綠蘭水文站1982-2016年徑流量演變特征分析

魏 煒，李程程，莫崇勛

（1.廣西交通職業技術學院，南寧 530023；2.廣西大學土木建筑工程學院，南寧 530004）

[關鍵字] 徑流量；演變特征；小波分析；Mann-Kendall突變檢驗法

0 引言

近年來，黨中央國務院高度重視中小河流治理，2015年11月29日起實施的《中共中央國務院關于打贏脫貧攻堅戰的決定》（中發[2015]34號）明確提出要“加大對貧困地區抗旱水源建設、中小河流治理、水土流失綜合治理力度”。目前絕大多數的沿岸鄉鎮、村屯和農田都沒有設防，只有通過河岸階梯抵御洪水，防洪標準很低，中小河流洪水災害造成的損失已經成為廣西洪澇災害的主體[1]。因此，針對中小河流的徑流量變化規律進行研究，就顯得十分的必要。鑒于此，本文選擇位于廣西中小河流九曲河上的綠蘭水文站近35 a的徑流量演變特征進行分析，為中小河流的治理及水資源的利用提供科學的參考。

1 研究概況及數據處理

綠蘭水文站位于廣西河池東蘭縣，是我國基本水文控制站，站號為B0406000，該水文站于1980年設立于中小河流九曲河（又名曲江）上，控制集水面積205.2 km3。綠蘭水文站上游河段有于1969年建成巴康水庫，該水庫的總庫容為24.6萬m3，有效庫容為9.9萬m3，水庫集雨面積1.58 km2，僅為綠蘭水文站集雨面積的0.77%。

九曲河是珠江水系西江紅水河段支流。有兩源，南源出廣西壯族自治區東蘭縣新煙溶洞，經巴拉、倫界至綠蘭林場場部；西源自達文溶洞東流至綠蘭林場。向東流至東蘭縣縣城有委榮溪注入，穿過縣城中心至安簍匯入紅水河，全長29 km，流域面積為335.8 km2，是廣西典型的中小河流。

本次研究收集到了綠蘭水文站1982-2016年共計35 a逐日平均徑流量，通過算術平均值計算得到歷年年均徑流量，作為研究分析的基礎數據。

2 研究思路與方法

為了更好地研究綠蘭水文站近35 a徑流量的變化特點，擬從徑流量變化的趨勢性、突變性和周期性3個角度進行分析。采用的方法分別如下：

（1）線性趨勢法。利用線性趨勢法[2]對綠蘭水文站近35 a徑流量整體變化趨勢進行分析。

（2）Mann-Kendall檢驗法。此方法在檢驗水文時間序列突變性領域得到了廣泛的應用[3～5]，本次研究通過Mann-Kendall檢驗法對綠蘭水文站近35 a的徑流量突變性進行分析。

（3）Morlet小波分析法。由于Morlet復小波變換能夠同時求出徑流量隨時間序列變化的相位和振幅，通過相位可以求出水文參數在時間尺度上的變化周期，利用小波系數方差可以表達周期震蕩的強弱程度。本次研究通過Morlet小波分析法[6]對綠蘭水文站近35 a的徑流量周期性進行分析。

3 結果分析

3.1 趨勢性分析

根據綠蘭水文站近35 a年平均徑流量進行趨勢分析，并繪制趨勢分析圖（見圖1）。綠蘭水文站近35 a徑流量變化很小，呈微弱上升趨勢，每年上升量僅為0.0 085 m3/s。近35 a來，最大年均徑流量為12 m3/s，出現在2008年；最小年均徑流量為2.275 m3/s，出現在2016年。

圖1 綠蘭水文站近35 a徑流量變化趨勢圖

3.2 突變性分析

采用Mann-Kendall突變檢驗法對綠蘭水文站近35 a年均進行突變性檢驗，并繪制UF、UB曲線（見圖2），本次研究采用顯著性水平α=0.05，因此統計量UF和UB的臨界值為±1.96。由圖2可知，UF、UB曲線在置信區間內不存在相交情況，說明在近35 a綠蘭水文站徑流量沒有發生突變。

3.3 周期性分析

利用matlab數值軟件計算綠蘭水文站近35 a徑流量序列小波系數，并繪制小波系數實部和模值等值線圖，結果如圖3、圖4所示，同時計算小波系數的方差，并繪制方差在時間尺度上的變化曲線，結果如圖5所示。由圖3可知，綠蘭水文站徑流量序列存在著4～6 a、9～16 a、16～22 a、28～32 a多尺度周期變化規律；由圖4可知，周期在5 a、12 a、30 a三個時間尺度處震蕩較為強烈，處于周期震蕩中心。由圖5可知，小波方差曲線的3個峰值分別對應著5 a、12 a、30 a三個時間尺度，這跟小波模值等值線圖一致，進一步印證了其震蕩中心的特征。三個峰值中，30 a尺度對應的峰值最高，說明30 a為綠蘭水文站徑流量時間序列的第一主周期，其次為12 a、5 a，分別為第二、第三主周期。

圖3 綠蘭水文站徑流量序列小波系數實部等值線圖

圖4 綠蘭水文站徑流量序列小波系數模值等值線圖

圖5 綠蘭水文站徑流量序列小波方差曲線圖

4 討論

（1）徑流量序列變異性問題討論。根據綠蘭水文站徑流量序列近35 a趨勢性和突變性分析可知，徑流量35 a來變化很小，也沒有發生實質性突變。這主要是由于九曲河徑流量比較小，開發利用程度比較低，人類對河道徑流的影響小，能夠保存原有自然的河流生態系統。這也是眾多中小河流的特性，后續為了更為科學研究中小河流的徑流演變特征，建議采用多河流多水文站對比分析研究。

（2）未來徑流量變化問題討論。由圖5進一步分析，對于第一主周期，2016年正處于徑流量偏多周期末期，即將進入徑流量偏少周期，由此可以遇見，在未來30 a內，綠蘭水文站徑流量總體將處于偏少狀態；對于第二主周期，2016年正處于徑流量偏多周期的中心位置，說明未來6 a，綠蘭水文站徑流量還持續保持相對偏多狀態；對于第三周期，2016年處于偏少周期前部分，未來2～3 a仍處于徑流量偏少狀態，這與綠蘭水文站2017-2019年實際平均徑流量偏少的情況相符，說明通過周期尺度預測未來徑流量的變化具有較好的準確性。

5 結論

（1）近35 a，綠蘭水文站徑流量整體變化呈微弱上升趨勢，每年上升量僅為0.0 085 m3/s。

（2）近35 a，綠蘭水文站徑流量沒有發生實質性突變，主要是由于中小河流開發利用程度較低。

（3）綠蘭水文站徑流量序列存在著多尺度周期變化。第一主周期為30 a；第二主周期為12 a；第三主周期為5 a。