雋水河上游降雨徑流演變特性分析

戴振華，羅 健，唐慧雅，侯雨坤

（1.中交城市投資控股有限公司，廣州 510290；2.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，武漢 430071）

氣候變化和人類活動是影響徑流變化兩大主要因素，氣候變化造成降水量變化，進而影響地表、地下徑流量的多寡；人類活動通過改變下墊面情況而影響產匯流機制，從而改變徑流量大小。通常，研究證明氣候要素如降雨及蒸發等對徑流的影響大于人類活動帶來的下墊面變化等要素，如：陳啟會等［1］通過SWAT模型定量分析金沙江流域下土地利用變化與氣候變化對徑流的影響，發現氣候變化是影響金沙江流域徑流的主要因素，而人類活動中僅水庫建設及定期取用水等大規模用水變化對徑流突變影響較大。吳曉東等［2］分析連云港市降雨徑流關系特征發現，人類活動導致區域徑流能力減弱，降雨量變化導致徑流量變化的貢獻率為63%。潘婭英等［3］研究新安江流域降水、徑流演變特征，得到新安江流域降雨、徑流序列同步程度高，線性回歸模型擬合預報效果好的結論，這些研究揭示出降雨和徑流的密切關系，以及對不同區域降雨、徑流關系研究的重要意義。

徑流的演變特性變化，如序列相似性、變化趨勢、序列突變性以及周期規律等，往往是由于氣候要素變化（如氣候要素特性也發生了變化）或者人類活動突發的下墊面條件變化所帶來。目前，量化趨勢突變、周期等演變特征的方法較多，其中，Pettitt 突變檢驗法是一種常用的非參數統計檢驗方法，可以較好檢驗出序列突變點，而小波分析在確定序列的主要周期方面應用成熟。Tonelli等［4］、傅麗昕［5］、劉瀏［6］等、孫周亮［7］等均采用此法對不同區域降雨量進行統計分析。而薛建民［8］等、李忠［9］等、奚立平［10］等、史雯雨［11］等則針對其他氣象及水文要素開展特性分析，也得到對地區研究具有重要意義的特性量化結果。

以地處湖北省咸寧市通城縣的雋水河上游流域為研究區域，通城縣以農業經濟為主，城市開發程度較低，人類活動影響較小。針對該區域的氣象水文研究較少，僅金漢江［12］對1971-1988年通城縣六月暴雨產生條件分析，并提出基于氣象分類法的24小時暴雨預報方案；葉麗梅［13］和鄭立國［14］研究了GIS暴雨洪澇淹沒模型模擬和洪澇災害救災防病衛生應急處置。由于近年來暴雨極端事件時常發生［15-17］，地方的徑流特性也亦因此受到周期及趨勢的影響。在雋水河上游流域此類氣候要素為徑流主要影響要素的區域，降雨與徑流日序列通常具有較強的相關性，但少有研究關注通過水文模型模擬徑流序列后，其趨勢突變、周期性等演變特性是否與實測降雨或徑流序列仍然存在相似性。為此，本次研究基于通城水文站及氣象站日尺度氣象水文資料，先研究實測降雨徑流日序列特性及相關性，后通過新安江模型對該流域徑流過程進行模擬，最后分析模擬后的徑流序列對降雨徑流特性的保留程度，從而評估水文模擬對雋水河上游流域降雨徑流演變特征的還原程度。研究將為該流域未來長期水資源演變分析以及對應調配、防洪排澇工程建設等提供依據和支撐。

