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热带海洋学报 >

2023 , Vol. 42 >Issue 4: 91 - 103

DOI: https://doi.org/10.11978/2022176

海洋水文学

近60年来极端天气影响下南流江入海水沙变化

  • 杨夏玲 , 1 ,
  • 黎树式 , 2 ,
  • 许珊珊 1 ,
  • 虞崇熙 3 ,
  • 潘洁 3
展开
  • 1.南宁师范大学地理科学与规划学院, 广西 南宁 530100
  • 2.广西北部湾海洋环境变化与灾害研究重点实验室(北部湾大学), 广西 钦州 535011
  • 3.北部湾大学资源与环境学院, 广西 钦州 535011
黎树式(1980—), 男, 广西南宁人, 博士, 教授, 硕士研究生导师, 研究方向为流域-河口陆海相互作用、海岸带综合管理。email:

杨夏玲(1998—), 女, 广西钦州人, 硕士研究生, 研究方向为流域-河口陆海相互作用。email:

Copy editor: 姚衍桃

收稿日期: 2022-08-13

  修回日期: 2022-10-19

  网络出版日期: 2022-10-14

基金资助

广西自然科学基金重点基金(2018JJD150005)

国家自然科学基金(41866001)

北部湾大学海洋科学广西一流学科(DRB006)

北部湾大学海洋科学广西一流学科(DTC003)

北部湾大学大学生创新创业训练计划资助项目(202011607021)

北部湾大学大学生创新创业训练计划资助项目(S202111607128)

收起

Variations in water and sediments of the Nanliu River flowing into the sea under the influence of extreme weather in the past 60 years

  • YANG Xialing , 1 ,
  • LI Shushi , 2 ,
  • XU Shanshan 1 ,
  • YU Chongxi 3 ,
  • PAN Jie 3
Expand
  • 1. School of Geography and Planning, Nanning Normal University, Nanning 530100, China
  • 2. Guangxi Key Laboratory of Marine Environment Change and Disaster in Beibu Gulf (Beibu Gulf University), Qinzhou 535011, China
  • 3. College of Resources and Environment, Beibu Gulf University, Qinzhou 535011, China
LI Shushi. email:

Copy editor: YAO Yantao

Received date: 2022-08-13

  Revised date: 2022-10-19

  Online published: 2022-10-14

Supported by

Guangxi Natural Science Foundation Key Fund(2018JJD150005)

National Natural Science Foundation of China(41866001)

Guangxi First-class Discipline of Marine Science, Beibu Gulf University(DRB006)

Guangxi First-class Discipline of Marine Science, Beibu Gulf University(DTC003)

Innovation and Entrepreneurship Training Program for Undergraduates of Beibu Gulf University(202011607021)

Innovation and Entrepreneurship Training Program for Undergraduates of Beibu Gulf University(S202111607128)

Fold

摘要

河流入海水沙变化是河口三角洲演变研究的重要内容。在全球气候变暖引起的极端天气频率和强度增加的背景下, 研究极端天气影响下的河流入海水沙通量变化对于理解河口三角洲海岸环境演变具有重要的科学意义。本文以山溪型中小入海河流——南流江为例, 基于1966—2020年的水沙、洪水实测数据, 采用变差系数和数理统计等方法分析极端天气影响下的南流江入海水沙变化规律。研究结果表明: 1) 热带气旋过境期间多年日平均流量为7.72×102m3·s-1, 是正常天气下(1.63×102m3·s-1)的4.73倍; 热带气旋过境日均输沙量的多年平均值为2.55×104t, 是正常天气下(0.19×104t)的13.42倍。热带气旋期间, 入海水沙量大, 具有“丰水多沙”的特点。2) 洪水期间的多年日平均流量和输沙量分别为8.53×102m3·s-1和3.07×104t, 分别是正常天气下日平均流量(1.56×102m3·s-1)和输沙量(0.17×104t)的5.46倍和18.18倍。洪水期间, 来沙量越大, 入海泥沙通量越大, 呈现“多来多输送”的典型特征。3) 极端天气对南流江入海水沙通量具有重要的贡献作用, 热带气旋对径流量和输沙量的多年平均贡献率分别为6.78%和19.31%, 而洪水对径流量和输沙量的多年平均贡献率分别为14.33%和36.21%。

