2017, Vol. 22
2 国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室, 南京 210018;
3 南京大学地理与海洋科学学院, 南京 210023
2 Key Laboratory of Earth Fissures Geological Disaster, Ministry of Land and Resources, Nanjing 210018;
3 School of Geographic and Oceanic Sciences, Nanjing University, Nanjing 210023
河流入海通量是河口及近海生态系统重要的物质、能量供应者，也是影响河口地区地貌发育及海岸带可持续发展的重要因素，因而成为研究陆海相互作用的关键问题之一（Syvitski et al., 2003; Yang et al., 2004, 2015）。近年来，随着全球气候变化及人类活动（如筑坝、建闸、引水分流等）的加剧，改变了河流入海通量原有的时空变化特征，对海岸地貌发育、生态环境演化产生了一系列的影响（Li et al., 2007; Huang et al., 2015）。目前，在大型流域—海岸系统，如长江、黄河、珠江等就人类活动对入海通量的变化特征及海岸环境、地貌等的影响方面已经进行过较为充分的研究（吴创收等, 2014; Shi et al., 2015; Zhao et al., 2015）。相比之下，中小型流域系统的重要性往往被忽视或低估，如雷坤等（2007）通过分析指出，海河建闸后30年间平均径流量仅为建闸前的18.99%，从而引起水质恶化等诸多问题；Kim et al.（2006）通过对Keum河口的研究发现，河口建闸能降低沉积物的通过效率，河口沉积速率是已有值的1.9倍，由此造成河口淤积、地貌变化等问题。实际上，全球中小河流输运的沉积物通量要大于大型河流（Milliman et al., 1994）。亚洲地区人口密集，存在着大量的小型流域—海岸带系统，每年产生巨量的入海水沙通量，对海岸地貌、近海生态等产生重要影响（高抒, 2006）。
此外，入海通量受到流域降雨量、下垫面特征及人类活动的综合影响，会表现出阶段性及多尺度的变化特征（刘锋等, 2011; 余世鹏等, 2014），这些特征对于未来气候环境变化预测、海岸陆架长周期地貌演化模拟及近海生态系统平衡等具有重要影响。因此，研究气候变化与建闸活动影响下的小型流域系统入海通量的长周期变化特征对于海岸带资源环境及经济社会可持续发展具有重要意义。
2 研究区概况与数据分析 2.1 研究区概况盐城市（图 1）位于中国东部，处于北亚热带向暖温带过渡区，地理位置（32°34′N~34°28′N，119°27′E~120°54′E）东临南黄海，南北分别与南通、连云港接壤，下辖7县2区，年均降水量在1030 mm，降雨集中在汛期6~9月，年均气温为15.5℃（叶正伟，2014）。
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图 1 （a）盐城市的位置及其（b）水系分布 Fig. 1 (a) Location of Yancheng City and its (b) drainage system |
盐城海岸入海河流众多，主要包括射阳河、新洋港河、黄沙港河、斗龙港河等，总流域面积达1.18×104 km2，年均径流量12.65~45.76亿立方米，较大的河流为射阳河及新洋港河（图 1b），年均径流量分别为45.76、26.13亿立方米（表 1），入海河口分布在废黄河以南至辐射沙脊內缘区以北。为防止咸潮倒灌及满足沿河工农业用水需求，从20世纪50年代起陆续建立起挡潮闸，开始人工调控入海径流量。
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表 1 盐城海岸主要入海河流统计表 Table 1 Statistics of main estuaries at Yancheng coast |
本文选取建闸时间较早、年均径流量较大的射阳河与新洋港河1957~2012年共计56年逐月入海径流量数据，同时选取盐城射阳、东台两个气象站1957~2012年逐月降雨资料，径流量数据来源于盐城市水利局，降雨量数据来源于中国气象科学数据共享服务网（data.cma.cn[2017-07-18]）。
