西江下游年月徑流變化特征研究

陳立華，劉為福，張利娜

(1.廣西大學土木建筑工程學院，廣西南寧530004；2.廣西防災減災與工程安全重點實驗室，廣西南寧530004)

西江流域上游紅水河段是我國“十三大水電基地”之一，在氣候變化和人類活動共同作用下河川徑流發生不同程度的改變[1- 3]。目前，許多學者圍繞西江流域徑流變化規律進行了研究[4- 6]。這些成果對西江流域水資源開發利用具有一定的指導意義，但是在突變點的識別和驗證上尚缺乏統一的綜合診斷方法且針對西江下游徑流變化特征研究還不充分。因此，本文針對上述問題探究西江下游徑流變化規律。

梧州水文站是西江干流控制性水文站，是廣西實測資料系列最長、資料質量最好的重要監測站之一，集水面積32.7萬km2，占西江流域集水面積的94.6%，其徑流資料能較好地反映西江下游水文情況。因此，研究選取西江梧州站1950年～2015年日徑流資料。采用回歸分析法找出徑流時間序列的趨勢，并用Mann-Kendall秩次相關檢驗法[7- 8]進行趨勢變化顯著性檢驗及Hurst指數[9]預測其未來的變化趨勢；通過M-K法[7- 8]結合滑動T檢驗法進行時間序列變異點診斷，并對診斷出的變異點進行變異等級判定[10]；利用Morlet小波分析法[11]分析梧州徑流的周期特征，以揭示西江下游徑流變化規律。

1 徑流變化特征分析

1.1 年徑流變化趨勢

梧州水文站1950年～2015年年徑流變化過程和累計距平曲線見圖1和圖2。由圖1可知，梧州站年徑流在過去66年中總體表現出遞減的變化趨勢，其遞減率為10.95 m3/(s·a)。圖2表明，在整個研究時域內存在3個準豐枯循環，分別為1950年～1967年、1968年～1992年和1993年～2014年。據此推斷，2014年以后8～10a 徑流將呈階段上升趨勢。

圖1 年徑流趨勢

圖2 年徑流累計距平

采用非參數檢驗法(Mann-Kendall法)和Hurst指數法對其變化趨勢進行分析表明：梧州站徑流統計值ZC值為-1.47，|ZC|小于1.96，未能通過信度為95%的顯著性檢驗，說明梧州水文站的年徑流在66年內的遞減趨勢不顯著。為定性分析梧州站年徑流序列未來變化趨勢的持續性，采用R/S法估算Hurst指數為0.80，大于0.5，表明其未來年徑流與1950年～2015年存在相同的變化趨勢，說明西江下游徑流在1950年～2015年的年徑流不顯著遞減趨勢具有持續性，且持續性較強。

1.2 年徑流的變異特征

1.2.1 變異診斷

水文序列在氣候變化和人類活動的影響下，改變了其原來的變化趨勢，顛覆了“一致性”前提下的工程水文分析計算方法。為了揭示水文序列變異規律，采用多種方法進行變異診斷，以此來獲取更具說服力的變異點。

采用Mann-Kendall法對梧州站的不同時間尺度年徑流序列進行變異診斷，其統計值曲線如圖3所示。

從圖3各時間尺度年徑流變異判別曲線UF可知，自1954年前后開始，梧州站年徑流總體呈現下降的趨勢。其中圖3e、圖3f顯示在2002年年徑流呈明顯減小的趨勢，且在1957年～1965年徑流的統計量UF值超過了置信水平0.05相應的臨界值(Y=±1.96)，表明該時段年平均徑流下降趨勢十分顯著，且在該時間段內是全流域的。圖3中各時間尺度對應的潛在變異年份見表1。

從表1可以看出，對于不同時間尺度的年徑流序列長度，Mann-Kendall法在置信區間內檢測出的潛在變異點存在差異。因此，將采用滑動T檢驗法進一步檢驗置信度內交點是否為變異點。

采用滑動T檢驗法對梧州水文站1950年～2015年年平均流量序列進行逐點檢驗(見圖4)。可看出，年徑流在1951年～1955年和2002年～2003年兩區域均超出了臨界水平。結合M-K法診斷分析可知，1954年和2002年為潛在變異點。

對1954年和2002年兩個潛在變異點進行顯著性檢驗(見表2)。結果表明：1954年各階段的顯著性水平均達到5%(置信水平0.05相應的臨界值為tα/2=2.0)，而2002年只有10年、30年階段顯著性水平達到5%。因此，分析認為1954年變異顯著， 2002年為不顯著突變。