关键词： 热带气旋; 洪水; 水沙变化; 贡献率

本文引用格式

杨夏玲 , 黎树式 , 许珊珊 , 虞崇熙 , 潘洁 . 近60年来极端天气影响下南流江入海水沙变化[J]. 热带海洋学报, 2023 , 42(4) : 91 -103 . DOI: 10.11978/2022176

Abstract

The change of river inflow sediment is an important content in the study of estuarine delta evolution. Against the backdrop of increased frequency and intensity of extreme weather caused by global warming, it is of great practical significance to study the variability of sediment fluxes in rivers entering the sea under the influence of extreme weather for understanding the environmental evolution of estuarine deltas. This paper takes the Nanliu River, a small and medium-sized river flowing into the sea, as an example. Based on the measured data of water, sediment and floods from 1966 to 2020, the variation coefficient of variation and mathematical statistics are used to analyze the variation law of water and sediment under the influence of extreme weather. The research results show that: 1) the multi-year average daily flow during the transit of tropical cyclones is 7.72×102 m3·s-1, which is 4.73 times that of normal weather of 1.63×102 m3·s-1. The multi-year average of the average daily sediment transport of tropical cyclones was 2.55×104 t, which is 13.42 times that of 0.19×104 t in normal weather. During the tropical cyclone, the amount of sediment entering the sea is large, and it has the characteristics of "rich water and sand"; 2) the multi-year average daily flow and sediment load during the flood period were 8.53×102 m3·s-1 and 3.07×104 t, respectively, which were the average daily flow (1.56×102 m3·s-1) and sediment load (0.17×104 t) 5.46 times and 18.18 times. During floods, the greater the amount of incoming sediment, the greater the flux of sediment into the sea, showing the typical feature of “more incoming and more transportation”; 3) extreme weather has an important contribution to the sediment flux of the Nanliu River into the sea. The multi-year average contribution rates of tropical cyclones to runoff and sediment transport were 6.78%and 19.31%, respectively, while the multi-year average contribution rates of floods to runoff and sediment transport were 14.33%and 36.21%, respectively.

Key words： tropical cyclones; flood; changes in water and sediment; contribution rate

河流向海洋输送水沙是地球表层化学循环的重要途径, 流量和泥沙通量是其化学循环中的两个重要因素, 其变化对陆海物质循环与迁移以及河口地形地貌有着重要意义(Walling et al, 2003; 刘锋 等, 2011; 吴创收 等, 2014)。然而, 在气候变化和流域人类活动的共同影响下, 水沙通量在河流运输的过程中发生变化, 对河口三角洲地貌格局的发展与演化产生重要影响(彭俊 等, 2009; 高海东 等, 2019)。河流入海水沙的变化直接影响河口三角洲地貌的演变, 因而河流入海水沙的变化受到国内外研究者的广泛关注, 已成为研究河口生态环境和三角洲演变的重要内容, 并取得了较多的研究成果(陈吉余 等, 2002; 戴仕宝 等, 2007; Banna et al, 2008; 王兆印 等, 2008; 杨云平 等, 2014; 樊咏阳 等, 2020; 张晓东 等, 2021)。
近年来, 由于全球气候变暖和人类活动(水库建设、采砂、水土保持工程、大坝建设等)的共同影响, 许多典型入海河流的水沙呈减少趋势(Aleem, 1972; Asselman, 1999; 李松 等, 2015; Li et al, 2022)。例如, 1956—2013年长江的入海悬浮泥沙因水库建设、大坝蓄水和河岸加固等因素的影响而呈阶段性的下降趋势(Dai et al, 2016)。有研究表明, 大型水库、水土保持措施以及流域的水沙调节导致黄河向海洋输送的泥沙减少了约 90%(Wang et al, 2010)。学者们对黄河(张佳 等, 2012)、长江(武旭同 等, 2018)、珠江(姚章民, 2013)和密西西比河(任美锷, 1989)等大型河流水沙的动态变化及驱动力开展了研究。同时, 也有部分学者对椒江(马进荣 等, 2013)、钦江(黎树式 等, 2018a)和瓯江(宋乐 等, 2012)等中小河流的入海水沙通量的变化规律进行了探讨, 相关研究主要集中在人类活动如水库建设、大坝蓄水、土地利用等对中小型入海河流水沙变化的影响。然而, 关于极端天气对山溪型中小入海河流水沙的影响研究仍然比较薄弱, 尤其是位于我国华南区域的北部湾中小型入海河流。为此, 本文选择位于北部湾北部的山溪型中小入海河流——南流江为研究对象, 基于近60年的水沙数据、洪水数据和热带气旋数据, 以热带气旋为分析重点, 同时也对比分析极端天气引起的洪水对南流江入海水沙的影响, 揭示极端天气下的南流江水沙变化, 以期为该流域的防灾减灾提供理论支撑和科学依据。

