平陆运河建设前极端降水对广西北部湾钦江输沙量影响

Impact of extreme precipitation on sediment discharge in Qinjiang River of Beibu Gulf in Guangxi before construction of Pinglu Canal

摘要

目的 探究极端降水对广西北部湾钦江输沙量影响，为平陆运河工程建设和该区域河流管理提供重要科学依据。 方法 采用RClimDex模型、Pettitt突变检验和双累积曲线等方法分析工程建设前（1961—2021年）钦江流域极端降水和输沙量变化特征，量化极端降水对输沙量变化影响。 结果 （1） 钦江流域R1day，R5day，R99p和PRCPTOT极端降水指数呈下降趋势，其他指数（R10 mm，R25 mm，R95p，CWD和SDII）呈上升趋势，且所有趋势均不显著。（2） 1961—2021年输沙量呈显著减少趋势（-0.445万t/a），并在1998年发生突变。 结论 极端降水指数与输沙量均呈显著相关性，R95p与输沙量相关性最强，双累计曲线计算其对输沙量减少的贡献为-25.7%。

Abstract

Objective This study aims to investigate the impact of extreme precipitation on sediment discharge in the Qinjiang River of the Beibu Gulf in Guangxi， thereby providing important scientific support for the construction of the Pinglu Canal project and river management in this region. Methods The RClimDex model， Pettitt test， and double mass curve method were used to analyze the variation characteristics of extreme precipitation and sediment discharge in the Qinjiang River Basin before the project construction during 1961—2021， and to quantify the impact of extreme precipitation on sediment discharge. Results （1） The extreme precipitation indices R1day， R5day， R99p， and PRCPTOT in the Qinjiang River Basin showed decreasing trends， while other indices （R10 mm， R25 mm， R95p， CWD， and SDII） showed increasing trends. All these trends were statistically insignificant. （2） The sediment discharge exhibited a significant decreasing trend （4.45×10³ t/a） from 1961 to 2021， with an abrupt change occurring in 1998. Conclusion The extreme precipitation indices are significantly correlated with sediment discharge， with the strongest correlation observed between R95p and sediment discharge. The contribution of R95p to the reduction in sediment discharge is calculated to be -25.7% using the double mass curve.

Graphical abstract

关键词

输沙量 / 极端降水 / 钦江 / 平陆运河

Key words

sediment discharge / extreme precipitation / Qinjiang River / Pinglu Canal

“世纪工程”平陆运河是新中国首个连通江海的运河工程，是西部陆海新通道的骨干工程，是加快建设交通强国的标志性工程，对推动广西及西南地区发展具有战略意义^［1-2］。工程于2022年8月开工建设，起点为南宁横州市西津库区平塘江口，经钦州灵山县陆屋镇沿钦江进入北部湾，规划全长约134.2 km。平陆运河建设对钦江干支流进行大幅度拓宽疏浚和多次裁弯取直，造成河道平面和纵向形态变化，改变流域原有的水文特性，对河道行洪和泥沙输送产生较大影响^［3-6］。

降水是影响流域径流和产沙过程最直接的因素之一，而极端降水对土壤的侵蚀和破坏性更强，因此分析极端降水对流域输沙量的影响非常重要^［7-9］。广西极端降水呈现从东南向西北递减的趋势^［10-11］。广西平均每年出现台风极端强降水年平均日数为7.8 d^［12］，1960—2014年广西沿海热带气旋最大日降水大于50 mm和250 mm的频次分别为180次和43次^［13］。学者们在广西北部湾入海河流开展了降水对径流泥沙影响的相关研究^［14-15］，然而鲜见关于极端降水对入海河流输沙量影响的研究。平陆运河建成后，钦江流域水沙过程将发生重大变化，因此本文开展平陆运河建设前极端降水对钦江输沙量影响研究具有重要理论和现实意义。

1 数据和研究方法

1.1 钦江流域概况

钦江仅次于南流江为广西北部湾第二大入海河流。陆屋水文站（108°57′E，22°17′N）控制集水面积1 400 km²，占钦江流域总面积的58.6%，干流河长98 km。收集陆屋水文站1961—2021年输沙量数据，水文站以上流域内唯一国家气象站（灵山站）1961—2021年逐日降水数据。

1.2 研究方法

1.2.1 极端降水

本文选用9个极端降水指标（表1）。极端气候采用FClimDex软件进行计算，该软件由Xuebin Zhang和Feng Yang（加拿大气象局气候研究部）开发与维护。在应用软件处理数据之前，必须确保站点数据以文本格式储存，并按照年、月、日、降水、气温等顺序排列，缺测值统一设为-99.9。软件首先对输入数据进行质量控制，然后进行极端指标的计算。

1.2.2 Pettitt突变检验

本研究中，采用Pettitt方法^［16］检验钦江输沙量变化。Pettitt检验方法是一种非参数检验方法，不受分布类型限制，计算简便，物理意义明确，不仅可以识别水文序列变异点，还能量化变异点的显著性水平，广泛应用于水文时间序列突变检测^［17-18］。

1.2.3 双累积曲线

双积累曲线（Double Mass Curve，DMC）方法是目前用于水文气象要素一致性或长期演变趋势分析中最简单、最直观、最广泛的方法^［19］。双累积曲线方法的理论基础是分析两个要素（或变量）应具有正比关系。本文通过建立极端降水与输沙量的双累积曲线，分析极端降水和人类活动对输沙量变化的影响。

