長江流域干流水沙階段性分析

王海斌

(陜西省水土保持勘測規劃研究所，陜西西安710004)

長江流域干流水沙階段性分析

王海斌

(陜西省水土保持勘測規劃研究所，陜西西安710004)

由于自然因素和人類活動的影響，近年來長江水沙過程發生了變化，徑流量和輸沙量變化尤為引人關注。采用Mann－Kendall檢驗方法和累積距平方法分析了長江流域干流屏山站，屏山站，朱沱站，宜昌站，漢口站和大通站(1956～2009年)年徑流和年輸沙量的變化情況。結果表明，長江流域年徑流量階段性變化大體上分為，上游:豐－枯－豐3個階段，中下游無明顯趨勢變化。年輸沙量上游:枯—豐—枯—豐—枯共5個階段，中下游:豐—枯兩個階段。并且年徑流量在2006年前后發生明顯突變，年輸沙量除屏山站在1962和2006年發生突變，朱沱站在2001年出現突變外，其他站點無明顯突變。

長江流域;水沙;時空特征;Mann－Kendall分析

水沙變化是流域系統中最為敏感的一部分，水沙的變化間接地體現了一個動態流域系統對氣候變化和人類活動的綜合響應，這些響應表現在水沙時空特征上，而對流域水沙的時空特征分析有助于正確理解其河勢、河道的變化情況，對預測河道險情同樣具有一定的積極作用［1］。河川徑流不僅是陸地水循環與水量平衡的重要組成部分，也是最有價值和易于開發利用的水資源，地表水資源的數量主要取決于河川徑流量［2］。一般而言，河川的徑流量和輸沙量會隨著以年為尺度的季節變化而呈現出一定的周期性和波動性，可以通過適當的數學方法可以更直觀地將這些波動和規律表現出來，再經過一定的統計分析手段對導致這些周期變化的原因闡釋清楚［3］。階段性是描述河流徑流量豐枯變化持續長度的主要特征。除了以自然年代為階段的分析外，還常用數據系列滑動平均值、距平累計值、Mann－Kendall秩次趨勢分析法確定躍變點和小波分析等方法，其中距平累計值法可以靈活的確定階段，在水沙分析中得到廣泛應用［4－6］。本文采用距平累計和Mann－Kendall等分析方法及最新資料，對長江干流的徑流和泥沙進行綜合分析研究，認知規律，得出長江水沙的時空變化特征以及分析引起這些變化的主要原因，為治理長江提供參考。

1 長江流域概況

長江是貫通中國東西的交通大動脈，全長6 380 km，流域面積180萬 km2，占中國陸地面積的18.8%，其支流流域面積1萬 km2以上的支流有49條，共有通航河道3 600條，占中國內河通航里程的52.6%。流域內地貌類型復雜，其中山地和丘陵占84.7%，平原占11%，呈階梯狀向東降低。本文中選用的5個干流水文站點屏山、朱沱、宜昌、漢口、大通的集水面積分別是 45.86、69.47、100.55、148.8 和 170.54萬 km2，其中屏山站和朱沱站屬于長江的上游，宜昌站和漢口站屬于長江的中游，大通站屬于長江的下游。

2 數據與方法

2.1 數據

本文選用《中國河流泥沙公報》長江干流，大通，漢口，屏山，宜昌和朱沱等5個水文控制站1956－2009年的年徑流量和年輸沙量數據。

2.2 分析方法

2.2.1 Mann － Kendall法

Mann－Kendall法是一種非參數統計檢驗方法，非參數檢驗方法也稱為無分布檢驗。與參數檢驗方法相比，其優點是不需要樣本遵從一定的分布規律，也不受少數異常值的干擾，更適合于類型變量和順序變量，計算也比較簡便［7］。本研究應用Mann－Kendall變點檢測技術，取顯著性檢驗水平α=0.05，對應的檢驗臨界值 C(α)=1.96，對長江干流 5個水文控制站的徑流和輸沙量進行變點分析。

2.2.2 距平累積曲線法

水文要素具有階段性特征。“距平累積法”可明顯地顯現水文要素年際變化的階段性。該方法先計算每年的水文要素距平，然后按年序累加，得到距平累積序列。計算公式即:

式中:LPi為第i年的距平累積值;Xi為第i年的水文要素值;為某水文要素的多年平均值。根據距平有正有負的特點，當距平累積持續增大時，表明該時段內水文要素值大于平均值;當距平累積持續不變表明時，該時段水文要素值等于平均值;當距平累積持續減小時，表明時段內水文要素值小于平均值。據此，可以較其他方法更能直觀而準確地確定水文要素變化的階段性［4］。

