變化環境下岷江黑水河流域徑流演變特征分析

王 寧，王文圣，余思怡

(四川大學水利水電學院，四川 成都 610065)

全球及區域氣候變化顯著，受人類社會影響的流域下墊面變化劇烈，導致河川徑流在時空上都呈現出明顯的變異特征[1-4]。河川徑流是中國主要的水資源，關系著區域生態環境、農業灌溉以及社會經濟發展和穩定。因此，研究和明晰變化環境下的徑流演變特征，對水資源的合理開發、優化配置及促進區域社會經濟發展具有重要的意義[5]。

水文學者對徑流演變特征開展了大量的研究。張建云等[6]研究表明，1956—2018年間中國主要江河徑流量均不同程度減少。王道席等[7]歸納了黃河源區徑流演變研究進展，黃河源區徑流總體呈下降趨勢，年徑流存在3個周期且在1990年左右發生突變。Chen等[8]研究了珠江流域徑流多尺度變化特征，指出年最小流量呈增加趨勢，年最大流量相比年最小流量的標準偏差較大，這不利于珠江三角洲的洪水減緩，極端水事件如干旱或洪水，發生的可能性較高。王文圣等[9]探討了長江上游主要河流年徑流的變化特性，嘉陵江、岷江、沱江和涪江的年徑流呈下降趨勢，金沙江年徑流無明顯的趨勢變化，主要河流年徑流存在長度不等的周期震蕩特征，多數測站間的年徑流在空間上具有豐枯同步變化特點。梁淑琪等[10]研究表明岷江上游徑流年內分配逐年由均勻向不均勻再向均勻轉變，年徑流總體呈顯著下降趨勢，且下降趨勢在未來具有持續性。趙軍凱等[11]分析了宜昌站徑流量年際變化、年內變化及三峽工程運行對宜昌徑流變化的影響，宜昌汛期徑流呈顯著減少趨勢，枯季則呈不明顯增加趨勢，徑流年內分配趨于均勻，三峽工程運行加劇了長江上游徑流汛期減少與枯季增加的趨勢，使年內分配差異減小。近年來，環境變化特別是降水和水電開發的影響使得徑流的影響發生明顯變化[12-13]，進一步影響區域水資源的管理。

岷江上游是長江流域的重要生態屏障，也是成都平原的重要水源，岷江上游的水電開發進度在1990年之后逐漸加快，隨著岷江上游水電站數量的增加，該流域天然狀態下的徑流變化更加顯著[14-15]。黑水河為岷江上游典型流域，水能資源相對豐富，流域氣候變化敏感，其徑流的演變趨勢、變異特征、周期變化、環境變化特別是降水和水電開發影響下徑流突變前后年際、年內變化特征研究，事關成都平原水資源開發利用與管理。研究成果為提高對岷江上游徑流變化規律的認識水平，以期為區域水資源利用及水電開發決策提供理論依據。

1 研究流域概況與數據

黑水河是岷江上游右岸的一級支流，主要流經阿壩州黑水縣和茂縣(31°42′～32°54′N，102°35′～103°41′E，見圖1)。黑水河上游有西、北兩源，西源發源于黑水縣西部的羊拱山麓，北源發源于毛爾蓋草原，干流長122 km，流域面積為7 240 km2，落差達1 048 m，平均比降8.6‰，河口多年平均流量為140 m3/s[16]。黑水河具有高山峽谷區的主要地貌，氣候變化敏感，徑流補給來源以降水為主。

圖1 黑水河流域水系

沙壩水文站為黑水河流域控制出口站，控制流域面積為7 218 km2，有1960—2015年實測徑流資料供研究使用。

2 研究方法

2.1 突變點診斷法

采用改進的啟發式分割算法對年徑流序列的突變點進行診斷，該方法基于雙重統計檢驗進行人工干預，能夠快速且準確找到序列中的跳躍點。在啟發式分割算法的基礎上，引入Z檢驗和SNHT檢驗(標準正態均一性檢驗)[17]，提出了改進的啟發式分割算法，并將其用于年徑流時間序列的突變點檢測。改進算法如下。

