王宇飛,劉秀娟*，王 洋，王萬(wàn)虎，王紅兵，義家吉

(1.海洋地質(zhì)資源湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局?？诤Ｑ蟮刭|(zhì)調(diào)查中心，海南 ?？?570100)

河流入海泥沙通量既是流域在氣候變化和人類活動(dòng)影響下產(chǎn)沙與輸沙變化的結(jié)果，同時(shí)也是引起河口及其鄰近海域環(huán)境變化的重要因素。學(xué)者們對(duì)全球部分河流入海泥沙通量的變化、主要影響因素及其對(duì)河口海岸的影響進(jìn)行了大量的研究[1-4]。其中大型河流，比如密西西比河[5]、尼羅河[6]、科羅拉多河[7]、黃河[8]、長(zhǎng)江[9]、珠江[10]等，是該方向的研究熱點(diǎn)。研究認(rèn)為，近幾十年來(lái)，這些大型河流普遍經(jīng)歷了入海泥沙通量的顯著減少，流域人類活動(dòng)(主要是水庫(kù)修建)是引起入海泥沙通量顯著減少的主要原因，入海泥沙通量的減少造成了這些大河三角洲的侵蝕。

韓江三角洲土地富饒，人口眾多，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)。位于韓江三角洲的汕頭市，是中國(guó)最早的4個(gè)經(jīng)濟(jì)特區(qū)之一，也是全國(guó)著名僑鄉(xiāng)、華南重要港口城市，為粵東和閩西南出海的門戶。因此，對(duì)近幾十年來(lái)韓江入海泥沙通量變化及其對(duì)鄰近海域影響的研究具有重要的經(jīng)濟(jì)社會(huì)價(jià)值。前人在這方面做了一些研究[11-12]，均認(rèn)為近幾十年來(lái)韓江入海泥沙通量呈現(xiàn)顯著下降的趨勢(shì)，大量水電站的修建及森林草地面積的增加是韓江流域近幾十年輸沙量減少的主要因素。但也存在研究成果明顯偏少、研究有待深入的問(wèn)題。

因此，本文在分析韓江入海泥沙通量變化趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)比韓江入海泥沙通量開(kāi)始劇減及減少更為劇烈的時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)大型水電站修建的響應(yīng)，分析其主要因素，并探討韓江入海泥沙減少對(duì)鄰近海域沖淤態(tài)勢(shì)轉(zhuǎn)變及三角洲岸線變遷的影響。

1 區(qū)域概況

韓江是中國(guó)東南沿海最重要的河流之一，也是廣東省僅次于珠江的第二大河。韓江上游為發(fā)源于廣東紫金的梅江和發(fā)源于福建寧化的汀江，兩江在三河壩會(huì)合后始稱韓江。韓江的正源為梅江，自梅江源頭至東溪口，全長(zhǎng)470 km，流域面積30 112 km2。韓江流域北部和中部為山地地貌，下游和三角洲地區(qū)為平原。地勢(shì)由西北向東北向東南傾斜，海拔在20～1 500 m。韓江在流經(jīng)潮州時(shí)逐漸分叉，分為北溪、東溪、西溪三條水道，匯入南海(圖1)。潮安水文站是韓江的總出口控制站，集水面積29 077 km2，占流域總面積的96%[13]。

韓江流域地處亞熱帶東南亞季風(fēng)區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和，降水充足。受海洋性東南季風(fēng)影響較大。流域年平均氣溫20～21.5℃，年平均降水量1 611 mm左右，70 % 集中在4—9月。暴雨主要集中在夏季，受海上東南季風(fēng)影響嚴(yán)重。受降雨季節(jié)性的影響，韓江流域每年4—9月為洪季，10月至次年3月為枯季。該區(qū)的沿岸潮汐主要是由太平洋潮波經(jīng)巴士海峽傳入引起，為不規(guī)則的半日潮，潮差較小，平均潮差約1 m[14]。波浪方向以SE為主，與海岸線幾乎垂直。波浪作用強(qiáng)烈，平均波高0.87～1.10 m[13]。

