雅礱江流域徑流極值變化規(guī)律及影響因素分析

李崢嶸，彭 濤，2，董曉華，2，林青霞

(1.三峽大學水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443002；2.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430072)

0 引 言

受氣候變化和人類活動的影響，眾多江河水文情勢發(fā)生了顯著的變化，干旱、洪澇等極端水文事件頻發(fā)。近年來，以極端水文事件發(fā)生規(guī)律與機理為重大科學問題的全球變化研究已經(jīng)引起了國內外眾多學者的關注[1-3]。針對變化環(huán)境下導致的徑流極值變化問題，國內外學者開展許多相關研究工作。張強等[4]分析了鄱陽湖流域6個水文站年最大流量、最大3 d和最大7 d平均流量的概率分布以及影響因素；何艷虎等[5]采Mann-Kendall法、R/S等方法對東江流域年徑流及極值流量變化特征及成因進行了分析；羅賢等[6]利用怒江流域近50年來氣溫、降水和徑流數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)20世紀90年代以來怒江流域枯水徑流有較為明顯的增長；姚夢婷等[7]采用GP、GEV等21種分布函數(shù)對淮河流域徑流極值序列進行擬合；Leander等[8]利用校正的氣象模型探討了默茲河流域氣溫、降水對極端徑流的影響；Ruiz-Villanueva等[9]以德國西南地區(qū)極端水文事件為研究對象，探討了極端徑流對氣候變化的響應。

雅礱江位居全國十三大水電基地第3位，水能資源極為豐富，因此對雅礱江流域進行徑流極值演變規(guī)律分析具有重要意義。當前已有一些學者研究雅礱江流域的徑流特性及其變化趨勢[10-12]，但對流域極值流量演變特征及成因分析的尚不多見。基于此，本文以雅礱江流域雅江和洼里逐日徑流資料為研究對象，采用Mann-Kendall檢驗法、有序聚類法、突變點檢驗(Pettitt)法以及小波分析法分析研究雅礱江流域極值流量的趨勢性、突變性和周期性特征，并探討雅礱江流域徑流極值變化的影響因素，為流域洪水災害防治、經(jīng)濟社會的持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

表1 極值流量指標特征統(tǒng)計值及M-K檢驗值

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

雅礱江發(fā)源于青海省巴顏喀拉山南麓，干流全長1 571 km，流域面積約13.6萬km2。雅礱江流域季節(jié)干濕分明，11月至次年4月為干季，河川徑流多以地下水補給為主。5月至10月為雨季，氣候濕潤，降雨集中，占全年的90%～95%。雅礱江流域主汛期為6月～9月，大洪水多發(fā)生于7月～8月。雅礱江中下游處于大暴雨區(qū)內，為洪水主要來源地區(qū)，其洪水特性是峰高、量小、歷時短。地處雅礱江中游的雅江水文站集水面積6.57萬km2，多年平均徑流量659 m3/s，下游的洼里水文站集水面積10.23萬km2，多年平均徑流量1 170 m3/s。

1.2 數(shù)據(jù)來源

徑流資料為雅礱江流域雅江站1953年～2015年和洼里站1959年～2004年的逐日流量數(shù)據(jù)，源自長江水利委員會水文局。本文所用的年最大(1、3 d和7 d)平均流量、年最小(1、3 d和7 d)平均流量基于逐日流量資料提取。由于雅江站1962年～1964年逐日流量數(shù)據(jù)缺測，年極值流量數(shù)據(jù)由洼里站同年數(shù)據(jù)插補得到。本文選用的雅礱江流域理塘、石渠、甘孜等15個氣象站的降水和氣溫數(shù)據(jù)來源于中國氣象局科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng) (http:∥www.cma.gov.cn/)。四期土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/)。

2 研究方法

選用Mann-Kendall法對雅礱江流域年極值流量趨勢性進行分析。Mann-Kendall法(簡稱“M-K法”)是目前常用的非參數(shù)檢驗方法[13]，可用于時間序列的趨勢和突變檢驗。M-K趨勢檢驗通過計算統(tǒng)計量Z判斷序列變化趨勢。若Z>0，則為上升趨勢；反之，則為下降趨勢。若|Z|大于一定顯著性水平下的臨界值，則變化趨勢顯著；否則不顯著。

采用M-K法、有序聚類法和Pettitt法對雅礱江流域極值流量突變特征進行檢驗，M-K法通過分析統(tǒng)計序列UF和UB值，來判斷序列突變點，具體計算步驟見參考文獻[14]。有序聚類分析法是一種推求時間序列發(fā)生可能性突變點的有效方法[15]， 實際上是推求最優(yōu)分割點， 使得同類之間的離差平方和最小， 而類與類之間的離差平方和相對較大。Pettitt是由Pettitt 在1979年提出的一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，結合Loess參考函數(shù)能夠較好的識別序列分布的突變點[16]。