步驟一將序列x1,x2,…,xn標準化為Ri(i=2,3,…,n)。

步驟二將Ri分割為前后2個子序列，分割點記為i(3≤i≤n-3)，分割點前后序列記為Rt(i)、Rr(i)，對應的均值分別為μt(i)、μr(i)，方差分別為st(i)、sr(i)。按照Z檢驗法構建統計量Z0為

(1)

其中，nt、nr為前后兩子序列的長度。

步驟三給定顯著性水平α，若|Z0|>Zα/2，則表明序列x1,x2,…,xn可能在分割點i處發生突變。利用SNHT檢驗法對突變點進行顯著性檢驗，構建統計量T0=nt×μt(i)2+nr×μr(i)2，根據顯著性水平α和序列長度，在文獻[18]中查找臨界值，若T0大于臨界值，則i點為序列的顯著突變點。

步驟四i=i+1，返回執行步驟二。

2.2 趨勢性識別方法

利用線性傾向估計法、Mann-Kendall趨勢檢驗法、R/S分析法對徑流序列進行趨勢分析，線性傾向估計法[19]原理不在此贅述。

2.2.1Mann-Kendall趨勢檢驗法

Mann-Kendall趨勢檢驗法假定序列x1,x2,…,xn是獨立的，定義中間變量S并構造統計量Z如下[20]：

(2)

(3)

式中，sgn為符號函數，同上。給定顯著性水平α，若|Z|≥Zα/2，則判定序列變化趨勢顯著，反之不顯著；Z>0，表明序列呈上升趨勢，反之呈下降趨勢。

2.2.2R/S分析法

R/S分析法是利用Hurst指數來分析水文序列的持續性和反持續性，從而揭示將來的變化趨勢[19-20]。

將序列x1,x2,…,xn等分為長度為τ(3≤τ≤n)的M個(M為n/τ的整數部分)連續子序列，記Ik(k=1,2,…,M)，子序列的元素為xk,m(m=1,2,…,τ)。計算Ik序列的均值Ek、累計離差Ck,a、極差RIa及其標準差SIa。

(4)

(5)

RIa=max(Ck,a)-min(Ck,a)

(6)

(7)

計算Ik序列的重標極差RSk，并計算M個連續子序列重標極差的平均值RS。

(8)

(9)

重復以上計算過程，直至τ=n，得到(RS)n序列，繪制以ln(n)為自變量、ln[(RS)n]為因變量的散點圖，以最小二乘法擬合直線，該直線的斜率即為Hurst指數值H。

若0.5

2.3 周期性識別方法

小波分析法是一種通過調整時頻窗來識別序列周期成分的方法[21]。對于年徑流序列，其連續小波變換定義為：

(10)

小波方差Var(a)可以識別序列的周期成分，計算公式為：

(11)

小波方差隨尺度a變化的過程稱為小波方差圖，圖上波峰對應的尺度為時間序列的主周期。

3 結果及其分析

3.1 徑流突變性分析

應用改進的啟發式分割算法對黑水河年徑流突變年份進行診斷，根據顯著性水平(α=5%)和序列長度(n=56)查找臨界值為8.566，當分割點i=1995年時，統計量T0=8.762，統計量計算結果大于臨界值，突變點通過顯著性檢驗，說明黑水河年徑流在1995年發生顯著突變。

3.2 突變前后徑流趨勢性分析

圖2繪制了黑水河年徑流變化曲線，并給出了年徑流5 a滑動平均過程，表1列出了年徑流在1960—2015年、突變點前(1960—1995年)、突變點后(1996—2015年)的趨勢分析結果。從圖2和表1可知，年徑流在1960—2015年間以-0.32 m3/(s·a)的速率呈顯著下降趨勢，在突變點前以0.12 m3/(s·a)的速率呈不顯著下降趨勢，這與整體趨勢一致，但變化速率變小；突變點后的徑流變化趨勢與整體趨勢相反，年徑流以0.80 m3/(s·a)的速率呈不顯著上升趨勢。