2 材料與方法

在這個(gè)研究中所使用的水文數(shù)據(jù)為韓江潮安站1958—2019年的水沙數(shù)據(jù)。其中1958—1987年和2006—2014年逐日水沙數(shù)據(jù)來(lái)源于水文年鑒，2015—2019年逐日水沙數(shù)據(jù)系從汕頭市水文分局收集，1988—2005年年水沙數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)[12]。根據(jù)以上潮安水文站的徑流量和入海泥沙通量資料，采用Mann-Kendall(M-K)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法[11-13]，估計(jì)徑流量和泥沙通量的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，并對(duì)徑流量和泥沙通量的變化特征及突變點(diǎn)及減少更為劇烈的時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了分析。

M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)中，如果統(tǒng)計(jì)值Z值為正，則說(shuō)明序列整體呈上升趨勢(shì)；如果統(tǒng)計(jì)值Z值為負(fù)，則說(shuō)明序列整體呈下降趨勢(shì)。當(dāng)Z值的絕對(duì)值小于顯著性水平0.05的臨界值1.96時(shí)，則說(shuō)明其變化趨勢(shì)不顯著；當(dāng)Z值的絕對(duì)值大于顯著性水平0.05的臨界值1.96時(shí)，則說(shuō)明其變化趨勢(shì)顯著。在M-K突變檢驗(yàn)中，若UFk>0，則表明序列呈上升趨勢(shì)，反之呈下降趨勢(shì)。當(dāng)同時(shí)滿足以下條件時(shí)，認(rèn)為存在突變點(diǎn)：① UFk曲線超過(guò)臨界值，即|UFk|>Uα/2，一般取α=0.05，臨界值Uα/2= ± 1.96；②UFk和UBk曲線相交，交點(diǎn)在2條臨界直線(Uα/2=±1.96)之間。

3 結(jié)果

3.1 韓江徑流量、入海泥沙通量的年際變化

1958—2019年韓江入海徑流量和泥沙通量的波動(dòng)表現(xiàn)出相似的特征，入海徑流量越大，入海泥沙通量越大(圖2)，反之亦然。采用M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)分析了水沙變化特征，結(jié)果表明，1958—2019年徑流量趨勢(shì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值Z值為0.30，絕對(duì)值小于顯著性水平0.05的臨界值1.96，說(shuō)明年徑流量整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但趨勢(shì)不顯著。由圖2可知，1963—1982年UFk< 0，徑流量呈減少趨勢(shì)，1958—1962年和1983—2019年UFk>0，徑流量呈增加趨勢(shì)。UFk曲線沒(méi)有超過(guò)顯著水平0.05的臨界線，說(shuō)明徑流量變化趨勢(shì)不顯著(圖3)。雖然UFk和UBk曲線存在交點(diǎn)，且交點(diǎn)位于顯著性水平臨界線之間，但是UFk和UBk曲線沒(méi)有超過(guò)臨界線，所以不存在顯著的突變點(diǎn)。

入海泥沙通量的趨勢(shì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值Z值為-5.22，絕對(duì)值大于顯著性水平0.01臨界值2.58，說(shuō)明年入海泥沙通量整體為減少趨勢(shì)，且減少趨勢(shì)十分顯著。1958—1962年和1980—1990年UFk>0，入海泥沙通量呈增加趨勢(shì)，在1983年達(dá)到最大值1 754萬(wàn)t，1963—1979、1991—2019年UFk<0，入海泥沙通量呈減少趨勢(shì)。UFk和 UBk曲線相交于1998年左右，且在臨界直線之間，因此認(rèn)為潮安站入海泥沙通量的突變點(diǎn)為1998年。從2001年開(kāi)始入海泥沙通量UFk值超過(guò)了顯著水平0.05的臨界線，入海泥沙通量劇烈減少(圖4)。突變點(diǎn)前后年入海泥沙通量多年平均值分別為 745 萬(wàn) t(1958—1997年)和230 萬(wàn) t(1998—2019年)，減少了 69.1 % 。2001年前后多年平均入海泥沙通量分別為716.3萬(wàn)t(1958—2000年)和214.1萬(wàn)t(2001—2019年)，減少了70.1%。