采用Mann-kendall趋势检验分析方法（简称M-K趋势分析）分析降雨量及入海径流量的变化趋势，同时还能大体确定要素发生突变的位置信息（魏凤英, 2007; Panda et al., 2011）。另外，参考张宇等（2015）的方法，同时进行了降雨量及入海径流量的M-K突变检验及滑动检验。
降雨量、径流量演变过程具有多时间尺度特征，同时也包含了多层次的突变。小波分析具有多分辨率的特点，在海洋学及水文学分析中已经有较多的应用（Meyers et al., 1993）。小波分析在时域与频域上都能对信号进行多尺度细化分析，得到频率随时间变化及频率间的相互关系。本文选Morlet小波为基小波（Morlet et al., 1982），周期分析结果能真实反映时间序列各尺度周期性大小及其在时域中的分布。同时，采用Torrence and Compo（1998）提出的方法对小波分析结果进行显著性检验和红噪声检验。
3 结果与讨论 3.1 降雨与径流量趋势及影响因素从年均降雨量及其线性拟合看（图 2a），年降雨量呈微弱下降趋势，减小速率为1 mm (10 a)−1，M-K趋势分析结果为−0.03，表明总体上降雨量呈下降趋势，但没有通过90%信度水平的显著性检验。降雨量年际差异较大，降雨量存在几个极大值分别为1409 mm、1143.7 mm、1691.2 mm、1369.1 mm及1269.8 mm，对应的年份分别为1965年、1974年、1991年、1998年、2003年，几个极小值分别为853.3 mm、775.15 mm、487.1 mm、864.55 mm、703.7 mm、656.65 mm，对应年份分别为1961年、1966年、1978年、1988年、1994年、2004年。降雨量的5 a滑动平均及累积距平结果表明（图 2a），1957~2012的降雨量时间序列可分为3个重复的“升—降”变化过程，其中1957~1965年、1969~1974年、1982~1991年表现呈上升趋势，其余时间段呈下降趋势。
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图 2 年均（a）降雨量、（b）径流量及其5年滑动平均和累积距平 Fig. 2 Annual (a) rainfall, (b) runoff and their 5-year moving averages and accumulated anomalies |
入海径流量呈下降趋势（图 2b），减小速率为3×106m3 (10 a)−1，M-K趋势分析结果为−0.01，也表明径流量也呈下降趋势，同样没有通过90%信度水平的显著性检验。入海径流量的极值与降雨量有较好的对应关系，多年平均入海径流量为4.1×109m3，最大入海径流量为7.45×109m3，出现时间为1965年，最小值为1.07×109m3，出现在1978年，前者是后者6.96倍，表明年际径流量变异较大。根据径流量的5 a滑动平均结果，也可大体划分成3个主要的“升—降”过程，时间节点接近降雨量变化的节点。
降雨量与入海径流量的季节性变化显著，从降雨量的季节分布来看（表 2），夏季降雨量最多，平均占全年降雨量的52.94%，冬季降雨所占比例最小，为7.91%，春季与秋季占比相当，分别为19.12%与20.03%。从降雨量的代际分布来看，各代际年均降雨量没有太大差别，最大值为20世纪90年代，达到1081.65 mm a−1，最小为20世纪70年代，为965.43 mm a−1，差距不明显。入海径流量的季节性变化特征与降雨量相比有所差异（表 2），表现在春季占比最低，为13.30%，冬季次之，为15.29%，夏季与秋季占比差距不大，分别为38.53%、32.88%。从总体上看，径流量在各季节的分配相对降雨量而言比较均匀。在降雨量季节分配极不均匀的情况下，入海径流量的这种变化特征表明，人类活动（如河口建闸调蓄径流）在一定程度上使得径流量在年内的分配相对均匀。另外，入海径流量的年代际变化特征（表 2）明显，年代际均径流经历了先减小后增加的变化过程，最大值为20世纪50年代的7.68×109 m3，最小值为20世纪80年代的5.20×109 m3。
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表 2 降雨量及入海径流量年代际及季节性变化统计 Table 2 Statistics of decadal and seasonal variations of rainfall and runoff |
