西江流域干流徑流量演變特征分析

方榮杰，蔣超華，蘇麗麗，郭純青

(1.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣西 桂林 541004; 2.桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；3.桂林理工大學(xué)巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 桂林 541004)

0 引 言

目前研究發(fā)現(xiàn)水資源短缺是影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要原因之一[1]，而對(duì)河川徑流的演變分析在流域水資源的保護(hù)、開(kāi)發(fā)利用及配置等方面具有重要意義[2]。由于受到氣候變化及人類強(qiáng)烈干擾活動(dòng)的影響，水文循環(huán)過(guò)程已發(fā)生了很大的變化[3-5]，成為影響徑流減少的兩個(gè)主要原因[6,7]。開(kāi)展徑流變化特征、趨勢(shì)和規(guī)律等研究，有利于水資源的合理開(kāi)發(fā)與優(yōu)化配置。

珠江三角洲地區(qū)是中國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)地區(qū)之一，珠江水沙變化對(duì)該地區(qū)工農(nóng)業(yè)、航運(yùn)及生態(tài)環(huán)境等方面都有著重要的影響，而西江水沙變化對(duì)珠江的水沙變化又有直接影響[8]，因此西江流域水沙變化規(guī)律的研究越來(lái)越受到重視。張強(qiáng)等[9]對(duì)珠江流域水沙變化進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水庫(kù)對(duì)徑流和輸沙量都有影響，但對(duì)輸沙量的影響更為明顯。在珠江流域西江干流，汪麗娜等[10]利用Mann-Kendall方法分析了高要站年徑流變化，結(jié)果顯示西江流域多年徑流沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)。陳立華等[11]以天峨、遷江、梧州三站60多年實(shí)測(cè)徑流資料析西江干流徑流年際變化趨勢(shì)及年內(nèi)分配規(guī)律，發(fā)現(xiàn)西江流域徑流年內(nèi)分配不均，主要集中在4-9月，并呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。

總體而言，前人對(duì)西江流域水量變化的研究多集中在廣西境內(nèi)干支流，且多利用單個(gè)干流水文控制站或者干流的中下游水文站的資料，這對(duì)研究整個(gè)西江流域的徑流演變過(guò)程具有一定的局限性。因此，本文利用西江流域干流上游紅河水的遷江站、中游潯江的大湟江口站以及中下游梧州站和高要站的同步水文資料數(shù)據(jù)，沿程上全面分析西江干流徑流量的變化特征，為西江流域生態(tài)治理及水資源利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

西江為珠江主干流，全長(zhǎng)2 214 km，集水面積353 120 km2，坡降0.58‰。西江發(fā)源于云南省馬雄山，自西向東流。西江流域廣西至廣東段大約位于106°42′E～112°30′E， 22°15′N～26°30′N之間，處于低緯度地區(qū)，北回歸線附近，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)域。流域干流地表水平面高程變化大，地形地貌變化復(fù)雜，各地氣候變化較為明顯。多年平均氣溫在19.7～21.3 ℃之間，年際變化不大。多年平均降雨量1 537.1 mm，降雨量分布規(guī)律呈現(xiàn)出自東向西減少的趨勢(shì)，地區(qū)分布差異性較大，年平均蒸發(fā)量為1 000～1 800 mm。

圖1 西江流域水系

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用西江干流遷江站、大湟江口站、梧州站和高要站1957-2016年逐月徑流量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于《中華人民共和國(guó)水利部刊發(fā)的中國(guó)河流泥沙公報(bào)》與梧州市水文水資源局。

2.2 研究方法

根據(jù)西江流域干流遷江、大湟江口、梧州和高要水文站近60年時(shí)間序列的年徑流量資料，利用變差系數(shù)Cv及徑流距平百分率Pi分析徑流年際變化特征。線性擬合可直觀了解徑流的趨勢(shì)性變化規(guī)律，而滑動(dòng)平均算法簡(jiǎn)單、計(jì)算量小，采用的是遞推計(jì)算方式，其優(yōu)點(diǎn)在于既能節(jié)省儲(chǔ)存單元，也能實(shí)時(shí)處理非平穩(wěn)數(shù)據(jù)[12]，因此利用一元線性法、多年平均及5年滑動(dòng)平均分析西江干流徑流量的年際變化趨勢(shì)。目前對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)判斷的常用的方法是Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法[13]，因此利用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法，結(jié)合5年滑動(dòng)平均法及一元線性法分析西江流域干流徑流量的趨勢(shì)變化。徑流突變特征分析有許多方法，但單一方法往往很難分析出具體的突變時(shí)間，因此綜合滑動(dòng)T檢驗(yàn)法、累積距平法和有序聚類法對(duì)西江流域干流各水文站徑流量的突變性進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流年際變化特征

年徑流量的變差系數(shù)Cv是年徑流量系列的標(biāo)準(zhǔn)差和多年平均徑流量的比值，可以通過(guò)變差系數(shù)Cv反映出西江流域徑流量的年際相對(duì)變化程度。表1是遷江站、大湟江口站、梧州站及高要站1957-2016年徑流量的年際變化情況表。由表1可知，1957-2016年4個(gè)水文站多年平均徑流量的變差系數(shù)在0.177～0.216之間變化，其徑流極值比介于2.628～2.760之間,因此西江流域干流紅水河、潯江與西江的主要水文站年徑流量年際變化不大。