3.2 韓江徑流量、入海泥沙通量的季節(jié)性變化

根據(jù)潮安站1958—1987、2006—2019年逐日流量和含沙量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，洪季(4—9月)的徑流量占全年徑流量的73.1%，且比重在55.6%～85.2%范圍內(nèi)波動(dòng)，洪季徑流量占全年徑流量比重的標(biāo)準(zhǔn)差為0.071，洪季徑流量占全年徑流量比重年際分布較為均勻。洪季的入海泥沙通量占全年入海泥沙通量的87.0%(圖5)，洪季入海泥沙通量占全年入海泥沙通量比重的標(biāo)準(zhǔn)差為0.127，洪季入海泥沙通量占全年入海泥沙通量比重年際分布較為均勻。洪季平均徑流量與全年平均徑流量的變化具有良好的一致性(圖2)。韓江入海泥沙量顯著減少前后(1958—1987、2006—2019年)洪季平均徑流量分別為187.5億、178.1億m3；洪季占全年徑流量的多年平均值分別為74.5%、70.2%。這說(shuō)明韓江入海徑流量的季節(jié)性受到大量水庫(kù)修建和流域植被覆蓋率增加的輕微影響。這2個(gè)時(shí)期洪季平均入海泥沙通量分別為676.0萬(wàn)、194.7萬(wàn)t，減少了71.2 %；同時(shí)期洪季泥沙通量占全年的比值分別為87.7%、85.5%。這說(shuō)明在韓江入海泥沙量劇減的背景下，入海徑流量和泥沙量的季節(jié)性特征僅受到輕微影響。

4 討論

4.1 韓江入海泥沙通量變化驅(qū)動(dòng)因素分析

韓江1958—1969、1970—1979、1980—1989年均入海泥沙通量分別為714.6萬(wàn)、767.3萬(wàn)、843.1萬(wàn)t，略有增長(zhǎng)。20世紀(jì)50s～80s，韓江上游地區(qū)雖然興建了一批水電站，但由于規(guī)模較小(表1)，并未導(dǎo)致入海泥沙通量減小。1997年竣工的青溪水電站裝機(jī)總量144 MW，總庫(kù)容0.75億m3，幾乎同一時(shí)期(1998年)，韓江入海泥沙通量開(kāi)始急劇減少。1997年韓江入海泥沙通量為587.1萬(wàn)t，而1998年則降低為280.7萬(wàn)t，僅超過(guò)1991年的263.9萬(wàn)t，1999年的入海泥沙通量?jī)H為255.5萬(wàn)t，其后的年入海泥沙通量持續(xù)降低(圖2)。1998—2003年修建的棉花灘水電站裝機(jī)總量600 MW，總庫(kù)容20.35億m3(表1)，在這期間(2001年)，韓江入海泥沙通量劇烈減少，2000、2001年的入海泥沙通量分別為466.6萬(wàn)、322.0萬(wàn)t，但2002年的泥沙通量劇減為69.5萬(wàn)t，其后年入海泥沙通量雖有波動(dòng)，但均值明顯降低(圖2)。此后的二十年間，韓江流域有多個(gè)水電站竣工，使得韓江流域入海泥沙通量持續(xù)減少，從2000—2009年均入海泥沙通量269.8萬(wàn)t，減少到2010—2019年均183.9萬(wàn)t。將入海泥沙通量的突變年份及劇烈減少發(fā)生年份與大型水電站竣工時(shí)間進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)兩者高度一致，因此認(rèn)為正是由于大型水電站的投入使用，使得韓江入海泥沙通量開(kāi)始顯著減少及劇烈減少。