入海径流量受到流域降雨量与下垫面的综合影响，多年（1957~2012年）月平均降雨量及径流量数据（图 3a）表明，降雨量与入海径流量在全年（1~12月）具有较为一致的变化趋势，相关系数达到0.82。从半年分布规律来看，在1~6月期间，平均降雨量逐月增加，而径流量在1~6月基本保持稳定，二者线性相关系数为0.75，表明在上半年期间降雨量对入海径流量的影响不如全年显著。在7量12月期间，平均降雨量呈递减趋势，此时径流量与降雨量具有相似的变化趋势，二者线性相关系数达0.94，表明下半年期间降雨量是影响径流量变化的决定性因素。将多年逐月降雨量、径流数据量做相关性分析（图 3b），结果显示二者具有较好的相关性（线性相关系数R2=0.76），表明在长时间序列逐月变化的时间尺度上流域降雨量对入海径流量也有显著影响。同时，小波分析的结果也揭示了降雨量、径流量在时域频域较好的一致性，在周期变化方面也具有一致或接近的主周期分布，说明在不同周期尺度的分析中，降雨量是影响入海径流量的最主要因素。
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图 3 1957~2012年平均的（a）月降雨量、径流量及其（b）相关分布 Fig. 3 (a) Monthly average rainfall and runoff, (b) their scatterplot of correlation averaged during 1957–2012 |
长时间序列的降雨量及径流量统计结果能够一定程度上反映气候变化特征，利用M-K突变检验及滑动T检验的方法进行降雨量及径流量的突变分析（图 4）。结果表明，对于降雨量序列而言，UF曲线的波动反映出降雨序列三个主要的“升—降”过程，虽然UF、UB存在多个交点（图 4a），但由于二者均没有超出0.05显著性水平线，加之T检验曲线（图 4b）也没有超出信度区间，不具有明显突变点，表明对于降雨量—时间序列而言不存在突变。入海径流的UF曲线在1965年之后虽然表现出下降趋势（图 4c），但由于UF、UB统计曲线在1965年处并没有交叉，故认为不属于径流量突变。虽然不存在径流量的突变，但1965年之前（1957~1965年）的平均径流量为85.5×109 m3，在此之后（1966~2012年）平均径流量为58.9×109 m3，平均入海径流量变化显著。
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图 4 （a）降雨量、（c）径流量的M-K检验；（b）降雨量、（d）径流量的T检验 Fig. 4 Forward (UF, solid line) and backward (UB, dashed line) statistic rank series of (a) rainfall and (c) runoff in the Mann-Kendall (M-K) test; t test of (b) rainfall and (d) runoff |
累积统计曲线也能够在一定程度上反映出变量的速率变化特征（图 5）。从统计结果看，降雨量曲线波动较小，基本呈斜线型，表明长时期的降雨量总体稳定，变化不大，并不存在突变。另外，可将径流量变化分为两个主要时期：在1965年之前斜率较一致，为8.49；1966~2012年间的斜率波动不大，为5.82，相对之前减小了31.45%。总体上看，入海径流量的变化与降雨量的减少存在一定的关系，1965年之前的年均降雨量为1117.21 mm a−1，之后平均为998.67 mm a−1，减少了约11%。此外，人类在该地区河口的建闸行为改变了原有的河口沉积动力特征，造成建闸初期闸下河道严重淤积（李明亮等, 2013），断面过水能力下降，引起排水不畅甚至河道淤死等后果。加之人类在河口及上游的工农业活动加剧，对河流淡水的需求量增加，这些都是降雨量减少大背景下入海径流量在这两个时期发生变化的原因。
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图 5 降雨、径流累积统计曲线 Fig. 5 Accumulative statistical curves of rainfall and runoff |
小波的波谱能量代表了降雨量及径流量时间序列在各个时间尺度上的能量强弱，能量越强表明该时间尺度振幅越大，对于周期的影响越显著。小波实部则代表特定时间尺度信号在时间序列上的分布以及位相两方面的信息，实部为正，代表研究变量偏多，实部为负表示研究变量偏少（刘锋等, 2011）。小波方差则用来确定变量在时间序列中存在的主要周期。