3 結果與分析

3.1 長江流域干流站點的水沙時空變化

通過對長江干流5個站點的年輸沙量距平累計變化分析可知，大通站、漢口站、宜昌站在研究時段內，輸沙量距平累積曲線(MC－ASL)均大于均值，分別在1985、1991和1991年MC－ASL達到峰值，而這3個站的年徑流量距平累積曲線(MC－AR)在這54年里僅發生微小波動，即這3個水文站基本上都是由一個豐沙平水期和枯沙平水期兩個階段組成［8］，不同的是大通站在1956－1985年呈豐沙平水態勢，1986－2009年則是其枯沙平水期，而宜昌站和漢口站水沙年際變化大致相同，基本上在1956－1991年是豐沙平水期，1992－2009年是枯沙平水期。朱沱站和屏山站的水沙距平累積曲線變化的波動性比較大，水沙的枯豐階段比較多，整個研究時段內基本上都可以劃分為5個階段。朱沱站1956－1970年為豐沙豐水期，1971－1980年為枯沙枯水期，1981－1990年為豐沙平水期，1991－1997年為枯沙枯水期，1998－2009年為枯沙平水期。屏山站1956－1964年為枯沙枯水期，1965－1969年為豐沙豐水期，1970－1983年為枯沙枯水期，1984－1997年為豐沙枯水期，1998－2009年為枯沙豐水期。圖1和圖2分別是長江上游屏山站和中游漢口站在54年內的水沙距平累計曲線圖，其他站點圖略。

從表1可知，從上游到下游5個站點的多年徑流量均值明顯地呈現出增加的趨勢，與之前部分研究的結論一致［9］，徑流量由上游屏山站的1 437.37億 t到下游大通站的8 813.2億 t。各站測得的多年徑流量最大值出現年份基本都是1998年，最主要的原因就是1998年的洪水自然災害事件，只有朱沱站是在1965年;而多年徑流量的最小值出現的年份多是2006年，屏山站是1996年，大通站則是1978年。多年平均輸沙量變化規律和徑流量的則不盡相同，上游是2.46億 t，到中游宜昌增加到4.35億 t，到下游又略有減小，降為3.89億 t，這和前人研究結論一致［10］。分析得出的多年輸沙量變化的分布規律并沒有呈現單調遞變趨勢，而是呈現出不同程度的波動，從上游到下游輸沙量最大值先增后減［11］，最小值先減后增。總之，年徑流量最大值、最小值以及多年平均徑流量從上游至下游呈現遞增的趨勢，而輸沙量的最大值、最小值以及多年平均輸沙量從上游至下游呈現先增再減、先減再增、先增再減的趨勢，且最大輸沙量和年平均輸沙量雖然在下游有所降低，卻仍高于上游相應的輸沙量值。究其原因，是綜合了自然原因和人類生產活動后的綜合結果［12］，至于各占幾成，有待于進一步深入探索研究。

圖1 屏山站徑流量和輸沙量距平累計曲線

圖2 漢口站徑流量和輸沙量距平累計曲線

表1 長江干流5個水文站點的特征值 億m3、億t

3.2 水沙趨勢突變點分析

長江流域5個水文站在研究時段內年徑流量均存在突變點，其中屏山站和朱沱站的突變點最多(圖3)，分別都出現了四次突變;宜昌和大通站一致在1959年和2006年出現突變點。各站突變點基本集中出現在1959年前后和2006年，表明在這兩年流域內徑流量突變存在一致性。盡管各站點在突變時間上不盡相同，但從△R看，長江流域徑流量時間突變點在2006年前后，徑流量均值差最大，說明流域徑流量在2006年前后變化最為劇烈。

從長江流域年輸沙量看，除屏山站在1962年和2006年以及朱沱站在2001年存在突變點外，其他站點突變點均不顯著。也就是說，在研究時段內，長江流域年輸沙量只在上游地區存在突變點，而中下游地區年輸沙量不顯著。

表2 長江干流徑流量和輸沙量突變點

4 結語

本文采用Mann－Kendall檢驗方法和累積距平方法分析了長江流域5個水文站年徑流量和輸沙量的變化情況，結論如下:

1)研究時段內，宜昌、漢口、大通站的水沙變化的階段性由一個豐沙平水期和枯沙平水期組成，宜昌和漢口站在1991年前后由豐沙轉為枯沙階段，大通站在1985年左右由豐沙轉為枯沙階段，且輸沙量的增幅大于徑流量的增幅。位于三峽水庫上游的屏山站和朱沱站在54年內的水沙豐枯階段比較復雜，大致由5個水沙豐枯階段組成，屏山站豐枯階段分界年份大致是1964、1969、1984和1997年，朱沱站的豐枯階段分界年份大致是1970、1980、1990和1997年。

2)長江流域在54年的研究時段內，多年平均徑流量自上游至下游整體上成明顯的增加趨勢，多年平均輸沙量在整個河段內成先增后減的趨勢，雖到下游的大通站減至3.89億 t，但仍大于上游的2.46億 t。年徑流量最大值、最小值以及多年平均徑流量從上游至下游呈現遞增的趨勢。輸沙量的最大值、最小值以及多年平均輸沙量從上游至下游呈現先增再減、先減再增的趨勢，且最大輸沙量和年平均輸沙量相似，雖然在下游降低到6.78億 t，卻仍高于上游的5.01億 t輸沙量。

(3)利用Mann－Kendall法對流域干流的5個水文站點近54 a的徑流量和輸沙量進行突變性檢驗表明，流域各站點徑流量均存在突變點，突變點自上游至下游逐漸減少，徑流量變化幅度變小，劇烈變化次數變少，2006年前后發生明顯突變。年輸沙量突變點自上游至下游同樣表現出逐漸減少的規律，除屏山站在1962和2006年有2次突變，朱沱站在2001年出現1次突變外，流域中、下游的輸沙量突變不顯著，未發生輸沙量劇增或劇減的情況。

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1004－1184(2012)04－0108－03

2012－04－01

王海斌(1970－)，男，陜西武功人，工程師，主要從事水土保持及生態研究工作。