圖2 黑水河年徑流變化曲線

表1 1960—2015年黑水河年徑流趨勢分析結果

R/S分析法計算得到1960—2015年間年徑流Hurst指數H為0.64，大于0.5，表明黑水河年徑流在未來一段時間內變化趨勢可能與該時期的變化趨勢一致，即呈下降的變化(圖3)。

圖3 黑水河年徑流R/S分析法計算結果

3.3 突變前后徑流年際與年內變化特征分析

黑水河流域重要的人類活動之一是水電能源開發，黑水河干流馬橋至白溪河段，按照 “二庫五級”規劃方案開發，其中馬橋水庫和毛爾蓋水庫的調節庫容為2.8億m3[22]，自上而下梯級電站分別為馬橋、竹格多、毛爾蓋、色爾古和柳坪電站，各梯級電站基本情況見表2。黑水河徑流補給以降水為主，已有學者研究發現黑水河年降水突變年份為1995年[23]，與徑流突變一致，由此這里探討降水和水電開發影響下黑水河徑流在突變點前后的年際、年內變化情況。表3給出了突變點前后及整個研究時段年徑流和年降水的均值和Cv值，圖4給出了突變點前后月平均流量分配過程及其變幅。表3和圖4表明：①年徑流突變點前的均值為141 m3/s，變點后的均值為128 m3/s，前后相差較大，減少9.22%，突變點前Cv值為0.10，變點后Cv值為0.13，突變后年徑流年際變化較突變前大；②年降水量的年際變化與年徑流量變化一致，突變點后均值較突變點前小，減少4.63%，突變點后的Cv值較突變前大，突變后年降水年際變化較突變前大；③突變前后徑流的年內分配形式略有不同，突變前呈“雙峰型”，突變后呈“單峰型”；④突變前后徑流的年內變幅呈現明顯的差異，突變后汛期和非汛期的最大月平均流量、最小月平均流量、月平均流量較突變前均不同程度減少，其中汛期的徑流量變幅較非汛期大。

表2 黑水河干流二庫五級方案各梯級水電站基本情況

表3 不同時期黑水河徑流和降水年際變化指標計算結果

圖4 突變點前和突變點后黑水河年內月徑流分配過程

以上研究說明，受降水、水電開發的影響，黑水河徑流在1995年前后的演變特征不同，這種不同是顯著的。黑水河汛期徑流量的減少有效減輕了該時段的防洪壓力，但非汛期的最小月平均流量的減少不利于枯季水資源利用。

3.4 突變前后徑流周期性分析

利用小波分析法分別計算1960—2015、1960—1995、1996—2015年的年徑流序列的多時間尺度變化和小波方差變化過程(圖5)。可以看出，黑水河年徑流演變過程中呈現多時間尺度變化特征，不同時期時間尺度的強弱分布各有不同。年徑流在1960—2015年間存在著6、16、28 a的主周期，其中6 a左右的周期震蕩最強，為第一主周期；年徑流在1960—1995年間存在7、16 a的主周期，在1996—2015年間存在2、5 a的主周期。

a)1960—2015年年徑流小波系數時頻分布

d)1960—1995年年徑流小波方差

4 結論

基于黑水河沙壩水文站1960—2015年實測徑流資料，采用改進的啟發式分割算法、Mann-Kendall趨勢檢驗法、R/S分析法和小波分析法等對年徑流序列的演變特征進行研究，主要結論如下。

a)黑水河年徑流在1995年發生突變。

b)年徑流在1960—2015年以0.32 m3/s/a的速率呈顯著下降趨勢，且在未來一段時間內仍可能保持下降趨勢，在1995年前后兩個時期的變化趨勢不顯著。

c)受環境變化特別是降水和水電開發的影響，黑水河徑流突變前均值較突變后大，突變后的年際變化較突變前大；年內分配形式在突變點前表現為雙峰，在變點后為單峰；突變前后徑流的年內變幅呈現明顯的差異，突變后的汛期徑流量顯著減少，可以有效減輕該流域的防洪壓力，但非汛期最小月平均流量的減少不利于枯季水資源利用。

d)年徑流呈現多時間尺度變化特征，在1960—2015年間存在6、16、28 a的主周期，在1960—1995年間存在7、16 a的主周期，在1996—2015年間存在2、5 a的主周期。