1 研究区域概况

南流江属于山溪型中小河流, 位于广西东南部, 发源于广西玉林市北流市大容山, 最终汇入北部湾海域(图1)。河流自北向南流经玉林市、钦州市和北海市, 河长278km, 流域面积达9700km2 (Li et al, 2016)。南流江地处亚热带海洋性季风气候区, 气候温暖湿润, 冬短夏长。冬季偏北风, 夏季多偏南风和东南风。降雨有季节性差异, 其中4—9月份为洪季, 10—12月到次年1—3月为枯季。多年平均降雨量为1736mm, 平均气温为22℃。夏秋季节易受热带气旋的影响, 热带气旋登录时间多集中于每年5—11月(黎树式 等, 2018b)。
图1 南流江流域和水文站位置

该图基于全国地理信息资源目录服务系统网站下载的审图号为GS(2019)3266、GS(2020)4619的标准地图制作

Fig. 1 Location of the Nanliu River Basin and the hydrological station

南流江作为广西独流入海的第一大河, 近60年来的多年平均入海径流量和输沙量分别是5.16×109m3和8.85×105t, 入海径流量和输沙量呈现下降的趋势。根据广西沿海水文中心提供的数据, 南流江1966—2020年共发生21场洪水, 其多年平均最大流量为2986.28m3·s-1, 多年平均洪峰水位为17.16m, 多年平均洪量为12.78×108m3。最大的一场洪水(超20年一遇)出现在1967年, 其最大流量达到4860m3·s-1, 洪量达到21.41×108m3, 洪峰水位高达18.77m。由于水沙数据有限, 本文选择近60年来南流江的28个热带气旋对水沙的影响进行分析, 其中强台风有2个, 台风有5个, 强热带风暴有13个, 热带风暴有5个, 热带低压有3个。极端天气对南流江入海水沙有着极其重要的作用, 但人类活动如土地利用方式、工程建设、采砂等的影响也不容忽视, 人类活动的影响逐渐增加, 则可能是导致南流江长期以来入海水沙呈下降趋势的主要原因(黎树式, 2017; Li et al, 2022)。

2 数据与方法

2.1 数据来源

1966—2020年流量和输沙量数据主要来源于《中国水文年鉴: 珠江流域水文资料》(珠江水利委员会)的关于南流江常乐水文站实测水沙数据(朱文轩 等, 2022), 同时参考了历年《广西河流泥沙公报》的相关数据。洪水数据来源于广西沿海水文中心, 热带气旋的相关数据源于上海台风研究所(https://www. sti.org.cn/)。本文中的热带气旋年指的是有热带气旋出现的年份; 同样, 洪水年则是指有洪水出现的年份。热带气旋和洪水数据情况如表1所示, 热带气旋的具体情况见表2。
表1 1966—2020年南流江热带气旋数据与洪水数据的统计

Tab. 1 Statistics of tropical cyclone data and flood data in Nanliu River from 1966 to 2020

极端天气类型 年份
热带气旋年 1966、1976、1978、1980、1982、1984、2001、2002、2003、2006、2008、2010、
2011、2012、2013、2014、2015、2016、2017、2018、2019、2020
洪水年 1966、1967、1969、1970、1971、1976、1979、1981、1985、1994、1995、1997、
2002、2006、2012、2013、2015、2017、2018、2019、2020
表2 1966—2020年影响南流江的热带气旋情况