1 研究區域、方法及數據

研究區域為雋水河上游流域（如圖1所示）。雋水河為陸水河上游干流，起于湘鄂贛三省交界的通城縣幕阜山北麓，干流全長187 km，流域面積3 947 km2，入赤壁境內改名陸水河。雋水河主河道比降0.5‰，河流彎曲系數2.1，河網密度0.4 km/km2，主要支流為秀水河、鐵柱港、菖蒲港、東沖港等。屬亞熱帶季風氣候區，氣候溫和濕潤，四季分明，雨熱同季。多年平均氣溫16.8 ℃，多年平均降水量1 513 mm。本次研究區域為雋水河上游流域，該區域位于通城縣，地處東經113°36＇～114°4＇，北緯29°2＇～29°24＇之間，干流全長49.8 km，流域面積659.55 km2。近年的多次暴雨也導致雋水河流域受到洪澇災害影響，也對通城縣經濟發展和人民生命財產安全造成了極大威脅。

圖1 雋水河水系圖Fig.1 Drainage map of the Junshui River

采用的研究日降雨蒸發及徑流數據均為通城站實測數據。其中，降雨徑流數據分析時段為1958-2013年；而受到氣象數據限制，水文模擬時以1964-1997年為率定期，1999-2013年為檢驗期。水文模擬采用三水源新安江模型［18］對通城站日徑流量進行模擬，同時采用SCE-UA 算法對新安江模型參數進行優化［19］，該算法中的參數較多，包括復合形數p、復合形中點的個數m、子復合形中點的個數q、計算樣本數s、復合形后代個數α、復合形進化代數β。相關文獻［20］建議各參數取值為：m=2n+1，q=n+1，s=p m，α=1，β=2n+1，n為待優化參數個數。本研究采用五年滑動平均法、線性回歸法、Mann-Kendall（M-K）檢驗法分析長序列數據年際變化趨勢；Pettit 檢驗法序列突變性；小波分析法研究長序列周期特性。

2 結果與分析

2.1 雋水河流域歷史降雨、徑流變化特征分析

2.1.1 降雨、徑流趨勢特征分析

雋水河上游流域1958-2013年降雨、徑流年際變化過程如圖所示，結果表明降水量和徑流深年際分配不均勻，但其變化線總體上均呈波動上升的趨勢。對降水量和徑流深時間序列做五年滑動平均處理，發現降雨與徑流年序列的上升趨勢傾向率分別為41.32 mm/10 a和24.68 mm/10 a，降水量增長的速率略快于徑流。降雨和徑流峰、谷值同期出現，極大值出現在1995年，分別為2 954.60 mm 和1 667.24 mm，極小值出現在1968年，分別為892.6 mm及305.83 mm。

圖2 雋水河上游流域降雨、徑流年際變化規律圖Fig.2 Interannual variation of rainfall and runoff in the upper reaches of Junshui River

采用降雨徑流雙累積曲線分析年降雨與年徑流關系隨時間的變化規律如圖3所示。結果表明雋水河上游流域降雨徑流一致性較好，說明氣候仍然是影響徑流的主要因素。在此基礎上把降雨徑流關系細分為1958-1977年、1978-2005年、2006-2013年3個階段，且3個階段的降雨徑流斜率存在先減小、再增加的規律。

圖3 雋水河上游流域降雨、徑流累計曲線圖Fig.3 Cumulative graph of rainfall and runoff in the upper reaches of the Junshui River

流域1958-2013年降雨、徑流年內分配過程如圖4所示，降雨量和徑流深的月際變化相關性較高，均呈單峰型特點，證明該區域徑流主要由降雨影響。流域降雨量和徑流深自1月增加，至6月達到最大，分別為250.84 mm 和150.05 mm，單月占全年比例16.36%和17.72%，7月份開始驟減，持續減小到12月。降雨量全年最小月份為12月，僅44.66 mm，占比2.91%；徑流深最小為1月，為28.84 mm，百分比為3.41%，相較12月減少0.04%。

圖4 雋水河上游流域月均降雨、徑流年內變化規律圖Fig.4 Monthly average rainfall and annual runoff in the upper reaches of Junshui River

