資水流域徑流年內分配變化趨勢研究

李 穎，姚 奕

（1.湖南省水文儀器設備檢測中心，湖南 長沙 410000；2.湘潭水文水資源勘測中心，湖南 湘潭 411100）

引 言

流域的徑流年內分配具有不均勻性，這種不均勻性與徑流的補給條件密切相關，不均勻性特征值的變化對應著補給條件的改變，氣候的變化和人類活動的影響也對不均勻性特征值的變化有著重要的驅動作用。

王金星、張建云（2008）等在《水科學進展》中利用不均勻系數、完全調節系數、集中度、集中期等對近50年來中國六大流域徑流年內分配特征進行了量化研究[1]，楊遠東（1984）在《地理學報》中基于湯奇成等用借鑒降雨量年內分配的向量法表示徑流年內分配，提出了用集中度、集中期作為特征值量化表示徑流年內分配特征的計算方法，并比較了集中度和不均勻系數表示年內徑流分配特征對各月徑流量敏感性的強弱，認為年徑流不均勻系數對年內各月量的敏感性不如集中度明顯，集中度和集中期表示年徑流年內分配是一種可行的良好方法[2]。本文基于對流域內不均勻系數、調節系數、集中度、集中期4個定量化流域年內徑流分配特征值的計算，利用Mann-Kendall非參數統計檢驗方法，線性趨勢分析法對其變化趨勢進行分析，并探討其成因，以期對流域內水資源的開發利用和水利工程的規劃布局提供可靠依據。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

資水自邵陽縣雙江口以上分為左右兩支，左支為赧水，是資水正源，右支為夫夷水。資水流域面積28113 km2，全長661 km，平均坡降0.462‰。

資水流域屬于亞熱帶濕潤性大陸季風氣候，具有“氣候溫和，四季分明，嚴寒期短，暑熱期長，熱量充足，雨水集中，春溫多變，夏秋多旱”的特點，流域多年平均降水量1 481.8 mm，最大月降水多出現在6月，多年平均最大月降水占全年降水的13%～20%，最小月降水多出現在12月，多年平均最小月降水占全年的1.6%～4.0%。資水流域降雨多集中于4—7月，沿雪峰山脈為降雨高值區,衡邵丘陵區為降雨低值區。

資水流域建成了筱溪、柘溪、馬跡塘、修山、六都寨等系列梯級水利水電工程，人為地削豐補枯調節徑流,改變了流域自然水文情勢。

1.2 數據來源

本文收集了資水流域干流的冷水江和桃江（二）兩個水文站1956—2016年的實測月徑流資料作為分析資水流域徑流年內分配變化規律的基礎數據，其中部分缺失的資料采用插補方法進行補充完整，所有實測徑流數據均來自湖南省水文水資源勘測中心。冷水江站位于資水流域中游，桃江（二）站位于資水流域下游出口處。

2 研究方法

2.1 徑流年內分配特征值的計算

本文對徑流年內分配特征進行了定量化，利用分別位于資水流域中游和下游的冷水江站和桃江（二）站的實測月徑流資料進行流域年內徑流分配特征定量計算，定量值有：完全年調節系數Cr、年內分配不均勻系數Cu、集中度Cn和集中期D。鄭紅星、李艷、王兆禮等分別在黃河源區、北江流域等地采用了這些參數對其流域的年內徑流分配特征進行了相關研究和描述，方法可行且效果良好，其計算方法參考相關文獻[3～4]。

通過對該方法的研究可知，完全年調節系數Cr、年內分配不均勻系數Cu數值越大，則說明徑流年內分配越不均勻，各月徑流量相差越大，集中度Cn數值越大，則說明徑流年內分配越集中，D則表示集中的日期。

2.2 徑流年內分配特征值的變化趨勢分析

采用Mann-Kendall檢驗法和線性傾向法2種方法相互印證，對反映徑流年內分配特征的四個定量化特征值進行趨勢變化分析，兩種方法簡述如下：

1）Mann-Kendall檢驗

Mann-Kendall非參數秩次相關檢驗法，簡稱M-K法。曹潔萍等在將此法應用于降雨趨勢分析中指出：Mann-Kendall檢驗法是在時間序列趨勢分析中，世界氣象組織推薦并已經廣泛使用的非參數檢驗方法，許多學者已經將其應用在降雨、徑流、氣溫和水質等要素在時間序列中的趨勢變化分析，該方法不需要樣本遵從一定的分布，也不受到少數異常極值的干擾，計算簡便，非常適用于水文、氣象等非正態分布的數據趨勢分析[5]。

2）線性傾向法

用xi表示樣本量為n的某一變量，用ti表示xi所對應的時間，建立xi與ti間的一元線性回歸方程

xi=a+bti(i=1,2,…,n)

式中 a——回歸常數；

B——回歸系數。

利用最小二乘法估計a和b。回歸系數b的符號表示變量x的趨勢傾向，b>0說明x隨時間t的增加而呈上升趨勢,反之x呈下降趨勢,通常又稱b為傾向值。

3 結果與分析

3.1 資水流域徑流年內分配特征值和變化趨勢計算結果

根據資水流域干流的冷水江和桃江（二）兩個水文站1956—2016年的實測月徑流資料，逐年計算各水文站的年內分配特征值，分別得到兩個水文站1956—2016年的4個時間長度為61年的年內分配特征值系列，再將61年的特征值系列分成1956—1980年、1981—2000年和2001—2016年3個特征值系列，分別計算各個特征值系列的平均值，其結果見表1。