表1 韓江流域水電站資料

本文總結(jié)了前人的相關(guān)研究成果(表2)。楊傳訊等[11]對(duì)1955—2012年潮安站水文資料進(jìn)行了分析，認(rèn)為2000年以來(lái)，輸沙量顯著減少，并認(rèn)為大量水電站的修建以及土地植被覆蓋率的增加是導(dǎo)致韓江入海泥沙通量減少的主要原因。趙蘭[12]用M-K檢驗(yàn)對(duì)1955—2016年的水沙資料進(jìn)行分析，結(jié)果表明，輸沙量在1998年產(chǎn)生突變。張郁坡[16]基于對(duì)1951—2011年潮安站輸沙量變化特征的分析，認(rèn)為突變點(diǎn)在2001年，產(chǎn)生突變的主要原因是20世紀(jì)90s以后，上游多個(gè)梯級(jí)電站、水庫(kù)和樞紐的建成攔截了部分泥沙。以上研究檢測(cè)出的突變點(diǎn)年份相差不大，可能是水文數(shù)據(jù)起止年份不一致導(dǎo)致的結(jié)果。以上研究在分析潮安站輸沙量突變的驅(qū)動(dòng)因素時(shí)，均認(rèn)為大量水庫(kù)修建、植被覆蓋率增加(水土保持)是主要影響因素，并沒(méi)能識(shí)別出大型水庫(kù)的主控作用。胡巍巍[17]分析了1954—1987、2006—2012年潮安站年輸沙量的變化，發(fā)現(xiàn)潮安站輸沙量自2006年開(kāi)始明顯減少，主要原因是大型的東山水利樞紐工程(2006—2010)的興建，和本文的觀點(diǎn)相似。韓江流域森林草地面積在1986—1996及1996—2006年持續(xù)增長(zhǎng)[18]，對(duì)韓江入海泥沙通量的減少也有一定的影響，但猜測(cè)森林草地面積的增加是漸變的過(guò)程，很難造成流域產(chǎn)沙的急劇減少，因此造成韓江入海泥沙通量急劇減少的最主要因素是大型水電站的修建。大型水利樞紐工程對(duì)河流的攔沙作用，也是引起許多大河入海泥沙量銳減的主要影響因素[10,19-21]。

表2 韓江入海泥沙變化相關(guān)研究成果

4.2 韓江入海泥沙通量變化對(duì)鄰近海域的影響

關(guān)于韓江河口附近海域地形沖淤及岸線變遷的研究成果明顯較少。前人對(duì)韓江三角洲的形成、發(fā)育、演變進(jìn)行了較全面和深入的研究，但受限于海域樣品和資料的缺乏，該研究重點(diǎn)關(guān)注三角洲陸上部分，對(duì)三角洲水下部分的地形演變涉及較少[14]。張家豪等[22]對(duì)比了韓江口門附近海域1971、2010和2016年海圖，分析了1971—2016年該海域地形演變，發(fā)現(xiàn)1971—2016年總體呈現(xiàn)略微淤積的態(tài)勢(shì)，在1971—2010年處于小幅淤積的態(tài)勢(shì)，在2010—2016處于小幅沖刷的態(tài)勢(shì)(圖6、表3)。該研究認(rèn)為該海域的沖淤變化是地形、水動(dòng)力與泥沙輸運(yùn)共同作用下的結(jié)果，并沒(méi)有分析同時(shí)期韓江入海泥沙量的銳減(由1971—2010年的594萬(wàn)t減少為2011—2016年的194萬(wàn)t)對(duì)水下地形沖淤態(tài)勢(shì)轉(zhuǎn)變的影響。大量的研究表明，河流入海泥沙量的銳減會(huì)引起水下三角洲沖淤態(tài)勢(shì)的轉(zhuǎn)變[6,9,23]。因此推測(cè)韓江入海泥沙量在1990s末的銳減對(duì)韓江河口鄰近海域沖淤態(tài)勢(shì)的轉(zhuǎn)變有重要的影響。由于地形數(shù)據(jù)的稀缺，已有的研究成果僅局限在南澳島附近海域。對(duì)韓江口門附近的其他海域，尚缺乏基礎(chǔ)的歷史地形數(shù)據(jù)。查清韓江口門臨近海域目前所處的沖淤態(tài)勢(shì)，可為該海域的開(kāi)發(fā)利用比如海洋風(fēng)電、航道維護(hù)等提供重要基礎(chǔ)信息。