降雨量的小波能量谱（图 6a）表明，在1958~1967年、1971~1984年、1990~2006年这三个阶段2~4 a时间尺度上的能量较强，且通过了0.05显著性水平的红噪声检验。小波系数实部（图 6c）表明，在这三个阶段存在明显的正负相位交替，即降雨量的干湿变化。另外，在1957~2005年时间尺度为8~12 a的能量较强（图 6a），同时存在10个比较明显的降雨“湿—干”交替变化过程。其中，前两个过程（1960~1970年）位于影响锥线外部，有可能受到边界效应的影响，1985~2000年的数据通过了红噪声检验。在影响锥线外部，时间尺度为20~30 a的能量也较强，存在5个明显的“湿—干”交替过程（图 6c）。入海径流量的小波分析结果表明，在2~4 a时间尺度上，入海径流量在1960~1970年、1992~2008年期间具有较强的波谱能量（图 6b），均通过0.05显著性水平的红噪声检验，在此期间存在着径流的“丰—枯”变化，但不显著（图 6d）。6~12 a时间尺度上的能量较强，在1960~1985年包含着非常明显的“丰—枯”变化过程（图 6d），后期的丰枯变化处于影响锥线内部，但变化不如前期明显，而在此期间的径流量的干湿交替则很显著（图 6c）。在影响锥线外部，径流同样时间尺度为20~30 a的“丰—枯”交替过程（图 6d），与降雨量的干湿交替有较好的对应关系。
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图 6 （a）降雨量、（b）径流量波谱能量；（c）降雨量、（d）径流量小波变换实部的时间序列；（e）降雨量、（f）径流量能量谱曲线（蓝色实线）；（g）降雨量、径流量小波方差。图a–d中细实线为0.05显著性水平的边界效应影响锥线，粗实线内为通过0.05显著性水平的红噪声谱检验；图e、f中红线为0.05显著性水平的红噪声检验线 Fig. 6 Power spectrum of (a) rainfall and (b) runoff; time series of real part of wavelet transform of (c) rainfall and (d) runoff; power spectrum curve of (e) rainfall and (f) runoff; (g) wavelet variances of rainfall and runoff. In Figs. a–d, the thin solid lines stand for the cone of influence due to the edging effect at 0.05 significance level, the areas enclosed by thick solid lines indicate data pass the red noise spectrum test at 0.05 significance level. Red lines Figs. e and f denote the red noise spectrum test line at 0.05 significance level |
结合能量谱曲线（图 6e、f）和小波方差图（图 6g），入海径流量存在四个主要变化周期，分别为2.46 a、9.83 a、23.38 a、48 a，由于48 a非常接近时间序列（56 a）总长度，属于噪声数据，因此入海径流量变化的第一主周期为23.38 a，第二主周期为9.83 a，第三主周期为2.46 a。同理可得到降雨量的主周期分布，其中第一主周期为27.80 a，第二主周期为9.83 a，第三主周期为2.46 a。降雨量与径流量之间存在一致的第二、三主周期及非常接近的第一主周期。
通过提取各周期对应的小波变换系数（图 7）发现，在2.46 a的周期尺度上（图 7a），降雨量与入海径流量在时域的分布具有很大的相似性，体现在正负相位频繁交替，振幅经历了“减小—增大—减小”的变化过程。相位与振幅的变化表明降雨的干湿变化与径流的丰枯变化在1957~1978年及1991~2006年期间变化比较剧烈，在1979~1990年及2007~2012年（图 7a）该周期尺度表现不明显，变化较为缓和。在9.83 a周期尺度上（图 7b），在1990年之前降雨量与径流量位相变化特征较为一致，之后径流的丰枯变化逐渐不明显，振幅接近于0，降雨量振幅逐渐减小，周期性特征不显著，而在此期间（1991~2005年）2.46 a的周期特征非常明显（见图 7a、b中虚线框）。在大于20 a的周期尺度上（图 7c），降雨量与径流量序列在2000年之后振幅均表现出一定的衰减特征。总的来看，周期尺度越小，位相的变化越复杂，但各尺度周期振幅均在2005年之后表现出衰减的特征。