表1 西江流域干流4個(gè)水文站多年平均徑流量年際變化

徑流距平百分率Pi是某一時(shí)段的平均徑流量與多年平均徑流量值之差，再除以多年平均徑流量所得值。根據(jù)徑流距平百分率Pi可將年徑流劃分為以下5個(gè)豐枯等級(jí)：<-20%為枯水年、-20%～-10%為偏枯年、-10%～10%平水年、10%～20%偏豐年、>20%豐水年。由圖2分析可知，流域干流各水文站年徑流量豐、枯年呈波動(dòng)性交替變化形狀，且4個(gè)站的波動(dòng)規(guī)律基本一致，即表明各個(gè)站徑流變化幾乎同步。整體而言，20世紀(jì)50年代后期至60年代初期四個(gè)站年徑流量總體出現(xiàn)平水和枯水年的概率較多，基本上可視為平水和枯水期，60年代后期至80年代后期為平水和豐水期，90年代初為枯水期，90年代后期至21世紀(jì)00年代初期為豐水和平水期，21世紀(jì)00年代至10年代期間又回到平水和枯水期。由此可概括出西江流域干流遷江站、大湟江口站、梧州站以及高要站豐、枯水年的出現(xiàn)規(guī)律可分3個(gè)階段：平枯期─平豐期─枯水期。

圖2 西江流域干流4個(gè)水文站年徑流距平百分率

從單個(gè)站點(diǎn)看，遷江站的豐枯變化較為明顯。2013年出現(xiàn)徑流距平百分率小于或等于-40%的高概率，而其1968年和1979年的徑流距平百分比則高于50%，是3個(gè)水文站當(dāng)中出現(xiàn)的最高值，因此遷江站比其他3個(gè)站更易發(fā)生嚴(yán)重的干旱和洪澇災(zāi)害現(xiàn)象。

分析圖2可知，遷江站比其他3個(gè)站更容易發(fā)生極端的干旱和洪澇災(zāi)害，這主要與遷江站所處地理位置和流域形狀有關(guān)。從圖1可知，所研究的4個(gè)站自東向西依次為高要站、梧州站、大湟江口站及遷江站，因緯度、地形差異及距海洋遠(yuǎn)近等原因，使得西江流域降雨量呈現(xiàn)東多西少、上游少下游多的現(xiàn)象[14]。此外，紅水河流域上游范圍較寬，下游呈窄帶狀，且地形西北比東南高，坡度較陡，因此處于紅水河下游的遷江站在暴雨情況下易發(fā)生洪水[15]。

3.2 西江流域干流徑流序列變化的演變趨勢(shì)性

西江流域干流遷江站、大湟江口站、梧州站及高要站年徑流量序列變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3。由圖3可知，近60年來(lái)遷江站徑流量的極值出現(xiàn)于1979年和2013年，與之相對(duì)應(yīng)的流量極大值和極小值為1 043和377.3 萬(wàn)m3，多年徑流量平均值為646.6 萬(wàn)m3。分析圖3發(fā)現(xiàn)：西江流域干流徑流量呈波動(dòng)震蕩變化，年際變動(dòng)不明顯，大部分圍繞于趨勢(shì)線上下，較多年份的徑流量均高于多年平均值；其中遷江站多年徑流量總體上有下降趨勢(shì)，且年徑流量趨勢(shì)線的斜率是4個(gè)水文控制站中最大的站，因此其減少趨勢(shì)更為明顯。

圖3 西江流域干流4個(gè)水文站年徑流量序列變化趨勢(shì)線

根據(jù)趨勢(shì)線判斷，大湟江口站、梧州站和高要站年徑流量呈上升或者下降的趨勢(shì)并不明顯，因此結(jié)合Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法來(lái)判斷，結(jié)果見(jiàn)表2。經(jīng)計(jì)算四站的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)量值Z均為負(fù)值，因此呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，但是遷江站|Z|大于|Za/2|=1.96，表明該站的年徑流量變化趨勢(shì)比較顯著，而其他三站雖呈下降的變化趨勢(shì)，但變化并不顯著。

從4個(gè)水文站的5年滑動(dòng)平均分析，其基本上都經(jīng)歷5個(gè)變化階段，即下降-上升-下降-上升-下降，有一定的同步性。結(jié)合上述的一元趨勢(shì)線和Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法，可知遷江站的年徑流量在研究時(shí)間系列上的總體變化上呈現(xiàn)較為顯著的下降趨勢(shì)，而大湟江口站、梧州站以及高要站呈現(xiàn)緩慢的下降趨勢(shì)。

