甌江河口入海水、沙通量的變化及其相關(guān)性分析

甌江河口入海水、沙通量的變化及其相關(guān)性分析

1河流入海水沙通量動(dòng)態(tài)分析物質(zhì)總干事是國際地圈生物圈計(jì)劃（igbp）中的兩個(gè)主要計(jì)劃：河岸區(qū)的陸地和海洋相互作用（洛icz）和全球海洋體積聯(lián)合研究（jgofs）的中心主題。河口水沙通量的研究不僅有助于揭示河口河床演變特征與機(jī)制,而且對了解陸海相互作用、物質(zhì)循環(huán)與物質(zhì)遷移變化規(guī)律具有重要的意義。目前對長江、黃河等大型河流入海水沙通量的研究已較深入[3,4,5,6,7,8,9,10,11],對中、小河流河口過程和泥沙運(yùn)動(dòng)也有較多研究[12,13,14,15,16,17],但對中、小型河口入海水沙通量的長期變化規(guī)律則知之甚少。甌江是浙江省第二大河流,為典型的山溪性中型河流,發(fā)源于浙江省南部龍泉市與慶元縣交界的百山祖鍋冒尖,自西南向東北,至麗水折向東南,沿途流經(jīng)云和、青田、永嘉、樂清及溫州市,注入東海,全長388km,流域面積1.79萬km2(見圖1)。依托甌江河口優(yōu)越的地理位置和航運(yùn)交通條件,溫州市已成為浙江省南部的經(jīng)濟(jì)、文化和航運(yùn)中心,溫州港也成為僅次于寧波-舟山港的浙江省第二大主樞紐港?；跍刂莞鄣陌l(fā)展需求,不少學(xué)者開展了河口過程與水動(dòng)力、泥沙等方面的研究。本文將著重研究甌江入海水、沙通量的多時(shí)間尺度變化規(guī)律,為甌江的港口航道開發(fā)與治理、淡水資源的合理利用提供科學(xué)依據(jù),也為進(jìn)一步開展中、小型河流入海水、沙通量研究提供借鑒。2資料與數(shù)據(jù)來源甌江流域共布設(shè)有20多處水文站,其中,圩仁水文站是甌江干流的控制站,集水面積13500km2,控制流域面積75%。該站建于1947年,是甌江流域內(nèi)水位、流量、輸沙觀測資料系列最長的水文站。本文主要收集了浙江省水文局提供的圩仁水文站長序列水、沙觀測數(shù)據(jù),包括各年、各月的最大、最小、平均流量和懸沙通量以及典型臺(tái)風(fēng)雨、梅雨洪峰過程的日流量觀測數(shù)據(jù),其中,流量的資料年限為1950年1月-2008年12月,懸沙通量資料年限為1956年1月-1998年12月。在上述資料的基礎(chǔ)上,采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、相關(guān)分析等方法對甌江入海水、沙通量的不同時(shí)間尺度變化規(guī)律及其相互關(guān)系進(jìn)行分析和探討。3結(jié)果3.1羅江河口的海流變化特征3.1.1流量序列的重要性分析據(jù)圩仁水文站長序列觀測資料統(tǒng)計(jì),甌江的多年平均入海流量為442m3/s,最大和最小年平均入海流量分別為725m3/s(1975年)和213m3/s(1979年),相應(yīng)的模比系數(shù)K值分別為1.629和0.479,兩者之間的比值為3.404。從入海流量的年際變化來看(圖2),1960年以前多在平均值以上,1960-1985年多在平均值以下,2000年后多在平均值以下。總之,除1975年的特大洪水外,甌江入海流量的年際變化不是很大。年均流量序列離散程度的變差系數(shù)CV為0.253;反映序列對稱程度特征參數(shù)的偏態(tài)系數(shù)CS為0.159,屬于正偏系列,與我國大部分入海河流的水文序列基本一致。根據(jù)實(shí)測多年平均流量所繪的累積經(jīng)驗(yàn)頻率曲線,可按頻率75%和25%來劃分水文年,即25%以下為豐水年,75%以上為枯水年,兩者之間為平水年。從而可以知道豐水年、平水年、枯水年以531m3/s和364m3/s為分界線。統(tǒng)計(jì)表明,豐水年多出現(xiàn)在1960以前,一般都是連續(xù)出現(xiàn)的,但1960年之后再?zèng)]有連續(xù)出現(xiàn)豐水年;平水年72.4%是以連續(xù)幾年形式出現(xiàn)的,最長的持續(xù)時(shí)間為4年(1999-2002年);枯水年53.3%是以連續(xù)幾年形式出現(xiàn)的,最長的持續(xù)時(shí)間為4年(1978-1982年)。