Tab. 2 Tropical cyclones affecting Nanliu River from 1966 to 2020

年份 编号 名称 热带气旋等级 中心最大风力/级 中心附近最大风速/(m·s-1)
1966 6608 婀拉 强热带风暴 11 30
1976 7619 艾瑞丝 强热带风暴 10 25
1978 7813 艾琳 强热带风暴 10 25
1978 7820 罗拉 强热带风暴 10 25
1980 8008 乔伊 强热带风暴 11 30
1982 8219 欧文 台风 13 40
1984 8402 魏恩 强热带风暴 11 30
1984 8411 艾克 强热带风暴 11 30
2001 0103 榴莲 强热带风暴 10 28
2002 0214 黄蜂 热带风暴 9 23
2003 0308 伊布都 强热带风暴 11 30
2006 0606 派比安 热带风暴 8 20
2008 0809 北冕 热带风暴 8 20
2008 0814 黑格比 强热带风暴 11 30
2010 1003 灿都 强热带风暴 10 25
2011 1117 纳沙 台风 12 33
2012 1223 山神 热带低压 7 15
2013 1311 尤特 强台风 14 42
2013 1330 海燕 台风 12 33
2014 1409 威马逊 强台风 15 50
2015 1522 彩虹 台风 12 33
2016 1621 莎莉嘉 强热带风暴 10 25
2017 1713 天鸽 强热带风暴 10 25
2018 1822 山竹 台风 12 33
2019 1907 韦帕 热带风暴 9 23
2019 1911 白鹿 热带低压 7 14
2020 2002 鹦鹉 热带低压 7 16
2020 2007 海高斯 热带风暴 8 20

2.2 研究方法

2.2.1 极端天气对水沙的贡献率计算方法

本文通过计算极端天气(热带气旋、洪水)对入海水沙的净贡献率, 进而分析极端天气对入海水沙变化的影响程度。在一年中, 热带气旋对径流量的净贡献率可用Ptc-c表示, 先计算热带气旋期间增长的平均流量, 并与热带气旋持续天数相乘, 从而求出热带气旋期间增长的总径流量, 其占全年平均径流量的比例即为热带气旋对径流量的贡献率。其计算方法可表示为:
P tc-c = ( Q w-tc − Q w-nor ) × D tc × 24 × 3600 Q w-a × n × 24 × 3600 × 100 %
式中: Qw-tc为热带气旋影响期间的平均流量, 单位为m3·s-1; Qw-nor为一年内没有热带气旋影响的正常天气的平均流量, 单位为m3·s-1; Dtc为热带气旋持续的天数; Qw-a为全年的平均流量; n为水文天数(365d或366d)。洪水对径流量的贡献率(Pf-c)也是用该方法计算。同理, 热带气旋对输沙量的净贡献率计算公式如下:
P tc-c = ( Q s-tc − Q s-nor ) × D tc Q s-a × 100 %
式中: Qs-tc为热带气旋期间的平均输沙量(单位: t); Qs-nor为一年内没有热带气旋影响的正常天气的平均输沙量(单位: t); Dtc为热带气旋持续的天数; Qs-a为全年的平均输沙量。洪水对输沙量的贡献率(Pf-c)参照公式(2)计算。

2.2.2 变差系数法

为了评价极端天气影响下的入海径流量和输沙量的时间不均匀性, 本文利用变差系数法计算径流量和输沙量的变差系数(CV), 其计算公式(张伯虎 等, 2015)如下:
C V = ∑ i = 1 N x i x ¯ − 1 2 N − 1
式中: xi、 x ¯分别为月径流量(月输沙量)、月平均径流量(月平均输沙量), 单位分别为m3和t; N为序列长度。变差系数(CV)是用于分析时间序列变量的变化程度, CV值越大, 水沙年内变化程度越剧烈。