1.2.2 變異等級劃分

變異點的變異程度有輕有重，對變異點進行變異等級判別可以較準確地衡量其變異程度大小。因此，本文采用一種基于均值和變差系數Cv的變異等級劃分方法對1954年和2002年進行變異程度判別，以識別其變異程度大小。變異等級劃分[10]步驟：①對序列均值和Cv進行無量綱化處理，在排除了各種方法本身的局限性之后，從序列本身基值進行分析；②將系數變化程度分為7個等級(見表3)。變異等級判定結果如表4。

圖3 不同時間尺度梧州站年徑流突變判別曲線圖(M-K法)

年份時間/a潛在變異年份1950年～1970年2019531950年～1980年3019531950年～1990年401954、1968、1987、19881950年～2000年501953、1996、20001950年～2010年601954、1968、1970、1972、1973、1975、1976、1980、1984、1992、2004、20081950年～2015年661954、1968、1969、1970、1972、1973、1975、1984、1993、1999、2001、2002

表2 梧州站年徑流變異點前后徑流階段差異的顯著性檢驗

注：參數n1和n2分別為變異點前、后的不同徑流系列長度；*表示顯著度超過5%。

圖4 滑動T檢驗法分析

表3 基于均值系數和Cv的變異等級劃分

表4 變異程度分析

1.3 月徑流變化趨勢

隨著西江干流紅水河段梯級電站的相繼建成，徑流年內分配受人類活動影響已失去天然徑流的年內特征[2- 3，12]，見表5。

從表5可以看出，西江下游梧州站6月～8月占年徑流量的50.5%，12月至次年2月僅占年徑流量的8.2%；6月占比最大，2月占比最小；年水量主要集中在豐水期5月～9月，占年徑流量的71.8%，而平水期和枯水期7個月水量占年徑流量的28.2%。

表5 西江下游梧州站多年平均流量年內分配 %

為進一步分析西江下游徑流年內變化情勢，對各月徑流變化趨勢進行了分析，采用Mann-Kendall秩次相關檢驗法對各月趨勢變化進行檢驗，并運用R/S分析法預測各月徑流未來的變化趨勢(見表6)。

西江下游梧州站逐月徑流在汛期4月～6月和8月～10月均有不同程度的遞減趨勢，而非汛期逐月徑流和7月則呈增加趨勢。從各月徑流M-K統計檢驗值和Hurst系數值可以看出，1月和3月徑流都有顯著的上升趨勢，且其未來徑流將微弱呈持續上升趨勢；8月和9月徑流均有較顯著下降趨勢，其未來徑流將呈較強的持續下降趨勢。分析表明：

(1)梧州站徑流年內變化情勢總體呈現蓄峰補枯的良好趨勢，這主要得益于西江中上游的天生橋一級、龍灘水庫、百色水庫等骨干性水利工程發揮了調控作用。

(2)汛期7月徑流呈微弱的上升趨勢，且其未來徑流呈較強的持續上升趨勢。劉建業[12]曾指出，西江防洪控制站梧州站年最大洪水多發生在前汛期(4月～7月)，尤以6月、7月洪水最盛，占到69%。而陳立華等[4]在西江流域干流徑流演變特征與趨勢分析的研究中曾指出，遷江站6月、7月份月徑流呈遞減趨勢。一方面說明西江干流遷江站上游水庫發揮了削峰防洪的作用；另一方面，姚章民等[13]在珠江流域暴雨天氣系統與暴雨洪水特征分析中曾指出，西江流域發生流域性大洪水的暴雨中心落在柳江的概率最大，其次是桂江，暴雨中心落在右江的概率最小；說明在遷江站至梧州站干流及其區間支流(柳江、郁江、桂江等較大支流)仍缺少足夠調節能力的骨干性水利工程。

表6 梧州站徑流逐月變化趨勢

注：*和**分別表示顯著性檢驗水平超過0.05和0.01。

2 徑流變化周期性分析

2.1 小波變換結果分析

復數小波函數-Morlet小波的實部和模方值是兩個主要變量(見圖5)。小波系數實部可反映系統在不同時間尺度下的變化特征：正位相小波系數實部對應徑流偏豐期(對應圖中亮區)，負位相則對應徑流偏枯期(對應圖中暗區)；小波實部絕對值越大，表明該時間尺度的年徑流序列變化越強烈。Morlet小波系數的模方值大小表征時間尺度信號的強弱，其值越大，則為年徑流序列所對應時段或尺度的主周期。