2.1.2 降雨、徑流突變性分析

采用Pettitt檢驗法分別對流域內降雨量和徑流深時間序列做突變檢驗分析，取序列統計K值前三位峰值作為可能突變年份，并依據檢驗值P判定序列變異情況。圖5為流域1963-2013年降雨量、徑流深Pettitt 突變檢驗曲線，由圖5可知，流域降雨量時間序列可能突變年份為1979年、1985年和1974年，檢驗P值為0.405 7，小于顯著性水平α=0.05時的臨界值0.5，突變點突變性顯著；流域徑流深時間序列可能突變年份為1988年、1980年和2003年，檢驗P值為0.698 8，大于臨界值，突變點突變性不顯著。降雨量時間序列突變點早于徑流深序列，且降雨量突變性顯著而徑流深序列不顯著，這是因為1971年流域上游建成中型百丈潭水庫，對上游徑流起到了調蓄作用導致。采用M-K檢驗法復核檢驗成果（見圖6），發現降雨與徑流年序列均產生多次趨勢突變，但其中降雨序列突變最顯著的年份為1979年，徑流深序列突變最顯著的年份為1988年，與Pettitt 檢驗結果一致。

圖5 雋水河上游流域降雨量、徑流深Pettitt突變檢驗曲線Fig.5 Pettitt mutation test curves of rainfall and runoff in the upper Reaches of Junshui River basin

圖6 雋水河上游流域降雨量、徑流深M-K突變檢驗曲線Fig.6 M-K mutation test curve of rainfall and runoff in the upper Reaches of Junshui River

2.1.3 降雨、徑流周期分析

采用Morlet 連續小波變換對雋水河上游流域降雨量、徑流深進行周期分析，兩列時間序列小波分析實部系數等值線如圖7所示。該圖反映了兩列序列不同時間尺度的周期變化及其在時間領域中的分布，進而能判斷在不同時間尺度上，降雨量和徑流深的未來變化趨勢。由圖可知，降雨和徑流演化過程中存在12～32 a、8～11 a 以及3～7 a 的3 類尺度的周期變化規律。其中，在12～32 a 尺度上出現了枯-豐交替的準3 次震蕩，在8～11年時間尺度上存在準7 次震蕩，以上兩個尺度的周期變化在整個分析時段表現的相對比較穩定，具有全域性。而3～7 a尺度的周期變化，在1990-2000 內表現的較為穩定。該流域降雨量和徑流深目前正處于枯-豐周期中的豐水年周期里。

圖7 雋水河上游流域降雨量、徑流深小波分析實部系數等值線圖Fig.7 Real coefficient contour map of rainfall and runoff analysis by deep wavelet transform in the upper reaches of Junshui River

2.1.4 降雨、徑流相關分析

對雋水河上游流域月降雨與月徑流進行相關性分析，得到回歸方程如下：

式中：X為降雨量，mm；Y為徑流深，mm。

表示擬合度情況的相關性系數的R2為0.789 9，說明通城水文站的資料系列具有較好的一致性，且線性擬合效果良好。結合降雨徑流的時間序列變化特征、突變特性和周期性等特征分析可知，該流域降雨與徑流有較好的同步變化特征，該流域降雨大小是影響徑流多少的主要的因子。

2.2 基于新安江模型的流域日徑流模擬

2.2.1 參數率定結果

選取18個新安江模型參數進行優化，各參數內容及優化結果如表1所示。

表1 新安江模型模擬最優參數選擇Tab.1 Optimal parameter selection of Xinjiang model simulation

2.2.2 徑流模擬結果

選用1964-1997年逐日徑流數據與模擬值進行率定，并將模型率定所得到的最優參數應用到1999-2013年實測資料進行驗證，模擬結果見圖8、9，結果分析見表2。結果表明，新安江模擬較好地模擬了場次洪水變化過程，洪峰流量擬合效果較好。率定期及檢驗期日徑流相關性系數均超80%，證明模擬徑流的日變化過程十分貼近實測徑流。

表2 模擬評價結果Tab.2 Simulation evaluation results

圖8 率定期日徑流量實測值與模擬值對比Fig.8 The measured and simulated daily runoff in calibration period