3 结果与分析

3.1 极端天气影响下入海水沙的变化特征

3.1.1 热带气旋年的水沙变化特征

热带气旋影响期间入海水沙通量波动较大, 而正常天气的入海水沙通量变化趋势较平缓(图2)。热带气旋过境多年日平均流量为7.72×102m3·s-1, 是正常天气(1.63×102m3·s-1)的4.73倍(图2a)。热带气旋过境日均输沙量的多年平均值为2.55×104t, 是正常天气(0.19×104t)的13.42倍。热带气旋过境时的日平均输沙量高于正常天气的日平均输沙量, 热带气旋过境时的最大和最小输沙量分别出现在1976年和2020年, 输沙量分别为8.75×104t和0.06×104t(图2b)。热带气旋期间的日平均流量和输沙量呈现相似的变化趋势, 流量和输沙量的最大值和最小值都分别出现在1976年和2020年(图2)。相对于正常天气, 热带气旋对入海水沙的作用更明显。在热带气旋影响下, 入海水沙呈现“高流量、高输沙量”的特点。
图2 热带气旋过境期间与正常天气下的平均流量(a)和输沙量(b)变化

Fig. 2 Variations of influential water (a) and sediment transit (b) between tropical cyclone and non-tropical cyclone

从年际变化看, 入海径流量呈微弱的下降趋势, 最小径流量为2.41×109m3·a-1, 出现在1980年; 最大径流量为8.85×109m3·a-1, 出现在2002年, 后者是前者的近3.7倍(图3a)。热带气旋影响下的入海输沙量整体上呈现明显的下降趋势(图3b), 最小输沙量出现在2020年, 为0.12×106t·a-1; 最大输沙量出现在1966年, 为1.66×106t·a-1, 后者是前者的近14倍。径流量和输沙量的最大变差系数分别出现在1966年和2006年, 分别为1.27和2.24。径流量和输沙量的多年平均变差系数分别为0.77和1.37, 说明输沙量比径流量变化剧烈, 而径流量变差系数的下降趋势较输沙量明显。年径流量的变差系数在0.3~1.2之间变化, 并呈现出下降的趋势(图3c), 说明年径流量在年内变化减小。年输沙量的变差系数在0.8~2.2之间波动(图3d), 表明热带气旋影响期间的年输沙量变化比较剧烈。简而言之, 相对于径流量, 输沙量的年内变化更加剧烈。
图3 南流江热带气旋年总径流量和输沙量变化情况

a. 年径流量; b. 年输沙量; c. 径流量变差系数; d. 输沙量变差系数。图中虚线为线性拟合趋势线

Fig. 3 Variation of annual total runoff and sediment transport of tropical cyclones in the Nanliu River. (a) Annual runoff; (b) annual sediment load; (c) runoff variation coefficient; (d) sediment load variation coefficient

从年代尺度来看, 南流江的入海水沙具有明显的年代变化(图4), 说明不同年代的热带气旋对水沙的影响不同。图4a、图4c分别为热带气旋影响下不同年代的径流量和输沙量变化情况, 图4b、图4d分别为无热带气旋影响下不同年代的径流量和输沙量变化情况。通过对比分析, 可以发现热带气旋影响下的年代径流量和输沙量峰值明显高于没有热带气旋影响的年代径流量和输沙量峰值。但也有例外, 比如20世纪80年代无热带气旋影响下的径流量和输沙量峰值高于热带气旋影响下的径流量和输沙量峰值。另外, 南流江的入海水沙具有明显的季节变化, 4—9月的水沙变化比10月到次年3月显著。江文等(2022)发现南海的热带气旋具有明显的季节特征, 其中夏、秋两季为热带气旋的高发期。因此, 进一步说明南流江水沙季节变化与热带气旋的季节特征具有一致性。此外, 径流量在5—8月出现峰值(图4a); 而输沙量在4—7月出现高峰(图4c), 输沙量先于径流量达到高峰, 说明水沙峰值具有滞后效应。从整体看, 径流量呈单峰状态, 输沙量呈三峰状态, 即呈现“径流量单峰, 输沙量三峰”的典型特征。综上, 入海水沙变化与热带气旋的时间变化具有较好的一致性, 并具有明显的季节分配不均特征, 呈现“洪季入海水沙通量大, 枯季水沙小”的变化规律。
图4 不同年代的月平均径流量和输沙量的变化情况
、c分别为热带气旋年的径流量和输沙量; 图b、d分别为非热带气旋年的径流量和输沙量