表2 1955-2016西江流域干流年徑流變化趨勢(shì)的mann-kendall檢驗(yàn)結(jié)果

綜合一元線性及Mann-Kendall檢驗(yàn)法分析發(fā)現(xiàn)，西江干流徑流變化呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，該結(jié)果與朱穎潔、陳立華等[16,17]分析一致。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)珠江流域上游降水的下降也會(huì)減少下游徑流的供給[18]，此外人類強(qiáng)烈的干擾活動(dòng)也是造成徑流減少的原因，但氣候變化對(duì)徑流的絕對(duì)影響要比人類活動(dòng)大[16,19]，因此西江干流徑流減少的主要原因?yàn)闅夂蜃兓鸬慕Y(jié)果。對(duì)于上游遷江站徑流比中下游下降趨勢(shì)更為明顯這一現(xiàn)象，其原因在于中下游的流量主要來(lái)自柳江[20]，所以遷江站斷面徑流下降后未能引起大湟江口站、梧州站及高要站徑流明顯變化。

3.3 西江流域干流徑流系列突變性分析

利用滑動(dòng)T檢驗(yàn)法、累積距平法和有序聚類法對(duì)西江干流年徑流變化突變點(diǎn)進(jìn)行了分析，分析結(jié)果見(jiàn)表3、圖4及圖5。

圖4 有序聚類曲線圖

圖5 累計(jì)距平曲線圖

表3 西江流域干流4個(gè)水文站年徑流量滑動(dòng)T檢驗(yàn)結(jié)果

由圖4、圖5及表3可知，運(yùn)用3種方法計(jì)算其年徑流量變化的結(jié)果均可得到突變點(diǎn)。圖4遷江站中，有序聚類法分析得到2002年為年徑流量的顯著突變點(diǎn)，而圖5中累積距平法計(jì)算的結(jié)果則是2003年為年徑流量的顯著突變點(diǎn)，再結(jié)合滑動(dòng)T檢驗(yàn)法及遷江站有序聚類法分析(見(jiàn)圖4)判斷，確定遷江站年徑流量變化的顯著突變點(diǎn)為2002年，突變前徑流量均值為677.83 億m3，突變后均值543.53 億m3，突變量為134.3 億m3。在此，由圖5中遷江站年徑流量累積距平曲線也可以得到遷江站1957-2016年徑流變化的總體趨勢(shì)，即緩慢下降-平緩上升-下降-加速上升-急劇下降，該結(jié)果與5年滑動(dòng)平均值判斷結(jié)果一致。而由圖4知，1963年大湟江口站年徑流量出現(xiàn)最小值，同時(shí)在圖5大湟江口站中存在2003年和1964年兩個(gè)極值，而利用滑動(dòng)T檢驗(yàn)時(shí)大湟江口站年徑流量的統(tǒng)計(jì)量值小于置信度α=0.05時(shí)的臨界值(見(jiàn)表3)，因此大湟江口年徑流量變化無(wú)顯著突變點(diǎn)，其變化趨勢(shì)緩慢。雖然圖4梧州站中有序聚類分析出現(xiàn)最小值的時(shí)間為1963年，而圖5累積距平曲線出現(xiàn)極小值與極大值的時(shí)間分別為1968年和2003年，但這3個(gè)時(shí)間點(diǎn)經(jīng)T檢驗(yàn)計(jì)算其統(tǒng)計(jì)量T的絕對(duì)值均小于置信度為0.05時(shí)的顯著水平，因此均不是突變點(diǎn)。同理，高要站的年徑流量變化也不存在突變點(diǎn)。

氣候變化、水利工程的建設(shè)及人類因素的干擾等都可能是造成徑流突變的原因。分析發(fā)現(xiàn)龍灘水電站建站時(shí)間與遷江站徑流發(fā)生突變的時(shí)間基本一致，且遷江站來(lái)水量單一，徑流一致性較好，因此引起遷江站徑流發(fā)生突變?cè)蚩赡芘c水利工程建設(shè)及氣候變化有關(guān)。此外，分析天峨站、遷江站及梧州站徑流集中期發(fā)現(xiàn)，天峨站及遷江站徑流集中期在7月中下旬至8月上旬，梧州站集中期主要在7月[11]，因此西江中上游來(lái)水量對(duì)下游流量影響有限，這也與遷江站流量發(fā)生突變而下游水文站未發(fā)生變化一致。

4 結(jié) 論

綜上所述，經(jīng)過(guò)對(duì)西江干流徑流變化分析，得到以下結(jié)論：

(1)西江流域干流徑流量年際變差系數(shù)小，徑流量年際變化不大。

(2)西江流域干流豐、枯水年的出現(xiàn)規(guī)律可分三個(gè)階段：平枯期-平豐期-枯水期；其中遷江站的豐水年、枯水年發(fā)生的概率都較高，易發(fā)生洪水與干旱現(xiàn)象。

(3)西江流域干流遷江站的年徑流量總體變化呈顯著下降趨勢(shì)，其他三站的年際徑流量總體變化也呈下降趨勢(shì)，但是不顯著。年徑流量階段性變化趨勢(shì)均呈下降-上升-下降-上升-下降的趨勢(shì)。

(4)在2002年遷江站的年徑流量發(fā)生顯著突變，突變前后的多年徑流量均值差達(dá)134.3 億m3。其他3個(gè)水文站點(diǎn)并未出現(xiàn)顯著突變點(diǎn)。

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