鑒江流域徑流變化特征分析

胡 培，邱 靜，陳思淳，李深林

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635；2.河口水利技術國家地方聯合實驗室，廣東 廣州 510635)

在氣候、地形、下墊面等自然因素的影響下，流域徑流的變化呈現規律性和隨機性的變化特征[1-2]。隨著流域人類活動的強烈干預，河川徑流量出現了明顯的變化，對區域經濟社會的可持續發展也有較大的影響[3-4]。

2010年，廣東省政府頒布《廣東省鑒江流域水資源分配方案》，開展鑒江流域枯水期水量調度，通過對高州水庫、攔河壩、梯級水庫、取水戶的調度管理，改變流域枯水期徑流過程，以保障枯水期用水安全。本文通過開展鑒江流域徑流變化特征分析，深入了解鑒江流域水資源特性，為流域水資源的開發利用、節約、保護等提供依據[1]。

1 鑒江流域概況

鑒江流域發源于信宜縣的虎豹坑，流經茂名市高州、化州、電白、市區，在湛江市吳川沙角旋出海，流域總面積為9 464 km2(茂名市境內為7 949 km2、湛江市境內為770 km2，廣西境內為745 km2)，多年平均水資源總量為89.4億m3，是茂名市、湛江市主要生活、生產水源地。

20世紀60年代初，茂名市在鑒江流域上游修建石骨、良德兩庫相聯通的大型水庫——高州水庫，控制集雨面積為1 022 km2。鑒江干流現已建大坡山、旺羅、秧地坡、紅荔、南盛、江邊村、高嶺、積美、吳陽攔河壩和鑒江樞紐等梯級樞紐，同時，中上游各支流還興建大批小型水庫及山塘，解決了茂名市、湛江市吳川地區的生活、工業、農業用水，對沿岸社會經濟發展起到了積極的推動作用。

鑒江流域主要包括高州、合江、化州等控制斷面，其中，化州斷面控制全流域65%以上集水面積，其徑流情勢代表了整個鑒江流域水量調控的效果，因此，本文選取化州站作為本次鑒江流域徑流變化特征分析的代表站點。圖1是鑒江流域水系和主要控制斷面位置示意。

圖1 鑒江流域水系及控制斷面位置示意

2 天然徑流特征分析

2.1 資料數據

收集化州水文站1956—2016年共61 a逐月實測徑流量數據(見圖2)。另外，為作徑流的還原計算，還收集了高州水庫逐月蓄水變量、蒸發資料，茂名市、湛江市吳川市歷年灌溉面積、灌溉定額、田間滲漏、城市生活用水量、城市工業用水量等資料。

圖2 化州水文站1956—2016年逐月實測徑流數據示意

2.2 徑流還原

為分析化州水文站天然徑流特征，研究天然徑流的變異情況，識別徑流變化的主要影響因素，需要對實測徑流量進行還原計算。根據《全國水資源調查評價技術細則》，采用水量平衡法對徑流數據進行還原，見式1。

W還原=W實測+ΔW庫蓄+W引水+W分洪+W農耗+W工業+W生活

(1)

式中W還原為還原后的天然徑流量水量；W實測為水文站實測徑流量；ΔW庫蓄為統計時段內流域水庫蓄水變量(增加取+，減小取-)；W引水為跨流域引出引入水量(引出取+，引入取-)；W分洪為河道分洪流出流入水量(流出取+，流入取-)；W農耗為農業灌溉用水耗損量；W工業為工業用水耗損量；W生活為城鎮生活用水耗損量。

其中，鑒江流域沒有跨流域引出引入水量，取值為0；流域內僅有下游出海口塘尾分洪工程，該工程位于化州斷面以下，該項取值為0；農業、工業、城鎮生活耗水量采用《廣東省第三次水資源調查評價》成果。

按照該方法對化州站逐月徑流量進行還原，還原后天然徑流量見圖3。

圖3 化州水文站1956—2016年逐月天然徑流數據示意

2.3 變化及突變特征

1)Mann-Kendall檢驗

Mann-Kendall法是世界氣象組織推薦的時間序列分析時的非參數檢驗方法，并廣泛地用來分析降水、徑流、氣溫等要素的時間序列的變化情況[5-7]。該檢驗不需要樣本服從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，適合水文、氣象等非正態分布的數據，計算比較簡便。

Mann-Kendall方法的檢驗統計量為UFk，其計算過程見式2。

(2)

式中k為各統計數據；秩序列Sk是i時刻值大于j時刻值個數的累計數，如式3；E(Sk)、Var(Sk)分別為累計數Sk的均值和方差。

(3)

UFk為標準正態分布，按時間序列x的順序計算統計量序列；按時間序列x的逆序，再重復上述過程，計其檢驗統計量為UBk。UFk、UBk兩統計構成的曲線如果出現交點，且交點在臨界直線之間，那么交點對應的時刻就是突變開始的時刻。顯著性水平為0.05時檢驗統計量臨界值為±1.96。

2)Spearman檢驗

斯波曼檢驗(Spearman’s rho)是一種基于秩相關的檢驗方法[8]，以Spearman 秩相關系數衡量評估數據的變化趨勢，計算見公式4。

(4)