表1 資水流域2個水文站徑流年內分配特征值和特征值變化趨勢分析結果表

采用Mann-Kendall檢驗法和線性傾向法對4個特征值1956—2016年系列進行趨勢計算，計算結果見表2，線性關系圖見圖1。

圖1 資水流域2個水文站徑流年內分配特征值序列及線性關系圖

表2 資水流域2個水文站徑流年內分配

3.2 資水流域徑流年內分配特征值變化趨勢分析探討

分析結果顯示，流域內徑流年內分配不均勻性呈減小趨勢，即流域內徑流年內分配正趨于均勻化，這與流域內大量的水利發電工程的興建有著密切的關系，根據1995年《資水流域規劃報告》可知，資水開發任務以發電為主，兼顧防洪、灌溉、航運及其他綜合利用，自20世紀70年代以來，流域內建成了筱溪、柘溪、馬跡塘、修山、曬谷灘等眾多中型水庫，雙江口以下資水干流規劃有13級水利水電工程，這些水利工程的興建，對資水流域內的徑流起到了非常大的調蓄作用，極大地影響了流域內徑流年內分配的不均勻性。

1）同一系列年不同水文站對比結果顯示，上游的冷水江站徑流年內分配特征值比下游的桃江（二）站更大，主要考慮兩個方面的因素影響：一是流域自身的調蓄作用，下游的桃江（二）站集水面積較上游的冷水江站更大，相應的流域調蓄作用會更大，所以徑流年內分配會更均勻；二是因為水利工程數量的增加，同樣會對徑流的調蓄作用更大。

2）同一水文站不同系列年之間比較顯示，1956—1980年系列與1981—2000年系列相比下降幅度明顯，而1981—2000年系列與2001—2016年系列特征值的平均值基本沒有變化，考慮其主要的影響因素與資水流域內極端降雨的時空分布有關。李兵、章新平等對資水流域極端降水量時空變異特征研究中指出：資水流域的年最大日降水量，上游在20世紀60年代呈減少趨勢，90年代后呈增加趨勢，中游20世紀60年代呈現明顯波動，70年代后整體呈現增加趨勢，尤其是90年代后增加趨勢越來越顯著；下游20世紀90年代前波動特征明顯，90年代后呈增加趨勢，增加趨勢較明顯[6]。可見，資水流域整體在20世紀90年代后極端降雨呈增加趨勢，也就是說降雨分配的不均勻性增加了，而隨著流域內水利工程數量的增加，降雨分配不均勻性增加給徑流年內分配帶來的影響相應的削減了，所以導致1981—2000年系列與2001—2016年系列特征值的平均值基本不發生變化。

3）采用Mann-Kendall檢驗法進行趨勢計算結果顯示，冷水江站不均勻系數Cu、完全年調節系數Cr均通過了99%的置信度顯著性檢驗，而集中度Cn未通過90%的置信度顯著性檢驗，此結果印證了文章上述所提到的年徑流不均勻系數Cu對年內各月量的敏感性不如集中度Cn明顯。對冷水江站集中度Cn未通過90%的置信度顯著性檢驗進行分析認為，與冷水江站集水區域內的極端降水有關，資水流域上游存在2個極端過程降水量與極端日降水量較大值區，一個位于城步，另一個位于隆回，同時還存在1個極端過程降水量最小值區位于“武岡－邵陽－新邵”一帶。從不均勻系數和集中度的計算公式可知，影響不均勻系數數值的決定性因素是各月偏離月平均徑流值之和，而影響集中度數值的決定性因素是單月最大徑流量的值，綜上因素，造就了冷水江站集中度Cn減少趨勢不顯著的計算結果。

4）流域集中期D有上升趨勢，但上升趨勢不顯著，分析與流域內氣候變化和人類活動有關，大氣環流和氣候的變化以及對水熱條件影響的變化，將引起降雨時空分布的變化，從而導致徑流在時空分布上的變化。隨著全球氣候變暖和人類活動加劇，流域水文過程必然會發生巨大變化。

4 結 論

對資水流域中游和下游的冷水江水文站和桃江（二）水文站的徑流年內分配特征進行定量計算，定量值有：完全年調節系數Cr、年內分配不均勻系數Cu、集中度Cn和集中期D，并采用Mann-Kendall檢驗法和線性傾向法2種方法對流域徑流年內分配特征的4個定量化特征值進行趨勢變化分析計算，主要結論如下：

1）資水流域中上游的年內分配不均勻性要大于流域中下游；徑流集中期流域中上游與中下游對比相差不大，近似相等。

2）受到水利工程建設等方面的影響，資水流域徑流年內分配正在趨于均勻，由于后期受到流域內極端降雨趨勢增加的影響，導致在時間序列內前期均勻化速度快于后期。

3）資水流域中上游的年內徑流分配不均勻性減小速度要快于中下游。

4）受到氣候變化和人類活動的影響，流域集中期D有上升趨勢，但不顯著。