圖5a為梧州站年徑流序列小波系數實部，反映出徑流序列存在18～26a，8～17a和3～7a共3類時間尺度的周期變化規律。在整個分析時段中，18～26a尺度的周期變化表現非常穩定，存在4個豐～枯振蕩期，其周期中心在22 a左右，且到2015年等值線已閉合，說明2015年以后將呈現新一輪偏枯期。8～17a尺度的周期變化主要發生在50～70年代和90年代末以后，其周期中心在15a左右。3～7a尺度的徑流周期性呈現不穩定的變化。圖5b為年徑流序列的小波系數模方，圖中18～26a尺度模方值最大，能量最強，穩定性最好，其次為8～16a，最弱為3～7a。

圖5 梧州站年徑流的小波系數實部a和模方b的時頻變化

圖6 梧州站年徑流在不同時間尺度下的小波系數實部變化

梧州站年徑流在不同時間尺度下的小波系數實部變化如圖6所示， 圖6a為22a時間尺度下的小波系數實部變化過程，年徑流經歷了4個豐～枯轉換期，具體表現為1950年～1957年、1965年～1971年、1979年～1985年、1994年～2000年和2008年～2014年偏豐，1958年～1964年、1972年～1978年、1986年～1993年和2001年～2007年偏枯；圖6b為年徑流在15a時間尺度下的小波系數實部變化圖，正負位相以15a左右的時間振蕩，在1979年前后出現轉折，1979年之前逐漸遞減，之后逐漸增大，經歷了6個豐-枯轉換期；圖6c為年徑流在5a時間尺度下的小波系數實部變化過程，正負位相以5a左右的時間振蕩，存在2個較大峰值轉折點，分別在1965年和1977年，該時間尺度經歷了19個豐-枯轉換期，時頻變化強烈。

在22a尺度下，2015年～2020年將處于偏枯期而在15a尺度下為偏豐期，因此，大尺度下的豐期(或枯期)蘊藏著若干個小尺度枯(豐)期，呈現出豐枯結構的復雜性。

2.2 小波分析檢驗

年徑流序列小波方差如圖7所示，它通過波動能量隨時間尺度的起伏變化來反映徑流序列的變化過程。圖7中存在22、15、10a和5a4個較明顯的峰值。其中，控制流域年徑流變化的第一和第二主周期分別為22a和15a，而10a和5a的時間尺度相對較弱。

圖7 梧州站年徑流的小波方差

小波方差檢驗結果結合圖6a、b可知，流域徑流變化在15a時間尺度上存在11a左右的周期，大約有6個豐-枯轉換期；而在22a尺度上，徑流的平均變化周期為14.5a左右，為4個周期的豐-枯變化。

4 結 語

采用西江下游梧州站1950年～2015年66a的徑流資料，分別運用Mann-Kendall法、滑動T檢驗法、R/S分析法和小波分析法進行了趨勢性、變異性及周期性等變化規律的分析，得到以下結論：

(1)由線性傾向估計法得到年平均徑流整體呈遞減趨勢，其減少率為10.95 m3/(s·a)。采用Mann-Kendall非參數檢驗法分析1950年～2015年西江下游梧州站年徑流遞減趨勢不明顯。R/S分析表明，西江下游徑流未來變化趨勢與66a來的徑流變化趨勢相同，呈持續遞減的趨勢。

(2)西江流域下游梧州站汛期4月～6月和8月～10月逐月徑流呈不同程度的遞減趨勢，非汛期逐月徑流呈增加趨勢，可知汛期洪水得到削弱，非汛期水量有所補充，表明龍灘下游干流水利工程具有一定的調節能力；但從7月徑流增加趨勢來看，干流水利工程仍不能滿足西江流域防洪需求，尤其是對遷江站至梧州站區間洪水的調控。

(3)在對梧州站不同序列長度的年徑流變異分析中發現，Mann-Kendall檢驗法的檢驗結果易受序列長度影響。通過M-K法結合滑動T檢驗變異點，并對其進行變異等級判定得到：1954年為中度變異，2002年為無明顯變異。

(4)從小波周期性分析表現來看，西江下游徑流存在22、15、5a3類時間尺度的周期性變化規律。其中，第一和第二主周期分別是22a和15a。預測在2015年～2020年后前后，西江下游徑流在22a尺度上將處于偏枯期而15a尺度下為小幅偏豐期。