3.1.2月平均流量和年度變幅甌江入海流量在年內(nèi)分配不均勻,具有明顯的季節(jié)性變化(見圖3)。從圖3可以看出,梅汛期(4-6月)和臺(tái)汛期(7-9月)為主要產(chǎn)水和輸水的時(shí)期,占全年徑流量的74.4%,其余6個(gè)月僅占全年徑流量的25.6%。從單個(gè)月份來看,處于梅汛期的6月為主要的輸水月份,占到全年徑流量的20.9%;處于枯季的12月僅占2.3%。從多年的月平均流量來看,最大月平均流量出現(xiàn)在6月,為1108.75m3/s,最小月平均流量出現(xiàn)在12月,為123.81m3/s,兩者比值為8.96。從各年的月平均流量來看,最大值為2370m3/s,出現(xiàn)在1998年的6月;最小值為12.6m3/s,出現(xiàn)在1967年10月,兩者的比值約為188.096。對于各年的月平均流量的年內(nèi)變幅,可用該年年內(nèi)最大的月平均流量與最小的月平均流量的比值K1來反映,經(jīng)統(tǒng)計(jì)可知K1最大值為105.06,最小值為4.01,說明年內(nèi)不同月份流量變化比較大。從各年的月平均流量變化序列來看,有單峰型和雙峰型兩種主要的分布型式,以明顯的單峰型出現(xiàn)的年份占總年數(shù)的71.2%,峰值一般出現(xiàn)在5月、6月。而以明顯的雙峰型出現(xiàn)的年份占總年數(shù)的28.8%,峰值分別對應(yīng)梅汛和臺(tái)汛,雙峰之間的波谷對應(yīng)的月份在各年中則不相同的,在5-8月各月都有可能出現(xiàn),以7月居多。3.1.3不同季節(jié)動(dòng)態(tài)圩仁站實(shí)測最大洪峰流量出現(xiàn)在1952年7月20日,為23000m3/s,最小流量出現(xiàn)在1967年10月2日,為10.6m3/s,洪枯流量的變率高達(dá)2170,洪枯流量懸殊、洪峰暴漲暴落是甌江山溪性河流的一大特點(diǎn)。但是,梅汛期和臺(tái)汛期洪峰過程明顯不同。以1975年豐水年為例(圖4),梅汛期雨量豐沛,雨汛不斷,6月逐日平均流量基本維持在1100m3/s左右,洪峰時(shí)常一個(gè)接一個(gè),起伏不是很大。臺(tái)汛期,由于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、臺(tái)風(fēng)登陸地點(diǎn)以及移動(dòng)路徑不同,洪峰流量過程往往起伏較大。8月沒有臺(tái)風(fēng)的時(shí)候,流量一般較小,基本保持在250m3/s左右,略高于枯季流量;一旦臺(tái)風(fēng)來襲,洪峰流量可高達(dá)10000m3/s,但洪水過程一般不超過48h,呈現(xiàn)單峰型暴漲暴落特征。有時(shí),單個(gè)洪峰的輸水量就相當(dāng)可觀,例如,1962年9月6214號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)期間3日內(nèi)洪峰徑流量達(dá)16.14×109m3,占全年徑流量的8.0%;1975年5月16日起7.4日內(nèi)洪峰徑流量達(dá)20.60×109m3,占全年徑流量的9.0%。3.2羅江河口沉積物的變化特征3.2.1年來懸沙通量分布據(jù)圩仁水文站長序列觀測資料統(tǒng)計(jì),甌江多年平均入海懸沙量為195.2萬t,相應(yīng)的多年平均懸沙通量為61.9kg/s,最大和最小的年均懸沙通量分別是170kg/s(1975年)和12.5kg/s(1979年),相應(yīng)的模比系數(shù)K值分別為2.83和0.22,兩者之間的比約為13.6。從多年的入海懸沙通量的變化來看(圖2),各年的平均值圍繞著多年平均值作上下的擺動(dòng),1975年的特大洪水使得該年輸沙量明顯增大,與平均值偏離的比較遠(yuǎn)。20世紀(jì)60年代左右懸沙通量普遍高于平均值,80年代后懸沙通量基本低于平均值。另外,能夠反映年均懸沙通量序列離散程度的變差系數(shù)CV為2.385;反映序列對稱程度特征參數(shù)的偏態(tài)系數(shù)CS為0.009。根據(jù)各年輸沙量所繪的累積經(jīng)驗(yàn)頻率曲線,按頻率75%和25%來劃分多沙年、中沙年、少沙年,即25%以下為多沙年,75%以上為少沙年,兩者之間為中沙年。