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图 7 不同周期情况下降雨量、径流量小波变换实部的变化过程：（a）降雨量、径流量周期为2.46 a；（b）降雨量、径流量周期为9.83 a；（c）降雨量、径流量周期分别为27.80 a与23.38 a。7a、b中虚线框表示降雨量、径流量的周期性差异显著 Fig. 7 Variations in the real parts of wavelet transform of rainfall and runoff at different periods: (a) The period is 2.46 a; (b) the period is 9.83 a; (c) periods are 27.80 a and 23.38 a for rainfall and runoff, respectively. In Figs. a and b, the dashed rectangle represents cyclical differences of rainfall and runoff are significant |
温度是气候变化的重要指标，据陈力等（2015）的分析，研究区温度在1954~2011年以0.24℃ (10 a)−1的速率增加，升温幅度明显，且在1993年发生突变，但气温与降雨量之间没有明显线性或非线性相关关系，表明该区域气温对降雨量及入海径流量无直接显著影响。另外，厄尔尼诺和南方涛动（ENSO）虽然起源于赤道太平洋地区，但影响了地球上大部分地区的气候变化（Chiodi and Harrison, 2015），往往造成严重的干旱、洪涝及其他灾害等极端气象事件，常常被认为是年际气候变化的信号（Turner and Annamalai, 2012）。为研究ENSO对降雨量及入海径流量的影响，选取NOAA提供的1957~2012年逐年多变量ENSO指数（Multivariate ENSO Index, 简称MEI），该指数能较好地反映出ENSO发生与消亡过程（Wolter and Timlin, 1993, 1998），MEI指数越大，表明ENSO发生的强度越大。
统计发现，在1957~2012年间，共发生8次较强的ENSO事件。在ENSO期间，往往对应较大的降雨量、径流量（图 8a、c），平均年降雨量达到1117.40 mm，径流量达到70.70×108 m3，而在其他年份降雨量、径流量均值分别为990.51 mm、62.44×108 m3，前者显著偏多。另外，通过拟合分析发现，在ENSO期间的MEI指数与年均降雨量、径流量均有较好的相关性，如1957~1993年ENSO期间二者的相关系数分别达到0.62、0.58（图 8a、b），说明ENSO事件能够显著影响降雨量及径流量的年代际分布特征。但ENSO的不同阶段，降雨量及入海径流量变化特征不同。1957~1993年ENSO期间，MEI指数越大（发展阶段），往往对应较大的降雨量及径流量，二者呈正相关（图 8a、b）；1997~2012年ENSO期间，较小的MEI指数（衰减阶段）往往对应较大的降雨量、径流量（图 8c、d），后者与已有的研究（黄荣辉和陈文, 2002）是一致的。另外据Yin et al.（2009）的研究，ENSO具有3~7 a的周期变化，这与降雨量及径流量的2~10 a周期变化较为相似。总的来看，ENSO事件通过影响降雨量使入海径流量显著增大，从而使其年代际分布更加不均匀，二者之间呈正相关关系。
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图 8 ENSO期间MEI指数与1957~1993年年均（a）降雨量、（b）径流量以及1997~2012年年均（c）降雨量、（d）径流量拟合结果 Fig. 8 Fitting results of annual mean (a) rainfall and (b) runoff from 1957 to 1993, annual mean (c) rainfall and (d) runoff from 1997 to 2012 to MEI (Multivariate ENSO Index) during ENSO |