前人對(duì)漢代至1980s初韓江三角洲岸線的演變過(guò)程進(jìn)行了深入的分析，發(fā)現(xiàn)北溪、東溪、西溪附近岸線在1830s—1964年的平均前積速率分別為5.38、2.31、4.10 m/a。岸線前積速率的大小和各汊道來(lái)沙的多寡有密切的關(guān)系。在1964—1983年，由于圍墾活動(dòng)的影響，岸線向海推進(jìn)速率幾乎為自然狀態(tài)下速率的十倍[14]。劉秀娟等[24]基于衛(wèi)星遙感資料，研究了1980—2020年韓江三角洲岸線的變遷，發(fā)現(xiàn)除人工圍填海造成的萊蕪島-榕江河口段岸線快速擴(kuò)張外，其余岸線均處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)(圖7)。這說(shuō)明在韓江入海泥沙銳減的背景下，三角洲岸線由1980s之前的持續(xù)前積演變?yōu)?980s以來(lái)較為穩(wěn)定的狀態(tài)。在河流入海泥沙量銳減的背景下，河口附近海域局部沖刷產(chǎn)生的沉積物有可能為海岸帶提供了部分物源，一定程度上彌補(bǔ)了河流供沙的不足，使海岸帶保持穩(wěn)定或緩慢淤漲的態(tài)勢(shì)，在其他三角洲也有類似的發(fā)現(xiàn)[25-26]。

時(shí)間I區(qū)II區(qū)III區(qū)總體1971—2010淤積厚度在0.5～3m沖淤平衡局部區(qū)域淤積幅度超過(guò)10m小幅淤積2010—2016沖淤平衡沖淤平衡沖刷幅度在2～10m小幅沖刷1971—2016沖淤平衡沖淤平衡略微淤積略微淤積

5 結(jié)論

本文根據(jù)1958—2019年韓江入海徑流量和入海泥沙通量資料，研究了它們的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，主要驅(qū)動(dòng)因素，以及該變化對(duì)河口鄰近海域的影響，得出如下結(jié)論。

a)韓江入海徑流量沒(méi)有顯著的變化趨勢(shì)，入海泥沙量整體呈現(xiàn)顯著減少的趨勢(shì)，開(kāi)始顯著減少和劇烈減少分別發(fā)生在1998、2001年。

b)大型水庫(kù)的修建是引起韓江入海泥沙通量急劇減少的主要因素。將入海泥沙通量顯著減少和劇烈減少的時(shí)間節(jié)點(diǎn)與大型水電站(青溪、棉花灘水電站)建成時(shí)間進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)兩者高度一致。因此，造成入海泥沙通量急劇減少的主要因素是大型水電站的修建。

c)韓江入海徑流量和泥沙通量呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性特征，洪季入海徑流量和入海泥沙通量年內(nèi)分布較為均勻。在發(fā)生顯著下降前后的2個(gè)時(shí)期(1958—1987、2006—2019年)，洪季徑流量和入海泥沙通量占比均略有降低，說(shuō)明流域人類活動(dòng)(大量水庫(kù)修建、水土保持)對(duì)韓江入海徑流量和泥沙通量的季節(jié)性有輕微影響。

d) 在入海泥沙自1990s末顯著減少的背景下，韓江河口附近海域由1971—2010年的小幅淤積轉(zhuǎn)變?yōu)?010—2016年的小幅沖刷。三角洲岸線由1830s—1964年的向海推進(jìn)(2.40～5.38 m/a)轉(zhuǎn)變?yōu)?980s以來(lái)的較為穩(wěn)定。這些都表明韓江入海泥沙的顯著減少已經(jīng)對(duì)河口鄰近的海域產(chǎn)生了明顯的影響。

致謝：感謝中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局?？诤Ｑ蟮刭|(zhì)調(diào)查中心的曹純武、沈成等同志對(duì)本文的水文數(shù)據(jù)整理提供幫助。感謝中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)海洋學(xué)院周良、李慧玲、劉佳等同學(xué)提出寶貴意見(jiàn)。