图a Variation of mean monthly runoff and sediment transport in different period. (a) and (c) are runoff and sediment discharge in tropical cyclone years, respectively; (b) and (d) are runoff and sediment transport in non-tropical cyclone years, respectively

从日变化来看, 日流量和输沙量有相同的变化趋势, 输沙量随流量的变化而变化, 热带气旋期间的流量和输沙量达到最高峰(图5)。1966年7月、1976年9月、2006年8月、2013年11月和2015年10月的日流量峰值明显高于其他年份的峰值(图5a—d); 1966年7月、1976年9月、2013年11月和2015年10月的日输沙量较其他年份的输沙量变化显著, 并且峰值居前列(图5e—h)。大部分热带气旋过境之前日流量和输沙量变化不大, 处于平缓期, 有“枯水少沙”的特点。在热带气旋过境期间, 日流量和输沙量变化比较显著, 流量和输沙量明显增大并达到最大值, 具有“丰水多沙”的特征。热带气旋过后, 日流量和输沙量逐渐下降, 并恢复平稳状态。因此, 大部分出现热带气旋的月份, 其水沙呈现“枯水少沙—丰水多沙—枯水少沙”的变化特征。总体来说, 在热带气旋影响下, 入海流量和输沙量变化最显著并达到最高峰。
图5 1966—2020年热带气旋月份的逐日流量(a—d)输沙量(e—h)变化

Fig. 5 Variation of daily water discharge (a~d) and sediment load (e~h) from tropical cyclone months in 1966—2020

3.1.2 洪水年的水沙变化特征

洪水是由自然因素或者人为因素引起的短期河流流量增大或水位迅速上涨的水流现象。本文选取南流江近60年共21个洪水事件对南流江入海水沙的影响进行分析, 并根据常乐站的实测流量涨落情况以及相关洪水统计资料来确定洪水事件持续的时间。由于部分年份的日水沙数据缺失, 在21个洪水年中, 只对11个年份的洪水期间的日平均流量和输沙量进行了分析, 结果显示洪水影响下的日平均流量和输沙量远远高于正常天气下的日平均流量和输沙量(图6)。1966—2020年, 洪水期间的多年日平均流量和输沙量分别为8.53×102m3·s-1和3.07×104t, 分别是正常天气下日平均流量(1.56×102m3·s-1)和输沙量(0.17×104t)的5.46倍和18.18倍, 说明在洪水影响下南流江入海水沙明显增加。其中, 洪水期间平均流量的最大值和最小值分别出现在1976年和2020年, 分别为23.7×102m3·s-1和2.15×102m3·s-1。1976年洪水期间的平均输沙量达到最大值, 为10.94×104t; 而洪水平均输沙量的最小值出现在2019年, 为0.22×104t。
图6 洪水期间与正常天气下的平均流量(a)和输沙量(b)变化情况

Fig. 6 Variation of water discharge (a) and sediment load (b) during floods and normal weather

洪水在入海水沙输送中发挥着重要的作用, 洪水输送的水沙占全年水沙通量的比例较大。洪量在径流总量占有一定的比例, 在21个洪水年中有15个洪水年的洪量占比超过15%(图7a), 说明在洪水影响下径流显著增加。洪水期间的入海输沙量大, 其多年平均输沙量为0.44×106t。洪水输沙量最大值出现在1967年, 为0.94×106t; 输沙量最低值出现在2019年, 为1.74×104t(图7b)。洪水期间的输沙量占年总输沙量的比重大, 绝大部分洪水年的洪水输沙量占比都超过20%, 多年平均占比为34.51%。相对于径流量而言, 入海输沙量受洪水影响的波动变化比较显著, 洪水输沙量的多年平均比例为34.56%, 比洪量多年平均占比(19.08%)高出15.48%。
图7 洪水年的入海径流量(a)和输沙量(b)变化情况