在水文系統(tǒng)的多時間尺度變化特征的研究中，小波分析是一種有效的方法[17]。本文采用復Morlet小波連續(xù)小波變換，通過小波功率譜分析，表現(xiàn)不同尺度下序列信號的強弱，據(jù)此確定序列顯著周期的震蕩范圍。

3 結果分析

3.1 極值流量基本特性及趨勢分析

雅礱江流域雅江和洼里站徑流極值統(tǒng)計特征見表1。由表1可知，雅江站和洼里站徑流極值指標變差系數(shù)在0.15～0.28之間，年際變化相對不大。相比雅里站而言，洼里站的變差系數(shù)和偏態(tài)系數(shù)較雅江站要小，這說明洼里站極值流量序列年際變化相對較小和分布對稱程度更好。雅江和洼里站徑流極值M-K趨勢檢驗結果見表1。雅江和洼里站年最大(1、3、7 d)流量M-K檢驗統(tǒng)計值均為正值，且小于1.96，說明雅江和洼里站年最大流量序列均未通過顯著水平α=0.05的信度檢驗，表明兩個站年最大流量表現(xiàn)為不顯著增加趨勢。雅江和洼里站年最小(1、3、7 d)流量M-K檢驗值均為負值，且未通過顯著水平α=0.05的信度檢驗，表明兩個站年最小流量表現(xiàn)為不顯著減少趨勢。

圖1 雅江和洼里站M-K法突變檢驗

圖2 雅江和洼里站有序聚類法突變檢驗

3.2 極值流量突變分析

采用M-K法、有序聚類法和Pettitt法，綜合分析雅江和洼里站極值流量序列突變特征，結果如圖1、2和表2所示。

由圖1、2可知，雅江站最大日流量正反序列曲線在信度線內存在3個交點(2009年、2011年和2013年)，而經(jīng)過有序聚類法和Pettitt法檢驗得到可能的共同突變點則為1998年；雅江站最小日流量正反序列曲線于1954年、1957年和1999年在信度線內有3個交叉點，再通過有序聚類法和Pettitt法得到可能的突變點分別為2013年和1997年，但均未通過95%的顯著性水平。洼里站最大和最小日流量正反序列曲線在信度線內均存在多個交點，但有序聚類法和Pettitt法檢驗均未檢測到統(tǒng)計意義上的突變點。

表2 M-K法、有序聚類法和Pettitt法突變檢測結果

圖3 雅江和洼里站極值流量小波功率譜

類似地，對雅江和洼里站極大值(3、7 d)流量、極小值(3、7 d)流量進行分析，結果見表2。從表2可以看出，雅江站最大3 d流量由有序聚類法和Pettitt法均檢驗得到1998年為可能突變年，但未通過95%的顯著性水平，表明雅江站最大3 d流量突變不顯著，雅江站最大7 d流量亦然。由三種突變方法分析得到雅江站最小3 d、最小7 d流量存在多個可能突變點，但突變均不顯著。洼里站最大3 d流量由M-K法和有序聚類法均檢驗得到序列可能突變點為1998年，但突變不顯著。由三種突變方法分析得到洼里站最大7 d流量存在多個突變點，但均為不顯著突變。從洼里站最小3 d、最小7 d流量的M-K法和有序聚類法檢驗結果來看，序列可能突變點均為2000年，但均未通過95%的顯著性水平，表明突變不顯著。

綜合上述3種突變檢驗方法，雅礱江流域雅江站最大日流量在1998年發(fā)生統(tǒng)計意義上突變，這與1998年雅礱江流域發(fā)生特大洪水年份一致。

3.3 極值流量周期分析

采用Morlet小波分析法對雅礱江流域雅江、洼里站年最大、年最小流量系列進行周期性分析。由雅江站最大日流量小波功率譜圖可知，雅江站最大日流量在1953年～2015年期間存在4個震蕩周期，分別為1～2、6、10 a和16 a的周期。其中，1～2 a和6 a的震蕩周期通過了置信水平為95%的紅噪聲檢驗，說明這個周期在全時域內顯著，為主周期；而10、16 a的震蕩周期沒有通過置信水平為95%的紅噪聲檢驗(圖3a)；由雅江站最小日流量小波功率譜圖來看，在1955年～1980年、1983～2012年小波功率譜震蕩比較強烈，存在1～2 a和6 a的震蕩周期，且通過了置信水平為95%的紅噪聲檢驗，具有顯著的周期特征(圖3b)。洼里站最大日流量小波功率譜圖顯示，在1955年～2012年小波功率譜震蕩強烈。其中，1～2 a和6 a的震蕩周期通過了95%的紅噪聲檢驗，周期顯著(圖3c)；而洼里站最小日流量在1～2 a震蕩周期通過了置信水平95%的紅噪聲檢驗，其余周期均未通過95%的紅噪聲檢驗(圖3d)。類似地，對雅江和洼里站最大3、7 d和最小3、7 d流量序列進行周期分析，變化周期分別與相應的最大1 d和最小1 d流量序列結果相同。