其中R(xi)表示數據xi在時間序列中的排序(秩)，由于不存在趨勢的序列的統計值D滿足正態分布，故可定義斯波曼檢驗統計量ZSP。

(5)

如果從小到大排序，ZSP>0，表明序列有上升趨勢；ZSP<0，表明序列有下降趨勢；ZSP=0，表明序列沒有變化趨勢；如果從大到小排序，則相反。如果|ZSP|≤Zα/2，則接受零假設，即變化趨勢不顯著；否則，變化趨勢顯著。

3)計算結果及分析

根據Mann-Kendall檢驗計算方法，對化州站1956—2016年天然年徑流量進行計算，計算結果見圖4。可以看到，計算時間范圍內，除了前10 a由于計算時段較短，計算數據存在一定的波動之外，化州站年徑流量呈現上升的變化趨勢，其中，1975—1976年、1983—1988年呈現顯著的上升趨勢，其他年份上升趨勢并不明顯。計算數據時段10 a以上的序列中(1967年以后)，UFk、UBk兩統計構成的曲線未出現交點，化州站沒有明顯的突變特征。

圖4 化州站天然年徑流量M-K檢驗示意

根據Spearman檢驗計算方法，對化州站1956—2016年天然年徑流量進行計算(見表1)。計算的時間序列統計值和和斯波曼檢驗統計量分別為D=0.19，ZSP=1.46，從長序列尺度上看，化州站年徑流量有上升的趨勢，與M-K檢驗的結果相同。選取置信度α=0.05，相應的臨界值Zα/2=1.96，化州站年徑流量Spearman計算結果未能通過顯著性檢驗，表明徑流量上升趨勢并不明顯。

表1 化州站天然年徑流量Spearman檢驗

總體上看，化州站天然徑流量有一定的上升趨勢，但是不顯著，也不存在序列突變的情況，序列一致性較好，因此，可以認為，降雨、蒸發等氣候變化要素對鑒江流域近60 a的徑流量影響較小，鑒江流域徑流量變化的主要影響因素是人類活動的影響。

3 實測徑流特征分析

3.1 年徑流量變化特征

將化州站天然年徑流量與實測年徑流量相減，繪制逐年的徑流量差值示意(見圖5)。可以看到，化州站各年份的天然徑流量均大于實測徑流量，表明鑒江流域在提供和保障茂名市、湛江市生活、工業、農業用水方面起到了相應的作用。而且，1960年以前化州站天然徑流量和實測徑流量的差值較小，主要是該時段流域范圍內沒有可調節的大型水利工程，流域水資源利用率較低，高州水庫建成后，通過蓄豐補枯，極大的改善了鑒江流域的供水。

圖5 化州站天然與實測徑流量差值示意

3.2 枯水期徑流變化特征

在化州站逐月實測徑流量的基礎上，統計各年份枯水期(4—9月)的徑流量，并分不同時段計算枯水期徑流量的占比，計算結果見表2。從表2可以看到，1980年以前，鑒江流域供水以農業用水、發電用水為主，枯水期供水量較少，化州站枯水期徑流量約占全年徑流量的19%；1981—2009年期間，鑒江流域涉及的茂名市、湛江市城市用水逐漸增加，鑒江流域綜合考慮區域的生活用水、生產用水，結合高州水庫的調度，逐步提高流域枯水期的下泄流量，化州站枯水期徑流量約占全年徑流量的21%，較上一段時間枯水期徑流量有所提高；2010年以來，廣東省政府頒布《廣東省鑒江流域水資源分配方案》，開展鑒江流域枯水期水量調度，充分發揮流域內的調蓄工程，進一步保障流域的枯水期用水，該時段內，化州站枯水期徑流量占全年徑流量比例提高至31%，水量調度效果明顯。

表2 化州站不同時段枯水期徑流占比

4 結語

1)本文以鑒江流域控制站點——化州站為研究對象，研究鑒江流域天然徑流特征、實測徑流特征，分析鑒江流域枯水期水量調度效果，為流域水資源的開發利用、節約、保護等提供依據。

2)采用水量平衡法對化州站徑流量進行還原，并利用Mann-Kendall檢驗和Spearman檢驗研究化州站天然徑流量的變化和突變特征，結果表明，以化州站為代表的鑒江流域近60 a來天然徑流量呈現不顯著的上升趨勢，序列一致性較好，不存在突變，流域徑流量變化的主要影響因素是人類活動。

3)通過對比化州站實測年徑流量和天然年徑流量，可以看到，由于流域供水，鑒江流域各年份的天然徑流量均大于實測徑流量，且在高州水庫建成后，對流域水資源利用率進一步提高；通過統計不同時段化州站枯水期徑流量占比，可以發現，2010年廣東省開展鑒江流域枯水期水量調度以來，化州站枯水期徑流量占全年徑流量比例由原來的20%左右提高至31%，水量調度效果明顯。

4)本文重點研究了鑒江流域天然和實測的徑流特征，分析對徑流特征的主要影響因素，未來的研究可以結合具體的人類活動方案，定量研究人類活動產生的影響，探索提出對鑒江流域水量、水質的保障措施。