Fig. 7 Variations of runoff (a) and sediment load (b) in flood years

从日变化来看, 日流量和输沙量高峰主要出现在洪水期(图8), 洪水期的水沙表现出“洪水多沙”的特征。在1966—2020年的洪水年中, 1976年9月的日流量峰值为最高峰, 1981年7月的日输沙量峰值为最高峰(图8c、8b)。不同洪水影响下的入海水沙变化具有明显的差异, 如1966年7月、1976年9月、1981年7月、2006年7月、2013年11月、2015年10月以及2017年7月的流量和输沙量出现较高峰, 并分别超过20×102m3·s-1和105t。相对于上面这7个洪水月份, 2012年6月、2019年8月和2020年4月的洪水对南流江入海水沙的影响较小。值得注意的是, 2018年的流量峰值不高, 但对输沙量的影响却比较大。2019年8月的洪水对入海水沙的影响最小, 其水沙变化起伏比较缓和。综上, 洪水期间的入海水沙通量大, 具有“洪水多沙”的典型特征。
图8 1966—2020年洪水月份的逐日流量(a、c)和逐日输沙(b、d)变化
、b中的垂直虚线为6月和7月的分界线

图a Changes of water discharge (a, c) and sediment (b, d) in flood months from 1966 to 2020

3.2 极端天气对入海水沙的贡献

3.2.1 热带气旋对水沙的贡献

热带气旋是影响入海悬浮泥沙变化的一个重要因素(Li et al, 2022)。有研究表明, 热带气旋会导致河流径流量和输沙量大量增加(Tang et al, 2021)。根据贡献率公式计算获得1966—2020年期间热带气旋对南流江水沙的贡献情况(图9), 热带气旋对径流量的贡献率在6.78%左右波动(图9a), 而对输沙量的贡献率变化于19.31%上下(图9b)。在1966—2020年期间不同热带气旋对水沙的贡献不同, 1976年的热带气旋对南流江的径流量贡献最大, 为16.08%; 而1982年的热带气旋对径流量的贡献最小, 为1.31%。在1966—2020年期间, 2011年的热带气旋对输沙量的贡献最大, 为54.46%; 2020年的热带气旋对输沙量的贡献最小, 为1.98%。上述结果表明, 不同热带气旋对南流江入海水沙的贡献存在明显的年际差异。
图9 热带气旋对南流江入海径流量(a)和输沙量(b)的贡献

Fig. 9 The contribution of tropical cyclones to the runoff (a) and sediment (b) entering sea for the Nanliu River

3.2.2 洪水对径流量与输沙量的贡献

洪水是河流入海水沙通量的重要影响因素之一。有研究表明, 洪水期间的平均输沙量是干旱气候年输沙量的27倍(刘成 等, 2017)。在1966—2020年期间, 洪水对径流量和输沙量的多年平均贡献率分别为14.33%和36.21%(图10)。从年际变化来看, 洪水对输沙量的贡献率大于洪水对径流量的贡献率, 如2018年的20180511号洪水对径流量的贡献率为6.68%, 而对输沙量的贡献率则达52.85%, 对输沙量的贡献率高于径流量46.17%, 说明输沙量对洪水的响应显著于径流量。由此看来, 洪水事件对入海水沙的影响比较大, 可认为洪水事件对水沙的贡献极为重要。
图10 洪水对径流量(a)和输沙量(b)的贡献率

Fig. 10 The contribution rate of flood to runoff (a) and sediment (b)