綜上所述，雅江和洼里站極值流量序列在時域中都存在著顯著的短震蕩周期。雅江站最大(1、3、7 d)流量、最小(1、3、7 d)流量有1～2年和6年的震蕩周期；洼里站最大(1、3、7 d)流量存在1～2 a和6 a的震蕩周期；洼里站最小(1、3、7 d)流量有1～2 a的震蕩周期。

3.4 影響因素分析

3.4.1氣候變化

為了研究雅江和洼里站降水與徑流的關系，本文搜集了研究區(qū)域以及鄰近地區(qū)15個氣象站的逐日降水數(shù)據(jù)。首先采用泰森多邊形法計算雅江和洼里站控制流域以上面平均降水量，然后提取與年最大日流量序列對應的降水極值序列[18]。在此基礎上，計算雅江和洼里站自1970年以來降水序列Cv、Cs值20 a的滑動值變化情況，得到1989年以來降水極值和徑流極值的Cv、Cs滑動值序列(見圖4)。

圖4 年最大日流量和降水序列參數(shù)20 a滑動Cs/Cv變化過程

由圖4可知，雅江和洼里站年最大降水序列和洪峰序列的20 a滑動Cs/Cv值在1992年后變化趨勢基本一致。這說明雅礱江流域徑流極值突變主要是氣候變化因素造成的。

3.4.2土地利用變化

為反映人類活動造成的土地利用變化對徑流極值的影響，統(tǒng)計分析雅礱江流域1980年、1990年、2000年和2010年4個時期土地利用變化情況(見表3)。

表3 雅礱江流域不同時期土地利用占比統(tǒng)計 %

從表3可以看出，雅礱江流域土地利用類型以草地為主，其次是林地，這兩類土地利用類型的面積占流域總面積的85%以上，水域和城鄉(xiāng)居民用地占比不足2%。從1980年到1990年，水域面積從1.7%下降到0.4%，變化幅度為1.3%，2000年之后水域面積略有增加。總之，除了1980年～1990年水域面積明顯減少以外，研究區(qū)域不同時期的土地利用變化均比較小，土地利用變化不是流域徑流極值突變的主要原因。

3.4.3水利工程的影響

目前雅礱江流域已建成的大型水庫有二灘和錦屏一級，分別于1998年和2012年下閘蓄水，總庫容分別為58億m3和77.6億m3，兩座大型水庫均位于雅礱江下游。本文選用的雅江站位于雅礱江干流中游，故該站的水文情勢不受二灘和錦屏一級水庫調蓄的影響；此外，洼里站位于錦屏一級與二灘水庫之間，2012年運行的錦屏一級水庫對洼里站1959年～2004年的徑流極值也無影響。由此來看，大型水利工程的運行對雅江和洼里站站徑流極值影響不大。

4 結 論

利用雅江和洼里站的逐日徑流序列資料，分析了徑流極值的趨勢、突變和周期性特征，并探討了極值徑流發(fā)生突變的影響因素，得出如下主要結論：

(1)雅江和洼里站年極大值流量(1、3、7 d)呈一定的增加趨勢；年極小值流量(1、3、7 d)呈一定的減小趨勢，但變化均不顯著。雅江站年最大1 d流量在1998年發(fā)生突變。

(2)雅江和洼里站年極大值流量(1、3、7 d)周期變化一致，為1～2 a和6 a。雅江站年極小值流量(1、3、7 d)周期特征為1～2 a和6 a，洼里站年極小值流量(1、3、7 d)周期特征為1～2 a。

(3)降水變化是導致雅江站極值流量發(fā)生突變的主要原因。20世紀90年代后期，水域顯著減少也可能是造成突變的影響因素之一，而水利工程建設對雅江和洼里站徑流極值影響不大。隨著未來兩河口水庫的蓄水運行，它將通過巨大的攔洪削峰作用對大壩下游河道的洪水產(chǎn)生顯著影響。