2.3 基于新安江模型的流域日徑流模擬結果分析

2.3.1 模擬及實測序列趨勢性分析

采用M-K 檢驗法分別對模型率定期和檢驗期結果進行趨勢檢驗和突變分析，結果如圖10所示。率定期降雨量、徑流深實測值和徑流深模擬值均呈不顯著上升趨勢（α=0.05，下同），變化率分別為107.78、48.24 和98.92 mm/10 a。而檢驗期降雨量、徑流深實測值和徑流深模擬值均呈不顯著下降趨勢，傾向率分別為-138.89、-172.46 和-135.39 mm/10 a。與3.1.1 節的結果相比較發現，雖然1958-2013年降雨徑流整體變化趨勢為正，但歷史氣象水文序列的實際趨勢在21世紀明顯下降，與3.1.2 節的突變點結果相匹配，由降雨與徑流變化趨勢相似可以看出，徑流的下降可能主要由于降雨減少所致。而相較于實測徑流，新安江模型模擬徑流與降雨量變化率更加接近，證明模擬降雨的趨勢性更依賴于輸入要素的變化，而非擬合參數影響。

圖9 檢驗期日徑流量實測值與模擬值對比Fig.9 The measured and simulated daily runoff in validation period

2.3.2 模擬及實測序列突變性分析

采用Pettitt檢驗法分別對流域內降雨量和徑流深時間序列做突變檢驗分析，取序列統計K值前三位峰值作為可能突變年份，并依據檢驗值P判定序列變異情況。圖11、12 為流域率定期與檢驗期降雨量、徑流實測值與模擬值Pettitt突變檢驗曲線，由圖11、12 可知，率定期降雨量時間序列可能突變年份為1987年、1986年和1988年，檢驗P值為0.271 9，突變性（α=0.05）顯著，徑流實測值可能突變年份為1992年、1990年和1988年，檢驗P值為0.617 9，突變性不顯著，徑流模擬值可能突變年份為1987年、1986年和1988年，檢驗P值為0.253 7，突變性（α=0.05）顯著。檢驗期降雨量時間序列可能突變年份為2005年、2003年和2004年，檢驗P值為0.765 8，徑流實測值可能突變年份為2003年、2005年和2006年，檢驗P值為0.892 7，徑流深模擬可能突變年份為2005年、2003年和2004年，檢驗P值為0.892 7，突變性（α=0.05）均不顯著。采用M-K 檢驗法復核檢驗成果，所得結論基本一致，降雨量、徑流深M-K突變檢驗曲線如圖所示。結果證明，雋水河上游流域模擬徑流與降雨突變性基本一致，這也證明了降雨是雋水河上游流域水文模擬中影響演變特性的主要因素。

圖11 率定期與檢驗期降雨量、徑流實測值與模擬值Pettitt突變檢驗曲線Fig.11 Pettitt mutation test curves of measured and simulated rainfall and runoff

2.3.3 徑流周期分析

采用Morlet 連續小波變換對率定期與檢驗期降雨量、徑流實測值與模擬值進行周期分析，兩列時間序列小波分析實部系數等值線如圖13所示。由圖13可知，率定期降雨、徑流實測值和模擬值演化過程中存在17～25 a、8～13 a 以及3～7 a 的3 類尺度的周期變化規律，其中，在17～25 a 尺度上出現了枯-豐交替的準3 次震蕩，在8～13 a 時間尺度上存在準5 次震蕩，以上兩個尺度的周期變化在整個分析時段表現的相對比較穩定，具有全域性。對3～7 a 尺度的周期變化，率定期降雨量和徑流深實測值在1990年前表現的較為穩定，而徑流深模擬值在1983年前表現的較為穩定。檢驗期降雨和徑流模擬值演化過程中存在8～15 a、3～7 a 和1～3 a 3 類尺度的周期變化規律，在8～15 a 尺度上出現了枯-豐交替的準2 次震蕩，3～7 a 尺度上出現了枯-豐交替的準3 次震蕩，在1～3 a 尺度上，其數值在2004年前表現的較為穩定，出現了枯-豐交替的準2次震蕩。而徑流實測值只有2～9 a 尺度的變化規律較為明顯，在該尺度上出現了枯-豐交替的準1 次震蕩。由結果分析可知：21世紀后，受到人類活動和其他氣象因素影響，降雨與實測徑流的周期性具有較為明顯的不同，與1997年前的高相似性發生了明顯變化，但模擬徑流仍然與降雨序列存在較高的相似性，這一點在檢驗期尤為明顯。