統(tǒng)計(jì)表明,多沙年只是以連續(xù)形式出現(xiàn)過2次,分別是1958-1959年和1969-1970年;中沙年80.9%以連續(xù)幾年形式出現(xiàn)的,最長的持續(xù)時(shí)間為4年(1982-1985年),少沙年只是以連續(xù)形式出現(xiàn)過1次,持續(xù)時(shí)間為4年(1978-1981年)。3.2.2年輸沙量統(tǒng)計(jì)與入海流量相比,甌江入海輸沙量的洪枯季變化更為懸殊。從圖3可以看出,梅汛期(4-6月)和臺(tái)汛期(7-9月)為主要的輸沙時(shí)期,占全年輸沙量的90%,其余6個(gè)月僅占全年輸沙量的10%。從單個(gè)月份來看,處于梅汛期的6月為主要的輸沙月份,占全年輸沙量的30.4%;處于臺(tái)汛期的8月次之,占全年輸沙量的16.2%;12月最少,不到1%。從多年的月平均懸沙通量來看,最大月平均懸沙通量為216.78kg/s(6月),最小的月平均懸沙通量為2.55kg/s(1月),兩者的比值約為85.1。從各年的月平均懸沙通量來看,最大值為851kg/s,出現(xiàn)于1998年6月,最小值為0,基本上出現(xiàn)在枯季。對于各年的月平均懸沙通量的年內(nèi)變幅,可用該年年內(nèi)最大的月平均懸沙通量與最小的月平均懸沙通量的比值K來反映,經(jīng)統(tǒng)計(jì)可知K最大值為無窮大(因?yàn)橛?值出現(xiàn)),最小值為224.62,說明年內(nèi)不同月份懸沙通量差異很大。從各年的月平均懸沙通量變化序列來看,有單峰和雙峰兩種主要的分布型式,以明顯的單峰型出現(xiàn)的年份占總年數(shù)的47.4%,而以雙峰型出現(xiàn)的年份占總年數(shù)的52.6%。3.2.3不穩(wěn)定臺(tái)風(fēng)沙過,沙失壓力加大,泥沙質(zhì)量及輸沙量持續(xù)增加圩仁站實(shí)測的最大懸沙通量為19000kg/s,出現(xiàn)在1975年8月13日。在枯季懸沙通量基本上很小,最小懸沙通量為0。從圖5可以看出,梅汛期和臺(tái)汛期洪峰過程的輸沙有明顯不同。梅汛期雨量豐沛,雨汛不斷,洪峰時(shí)常一個(gè)接一個(gè),輸沙多少取決于洪峰的大小,6月逐日平均懸沙通量基本維持在216.7kg/s左右。臺(tái)汛期,由于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、臺(tái)風(fēng)登陸地點(diǎn)以及移動(dòng)路徑不同,洪峰流量過程往往起伏較大。8月沒有臺(tái)風(fēng)的時(shí)候,河流清澈見底,輸沙很少,逐日平均懸沙通量基本維持在5.3kg/s左右。若臺(tái)風(fēng)襲來,由于降雨強(qiáng)度和坡降大,山洪暴發(fā)時(shí),挾沙能力迅速提高,輸沙量隨即幾十倍的增加,最高可達(dá)20000kg/s。單個(gè)洪峰的輸沙量比輸水量更加可觀,例如,1960年6月10日起6日內(nèi)輸沙總量達(dá)124.7萬t,占全年的59.7%;1975年5月16日起7.4日內(nèi)輸沙總量達(dá)103.7萬t,占全年的19.3%。4討論4.1入河口區(qū)沙沙特征從入海水、沙通量的年際變化來看(圖2),兩者之間具有較好的峰、谷對應(yīng)關(guān)系,最大徑流量與最大輸沙量保持一致,均出現(xiàn)在1975年。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:多沙年、中沙年、少沙年分別多數(shù)出現(xiàn)在豐水年、中水年、枯水年,多沙年不會(huì)在枯水年出現(xiàn),少沙年不會(huì)在豐水年出現(xiàn)。但是,以1975年特大洪水為轉(zhuǎn)折,入海水、沙通量之間表現(xiàn)出不同的相關(guān)特征(圖6和圖7)。1975年以前,入海水、沙通量之間關(guān)系緊密,入海懸沙通量的變化主要受入海流量變化的影響;1975年以后,相同入海流量下的輸沙量明顯減少(圖2和圖7),入海水、沙通量之間關(guān)系不明顯(圖6)。上述特征表明甌江流域產(chǎn)沙特性發(fā)生了突變,可能由于1975年特大洪水導(dǎo)致流域土壤受到強(qiáng)烈侵蝕作用有關(guān),致使原有的侵蝕平衡被打破,土壤侵蝕厚度減小,地表土壤抗侵蝕強(qiáng)度增強(qiáng)。