4 讨论

极端天气及其引起的洪水是影响河流入海水沙变化的重要影响因素。相对于大型河流, 山溪型中小入海河流具有流程短、瞬时通量大、物质快速转换和响应快等特征, 特别是在极端天气事件影响下的作用会比较显著。在极端天气影响期间, 中小入海河流可以向海洋输送大量的水沙(杨守业 等, 2018; Tang et al, 2021)。本研究发现极端天气对水沙的影响非常显著, 极端天气期间的平均流量和输沙量明显高于正常天气的平均流量和输沙量(图2、图6)。南流江处于山区, 在短短几天的极端天气影响时间内, 就有大量的水沙物质被快速搬运入海。有研究表明, 流域面积越小、地形越陡峭的河流对极端气候事件的响应越强烈, 处于小流域的山地河流在向海洋输送泥沙的过程中发挥着至关重要的作用(Walling, 2006; 孙爽 等, 2022)。在1966—2020年期间, 热带气旋对南流江径流量的多年平均贡献率为6.78%, 对输沙量的多年平均贡献率为19.31%。在1981—2005年期间, 大型河流湄公河在热带气旋的影响下产生了13%~28%的年径流量, 热带气旋相关径流产生的年平均悬浮泥沙量比例更大, 在15.2%和31.7%之间变化(Darby et al, 2016)。因此, 相对于属大型河流的湄公河, 热带气旋对南流江水沙变化的贡献相对较小。
近60年来热带气旋对入海水沙的贡献存在明显的年际差异(图9), 这是由于不同热带气旋的强度、登录位置、移动路径、持续时间及其带来的降雨量等存在差异引起的。从表2可以看出, 不同年份的热带气旋的强度、风速以及风力等级等均存在明显的差异。本文发现部分热带气旋到达南流江流域时, 逐渐变为热带风暴或热带低压, 对南流江径流量和输沙量的贡献相对较小。此外, 部分热带气旋未经过研究区但对研究区的水沙产生一定的影响, 这部分热带气旋对水沙的贡献较为有限, 例如1982年的“欧文”、2012年的“山神”、2014年的“威马逊”和2016年的“莎莉嘉”。经过南流江流域、持续时间长以及降雨强度大的热带气旋对南流江入海水沙的影响更大(Tang et al, 2021)。同时, 洪水对南流江入海水沙的贡献也存在年际差异, 这主要是由洪水等级和洪量差异引起的, 一般认为洪量越大, 洪水输送入海的泥沙越多(张欧阳 等, 2005)。可见, 山溪型中小河流的入海水沙对极端天气的响应更加敏感。
此外, 虽然极端天气对南流江入海水沙具有极其重要的作用, 但人类活动的影响也不容忽视。研究发现, 1966—2020年热带气旋和洪水对南流江径流量和输沙量的贡献呈下降的趋势, 这可能是受到人类活动的影响。近几十年来, 南流江流域内水库、大坝建设、采砂和土地利用方式变化等人类活动明显增强, 导致入海水沙减少(黎树式, 2017; 莫剑, 2020)。莫剑(2020)的研究表明, 人类活动对南流江常乐站径流量减少的贡献率在56.19%~78.59%之间, 对泥沙减少的贡献率为96.36%, 说明人类活动对入海水沙的减少起了重要的贡献作用。总之, 极端天气是影响南流江入海水沙搬运的重要因素, 而人类活动则是导致入海水沙减少的另一个不可忽视的重要因素。
本研究分析了近60年来极端天气影响下南流江入海水沙的变化规律以及贡献, 对南流江的泥沙管理与调控以及河口海岸地区的可持续发展具有重要的实用意义。但本研究同时也存在一些不足, 比如部分水沙数据缺失、不连续和研究深度不够等, 今后将通过原位观测和数值模拟相结合的方法进一步提高贡献率的精度, 并加深热带气旋和洪水对入海水沙贡献的差异分析。

5 结论

本文以位于华南地区的山溪型中小入海河流——南流江为例, 分析了近60年以来极端天气事件及其引起的洪水影响下入海水沙通量的变化规律, 并探讨了极端天气对入海水沙的贡献, 得到以下结论:
1) 热带气旋期间的多年日平均流量和输沙量分别是正常天气下的4.73倍和13.42倍, 洪水期间的多年平均流量和输沙量分别为正常天气下的5.46倍和18.18倍。极端天气期间的日平均流量和输沙量远高于正常天气, 正常天气下的入海水沙通量较少, 而在极端天气期间河流水沙入海通量大, 具有“丰水多沙”的特点。极端天气出现前后的水沙呈现“枯水少沙—丰水多沙—枯水少沙”的变化特征。
2) 极端天气对山溪型中小入海河流的水沙输送具有重要贡献, 热带气旋对径流量和输沙量的多年平均贡献率分别为6.78%和19.31%, 而洪水对径流量和输沙量的多年平均贡献率分别为14.33%和36.21%。
3) 近60年来热带气旋与洪水对径流量和输沙量的贡献存在明显的年际差异, 这是由不同的热带气旋和洪水事件影响而导致的。同时, 1966—2020年热带气旋和洪水对南流江径流量和输沙量的贡献呈下降的趋势, 这可能与人类活动相关。极端天气是影响南流江水沙输运至北部湾海域的重要因素, 而人类活动则是导致入海水沙减少的主要因素。

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