圖12 率定期與檢驗期降雨量、徑流實測值與模擬值M-K突變檢驗曲線Fig.12 M-K mutation test curves of measured and simulated precipitation and runoff

圖13 率定期與檢驗期降雨量、徑流實測值與模擬值小波分析實部系數等值線圖Fig.13 The real coefficient contour map of measured and simulated rainfall and runoff was analyzed by wavelet transform

3 結果及討論

研究對1958-2013年雋水河上游流域通城站實測降雨徑流進行趨勢、突變、周期等演變特征分析，后結合突變結果以及可用數據情況，以1964-1997年為率定期，1999-2013年為檢驗期基于降雨蒸發模擬通城站徑流，并將模擬結果分率定期、檢驗期和實測降雨徑流進行演變特征比對分析，比較不同時段下模擬日徑流與實測降雨、徑流的相似性。結果如下：

（1）雋水河上游流域降水量和徑流深年際分配不均勻，但其變化線總體上均成波動上升的趨勢。降水量增長的速率略快于徑流，側面證明了徑流形成過程中下墊面作用影響的存在。降雨徑流關系可分為1958-1977年、1978-2005年、2006-2013年3個階段，且3個階段的降雨徑流關系存在減小的規律，特別是2005年以后，相關性減小的趨勢增大。且21世紀后，降雨與徑流年際變化趨勢由上世紀的不顯著上升轉變為不顯著下降。這說明，氣候變化是徑流趨勢變化的主要原因，但人類活動導致的下墊面變化在小尺度產匯流過程的影響呈現逐漸上升的趨勢，導致降雨徑流的相關性持續變小。

（2）采用Pettit檢驗法分別對流域內降雨量和徑流深時間序列做突變檢驗分析，研究證明降雨及徑流均存在多次突變，其中降雨量時間序列突變點早于徑流深序列，且降雨量突變性顯著而徑流深序列不顯著。其中主要原因可能是1971年流域上游建成中型百丈潭水庫，對上游徑流起到了調蓄作用，以及21世紀后降雨發生了明顯突變，且人類活動（如取水、地貌變化等活動）的逐漸加劇。

（3）采用Morlet 連續小波變換對雋水河上游流域降雨徑流進行周期分析。研究表明1958-2013年降雨和徑流演化過程中3類尺度的周期變化規律，且規律相似。其中，在12～32 a尺度上和8～11 a 時間尺度上的周期變化在整個分析時段表現的相對比較穩定，具有全域性。而3～7 a尺度的周期變化，在1990-2000 內表現的較為穩定。該流域降雨量和徑流深目前正處于枯-豐周期中的豐水年周期里。而將序列拆分成率定期及檢驗期后，雖然20世紀下降雨、實測及模擬徑流序列周期仍存在高相似性，但受到人類活動和其他非降雨氣象因素影響，1999-2013年實測降雨及徑流的周期性產生了明顯差異，且模型模擬徑流與降雨周期更為相似。

（4）降雨與徑流的相關性分析證明通城站降雨徑流系列具有較好的相關性，因此基于新安江模型模擬的日徑流無論在率定期及檢驗期均較好地反映了實測徑流的變化特征。但結合先前結論發現，相較于實測徑流，水文模擬更多反映降雨而非徑流的特性變化。水文模型在雋水河上游流域的水文模擬更適用于分析場次洪水及長期變化。