在入海河口建闸，目的是为了防止咸潮上溯、蓄积淡水、防洪排涝等（徐雪松等，2012）。盐城地处南黄海粉砂淤泥质海岸，水体悬沙浓度高（邢飞等, 2010），河口建闸改变了原有的沉积动力格局，潮波变形引起的不平衡输沙及咸淡水混合造成的层化效应等（李明亮等, 2013）使得闸下河道快速淤积，河道断面面积减小，排水通航能力下降。另外，由于沿河工农业等用水及河道排水冲淤的需求（龚瑜等, 2015），河闸的管理模式也能够影响入海径流量的年内分配规律。
以新洋港河口为例（图 9），在1957年建闸后，河道断面面积（断面面积数据引用自龚瑜等, 2015）在5年内从建闸初期的1839 m2迅速锐减到1961年的746 m2，减少了约60%，而在此期间的径流量经历了多次升降过程，二者之间呈负相关。另外有分析（付桂等, 2008）指出，由于沉积动力格局改变，建闸初期（海河，1~3年）的淤积量能够占到多年淤积总量的一半以上，说明新洋港河建闸初期径流量变化与河道面积锐减没有直接相关关系。事实上，河道断面存在一个健康运行值，断面面积大于该值时单位径流量对河道的冲淤不构成影响，小于该值时河道断面与径流量之间存在相互作用过程，即径流冲淤扩大断面面积，较大的断面面积有利于径流入海，在新洋港建闸河口区该值为664 m2（龚瑜等, 2015）。将实测断面小于该值的面积与径流量做相关分析，二者相关系数为0.37，表明断面面积能在一定程度上影响径流量变化，但不显著。另外，考虑到上游工农业用水及河道排水冲淤的需要，河闸管理方往往选择在春季闭闸满足农业需求，冬季排水满足河道冲淤需要，表现为入海径流量的季节分配差异。
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图 9 新洋港河河道断面面积与年均径流量 Fig. 9 River channel cross-sectional area and annual runoff of Xinyanggang River |
另外，研究区土地利用结构相对稳定（翟可等, 2009; 张晓祥等, 2013），利用类型以耕地为主，但城镇建设用地在2004~2007年期间变化较快，变化率在15%以上，但比例较小（小于10%）。由于海岸线向外推进，土地覆盖面积快速增加。但在滨海湿地地区，鱼塘及农田建设是土地利用/覆盖变化的主要形式，在1975~2006年期间面积分别增加892%、165%，总面积超过1.4×105 km2。从入海径流的变化规律来看，城建区扩大及鱼塘建设可能是影响入海径流量变化的因素之一，前者能够减少入海径流量，后者在一定程度上起到了调蓄作用，使入海径流量的季节性差异减弱。
总的来看，河口建闸对径流量的影响主要表现在两个方面：第一，建闸能使流域径流量的季节变化与降雨量的季节变化产生差异，表现在秋、冬季占比增加，春、夏占比减少，年内径流量相对均匀，原因与春季上游农业耕地灌溉用水及冬季河闸调蓄排水减淤有关。此外，流域大量的鱼塘对于淡水的调蓄作用也会造成入海径流季节性差异减弱。第二，建闸造成闸外河道淤积，断面面积减小，小于健康运行值时，断面面积与径流量表现为正相关关系，但不显著。随着河道逐渐淤塞或截弯取直时，河道过水能力会大大下降，管理部门的周期性大型清淤工程又会显著增加过水能力，这可能是影响入海径流量代际变化的因素之一。
4 结论通过对于盐城海岸降雨量及入海径流量的变化趋势、影响因素、突变特征及周期性特征分析，可以得出以下主要结论：
（1）近60年来，盐城主要入海河流径流量呈下降趋势，径流减少速率为3×106 m3 (10 a)−1，降雨量的减少及人类活动是造成径流变化的原因。另外，在不同时间尺度（月至年代际）的相关性分析中，降雨量与入海径流表现出较好的正相关关系，表明降雨量是影响入海径流量的最主要因素。
（2）入海径流具有多尺度的变化特征，第一至第三主周期分别为23.38 a、9.83 a、2.46 a，降雨量具有相似的周期变化特征。在不同的周期尺度下，入海径流表现出明显的“丰—枯”交替变化特征，对应降雨量的“湿—干”交替变化，同时二者的年代际震荡特征显著。
（3）ENSO事件期间往往对应较大的降雨量及径流量，还能通过影响降雨量使入海径流的年代际分布更加不均匀，二者之间呈正相关关系。
（4）河口建闸使入海径流量相对降雨量的季节性分配更加均匀，同时会引起河道的淤积，从而影响河道过水能力。而该地区周期性的河道淤塞—清淤行为可能是引起入海径流量代际变化特征的因素之一。
未来应结合全球气候变化模式及区域下垫面变化特征开展不同周期尺度的入海径流量数值模拟预测及其对区域环境及地貌演化的影响评估。
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