2 结果与分析

2.1 钦江极端降水特征

由图1看出，R1day，R5day，R99p和PRCPTOT指数呈下降趋势，趋势分别为-0.349 mm/a、-0.994 mm/a、-0.268 mm/a和-0.105 mm/a；其他极端降水指数均呈上升趋势，趋势分别为R10mm和R25mm的0.004 d/a和0.024 d/a，R95p的0.009 mm/a，CWD的0.006 d/a，SDII的0.011 mm/（d · a）。钦江流域所有极端降水指数趋势均不显著。

2.2 钦江输沙量变化

图2为钦江陆屋水文站1961—2021年输沙量时间序列及Pettitt突变检验。输沙量呈显著年际波动变化，其中最低为2018年的3.45万t，最高为1981年的69.4万t，最高年输沙量是最低年输沙量的近20倍。1961—2021年输沙量呈显著减少趋势，-0.445万t/a。Pettitt检验发现，年输沙量U值从1961年开始呈上升趋势，于1998年达到峰值632，之后呈快速回落。1998年p值为0.000 02，达到显著性水平，即钦江年输沙量在1998年发生突变。

2.3 钦江极端降水对输沙量影响

图3为钦江流域极端降水与年输沙量散点图。各极端降水指数与年输沙量呈较好的正相关性。其中R95p， RX5day和PRCPTOT指数与年输沙量的相关性最高，分别为0.610，0.594，0.573，达到0.01的显著性水平。其他极端降水指数与年输沙量的相关性排序为R99p>RX1day>SDII>R25mm>R10mm>CWD，相关性最低的R10mm和CWD也达到0.05的显著性水平，表明钦江流域极端降水对输沙量有显著影响。

根据Pettitt检验结果，将研究时段（1961—2021年）分为突变前后两个时段，即1961—1998年和1999—2021年。1961—1998年期间的累计输沙量为1 187.995万t，到2021年末累计输沙量为1 516.262万t，前后时段实测年均输沙量分别为31.263万t和14.272万t，年均减少16.991万t。选取与年输沙量相关性最高的极端降水指数R95p进行双累积曲线分析（图4）。

累积极端降水与累积输沙量在1998年前后两个阶段呈不同斜率，1961—1998年累积极端降水R95p与累积输沙量斜率为0.064，1998年之后斜率明显下降为0.025，表明后一个阶段河流输沙量明显减少。突变前的1961—1998年累积极端降水与累积输沙量基本沿着直线分布，建立线性方程y=0.064x-50.802（x和y分别代表累计极端降水和累计输沙量）。由方程计算1961—1998年累计输沙量为1 208.747万t（年均分别为31.809万t），与实测的1 187.995万t（年均31.263万t）非常接近，表明线性方程合理；而以此计算的2021年末累计输沙量为2 040.683万t，即1999—2021年累计输沙量为831.937万t，年均为36.171万t。根据极端降水R95p计算的输沙量，1999—2021年相对1961—1998年年均增加4.362万t，与实测年均减少16.991万t相比即为极端降水对输沙量变化贡献，即-25.7%（表2）。

3 讨 论

近年来，全球主要河流水沙通量发生了明显变化，24%的大河呈显著径流量变化，40%的大河呈显著泥沙通量变化，总体上泥沙通量下降20.8%^［20］。近60年来我国九大河流入海泥沙由19.5亿t下降至3亿t^［21］。学者们利用双累积曲线、气候弹性模型、水文模型等方法对不同河流输沙量变化及其影响因素进行了研究^［22-24］。广西北部湾钦江、南流江近几十年水沙通量呈下降趋势，特别是输沙量下降明显；季节上泥沙输送主要集中在丰水期^［25-27］，且水沙输送受热带气旋影响^［28］。研究表明，降水（气候变化）和人类活动分别是广西北部湾入海河流径流变化和输沙量变化的主要原因^［14-15］。广西北部湾沿海区域受热带气旋等影响，极端降水频发^［12-13］。平陆运河所在的钦江流域所有极端降水指数与输沙量均呈正相关，其中相关性最强的R95p呈不显著增加趋势，后一时段（1999—2021年）年均为562.8 mm，高于前一时段（1961—1998年）年均为515.7 mm。在极端降水增强趋势下，如果没有人类活动影响，钦江流域输沙量将增加（计算年均增加4.363万t，表2），而实测输沙量由1961—1998年年均31.263万t减少为1999—2021年年均14.272万t，年均减少了16.991万t。由此钦江流域极端降水R95p对输沙量减小贡献为负值（-25.7%，表2），人类活动是钦江输沙量减少的主要原因。本研究结果与Zhao等^［15］利用年降水量与年输沙量双累积曲线计算的结果基本一致（降水对输沙量减少贡献为-36.6%~-14.8%，人类活动（如筑坝、采砂等）导致输沙量减少）。Tong等^［29］在邻近流域南流江模拟结果表明，大量小型水利设施截留了泥沙，导致河道输沙量减少。

4 结 论

（1） 钦江流域R1day，R5day，R99p和PRCPTOT极端降水指数呈下降趋势，其他指数（R10mm，R25mm，R95p，CWD和SDII）呈上升趋势，且所有趋势均不显著。（2） 1961—2021年钦江输沙量呈显著减少趋势（-0.455万t/a），并在1998年发生突变。（3） 钦江极端降水指数与输沙量均呈显著相关性，R95p与输沙量相关性最强，双累计曲线计算其对输沙量减少的贡献为-25.7%，而人类活动是钦江输沙量减少的主要原因。随着平陆运河的建设，未来将继续关注大型水利工程对流域水沙过程影响。

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基金资助

广西自然科学基金(2025GXNSFAA069302)

国家自然科学基金项目(42161005)

国家自然科学基金项目(52469003)

河海大学水灾害防御全国重点实验室“一带一路”水与可持续发展科技基金资助项目(2023491511)