以侵蝕模量代表流域的產(chǎn)沙特征值,經(jīng)計(jì)算,1975年以前的侵蝕模量為174.4t/km2,1975年以后的侵蝕模量減小為115.3t/km2。從入海水、沙通量的季節(jié)變化來看(圖3),兩者之間也具有較好的峰、谷對應(yīng)關(guān)系。但是,月均懸沙通量年內(nèi)的變化幅度明顯比月平均流量變化幅度大得多,而且其年內(nèi)分配更不對稱,月平均流量為單峰形式,月平均懸沙通量為明顯的雙峰形式。梅汛期降雨量大,延續(xù)時(shí)間長,為甌江主要產(chǎn)水產(chǎn)沙與輸水輸沙季節(jié),6月為輸水輸沙峰值。臺(tái)汛期也是產(chǎn)水產(chǎn)沙與輸水輸沙的時(shí)期,由于臺(tái)風(fēng)逐年不同,臺(tái)風(fēng)的降雨量歷時(shí)很短,使臺(tái)汛期內(nèi)流量的起伏明顯比較大,使多年月均徑流量不大;臺(tái)汛期雨勢迅猛,對河床沖刷明顯,挾沙能力迅速提高,使9月出現(xiàn)輸沙的峰值。對于月均懸沙通量的多年時(shí)間序列而言,懸沙通量不但在峰值大小的多年分布上與流量序列不同,而且在許多年份中的月均懸沙通量的峰值出現(xiàn)比月均流量的峰值出現(xiàn)稍有滯后。汛期入河口區(qū)懸沙通量比非汛期入河口區(qū)的懸沙通量大很多,汛期入河口區(qū)懸沙通量占全年入河口區(qū)的懸沙通量89.9%,說明入河口區(qū)懸沙通量絕大部分都是來自于汛期的,汛期是主要的產(chǎn)沙輸沙的過程,如1963年和1971年汛期的輸沙量占全年的99.9%和99.5%。所以,產(chǎn)沙和輸沙的洪枯懸殊是甌江河流一大特點(diǎn)。4.2水庫、電站等自然狀態(tài)下,河口入海水、沙通量的變化主要受降雨量變化的直接影響。但是,近50年來甌江流域人類活動(dòng)不斷增強(qiáng),對入海水沙通量的影響日趨明顯,主要包括以下三個(gè)方面:一是流域農(nóng)林牧業(yè)的發(fā)展以及開礦、采石、燒窯、筑路等,森林過度砍伐造成水土大量流失,導(dǎo)致河流輸沙量增加;二是通過引水調(diào)水來滿足工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)生活用水,使河流徑流量發(fā)生變化;三是水庫和水電站等水利設(shè)施的修建,調(diào)水調(diào)沙效應(yīng)明顯,是最主要的人類活動(dòng)影響因素。1949年以來,甌江流域興建了較多的水庫和水電站,其中1988年、1989年建成的緊水灘、石塘水庫為兩座最大的梯級(jí)電站水庫,集水面積分別為2761km2和3234km2,總庫容分別為13.93億m3和0.83億m3。從緊水灘、石塘水庫蓄水前后的入海流量季節(jié)變化來看(圖8),梅汛4月、5月是水庫蓄水的主要時(shí)段,入海流量顯著減小;夏季7月、8月和冬季12月、1月的流量明顯增加,其他月份的變化不大。其中,夏季7月、8月流量增加與降雨特征有關(guān),除非有臺(tái)風(fēng)雨,一般情況下甌江流域以干旱為主,需要水庫放水才能滿足甌江下游工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)生活用水。建庫前后的入海懸沙通量的變化與流量變化基本保持一致(圖9)。因此,緊水灘、石塘水庫的建成和運(yùn)行,對甌江入海徑流起到了明顯的調(diào)節(jié)作用,使得枯水期和干旱期的流量和懸沙通量有所增加,水沙通量年內(nèi)分配趨于均勻化。5入海水、沙通量根據(jù)甌江圩仁水文站1950-2008年的實(shí)測流量資料和1956-1998年的實(shí)測輸沙量資料,對甌江河口入海水、沙通變化規(guī)律進(jìn)行研究,得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):(1)甌江多年平均入海流量為442m3/s,最大和最小年平均入海流量分別為725m3/s(1975年)和213m3/s(1979年),多年平均入海懸沙量為195.2萬t,相應(yīng)的多年平均懸沙通量為61.9kg/s,最大和最小的年均懸沙通量分別是170kg/s(1975年)和12.5kg/s(1979年),沙通量的年際變幅要大于水通量。(2)甌江入海的水、沙通量洪枯季