圖7 廣東省年用水總量變化(引自《廣東省水資源公報(2019)》)

4 結 論

(1) 馬口、三水站年最低水位演變過程可大致分為3個階段，分別是1972—1990年的波動期，1991—2003年的突變下降期和2004—2017年的緩變回升期。

(2) 1972—1990年，馬口、三水站年最低水位在-0.11 m上下波動，降水因素(氣候條件)是其變化的最主要驅動力，對兩站水位變化貢獻率分別達到50.62%和66.48%。

(3) 1991—2003年，馬口、三水站年最低水位由-0.11 m大幅下降至-0.50 m以下，這種變化的主導因素是河床地形的下切，對兩站水位變化貢獻率分別達到55.81%和59.59%。

(4) 2004—2017年，馬口、三水站年最低水位呈現出回升的趨勢，這是海平面上升、水土保持、水庫調節和降水周期性增大共同作用下的結果，其中貢獻程度最大的影響因素是水土保持和水庫調節對枯季徑流的增大作用，其對兩站水位變化貢獻率分別為40.83%和45.02%。