重大水利工程運用對長江入海徑流量的影響

劉嘉琦 ，龔 政 ，2，張長寬

（1.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京 210098；2.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098）

重大水利工程運用對長江入海徑流量的影響

劉嘉琦1，龔 政1，2，張長寬1

（1.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京 210098；2.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098）

采用長江大通水文站1950～2011年逐日平均流量資料，運用Pettitt突變點檢驗法對年、枯季、汛后平均流量序列進行突變點分析。用突變點對時段平均流量序列進行分段，采用M-K趨勢性檢驗法分析各段及整體序列的變化趨勢。結果表明，20世紀初，長江上游區域呈現降溫、降水減少是造成年平均徑流量緩慢下降的原因。20世紀80年代以來全球氣候變暖，可能是導致1988～2011年的枯季平均徑流量相對1950～1987年有明顯的抬升、發生均值突變的原因之一；上游水庫群在枯季對長江下游的徑流補給加劇了枯季入海徑流量上升趨勢。汛后平均徑流量在1990年和2003年都出現了突變點：1950～1990年間，顯現出微弱的下降趨勢；1990～2003年間雖然為上升趨勢，但平均徑流量明顯低于前40 a；2003～2011年期間轉為較為明顯的下降趨勢，同時平均徑流量也低于以往。從三峽工程蓄水運行時間來分析，2003年之后的汛后徑流趨勢轉變可能與三峽工程運行有直接關系，但需要進一步的證實。

入海徑流；突變性；趨勢性；Pettitt檢驗；Mann-Kendall趨勢檢驗；長江

Biography：LIU Jia-qi（1988-），male，master student.

河口地區經濟發達、人口眾多，氣候變化導致大江大河入海徑流量變化，上游控制性工程建設對入海徑流年內分配進行了調節，對于河口水動力和水環境條件、地貌演變等具有重要的影響［1］。長江干流上已建有大型水利樞紐。三峽工程是長江干流上具有防洪、發電和航運綜合功能的大型水利樞紐。葛洲壩樞紐位于長江上、中游的交界處，距三峽工程壩址約38 km，是三峽工程的反調節和航運梯級，水庫以上流域面積占長江流域總面積的55%，該工程于1971年開工興建，1988年12月全部竣工［2-3］。葛洲壩和三峽工程運行調節了長江入海徑流量的年內分配，對河口生態環境將產生影響，如河口地區海水入侵加重與入海徑流量的減少有直接關系［4-5］。因此，研究重大水利工程運用對長江入海徑流量的影響，具有十分重要的意義。

以往關于長江徑流變化的研究，主要基于長系列流量資料［6］，采用周期圖法、最大熵譜法［7］、Mann-Kendall趨勢分析法［8］等，對年/汛期/非汛期/月徑流量變化過程［6］、三峽工程建成運用后河口鹽水入侵、感潮河段極值水位［7］，以及全球變暖后長江水災形勢、徑流年內分配［8］等問題進行了分析。本文基于大通站1950～2011年逐日平均流量資料，運用Pettitt突變點檢驗法和Mann-Kendall趨勢檢驗法（簡稱M-K法），對長江入海徑流量的年際、年內變化進行突變性和趨勢性分析，探討重大水利工程運用等人類活動影響對徑流變化的驅動性，為預測長江入海徑流變化趨勢提供參考依據。

1 長江概況

長江是世界第三大河，亞洲第一大河，其干流自西向東橫貫中國中部，全長6 300 km，數百條支流輻輳南北，流域面積180萬km2，約占中國陸地總面積的1/5；長江流域面積、干流長度、徑流量都居亞洲第一位；長江入海水沙通量巨大，對河口地貌、沉積體系、海岸帶和大陸架的自然和生態環境有重要影響。長江流域位于亞熱帶地區，氣候濕潤，多年平均降水量約1 100 mm，其中約50%轉換為徑流入海。據不完全統計，長江流域興建了46 000多座水壩，7 000多座涵閘，這些水利工程的修建在一定程度上改變了長江的徑流特性［6］。以往對于長江年徑流量變化趨勢的研究大致認為，長江上游宜昌站從1970年代開始出現減少趨勢；中游漢口站1956～1998年呈負增長趨勢，從1999年開始出現正增長趨勢；下游大通站1956～1995年呈負增長趨勢，1998～2000年出現了持續的正增長趨勢［9］。大通水文站是長江干流上的綜合性水文站，距離河口段（徐六涇）近600 km，但大通～徐六涇河段內無大的支流匯入，大通出口斷面控制著長江流域94%的匯水面積。因此，國內外都將大通水文站作為長江入海水沙通量的考察站［4，10］。長江入海徑流量巨大，大通站多年平均（1923～2004年）徑流量為9 156×108m3。大通站流量年際波動大，年最大流量為43 100 m3/s，最小為21 400 m3/s，后者約為前者的1/2；年洪季最大流量為64 630 m3/s，最小為27 800 m3/s，后者約為前者的2/5；年枯季最大流量為24 430 m3/s，最小為12 150 m3/s，后者約為前者的1/2。受東亞季風的影響，長江入海徑流量受氣候變化影響，年內變化也十分明顯［11-13］。大通站月均流量6 800～84 200 m3/s，枯季徑流只占全年總徑流的29.11%。大通站流量從20世紀40年代中后期到50年代中期較大，隨后減小；到20世紀70年代中期出現極小值，而后又逐漸升高；到20世紀90年代末期出現極大值后又逐漸下降；至2009年流量仍較小［14-17］。

2 長江入海徑流量突變點分析

2.1 Pettitt突變點檢驗法［18-19］

2.2 入海徑流量突變點分析

運用Pettitt突變點檢驗法，對大通站年、枯季、汛后平均流量序列（1950～2011年）分別進行了突變點分析。長江洪水主要由暴雨形成，洪水發生時間、地區分布與暴雨相應。長江流域地域遼闊、地形復雜，季風氣候十分典型，年降水量和暴雨的時空分布很不均勻，洪水出現時間差異較大，如：鄱陽湖水系、湘江為4～6月，資水、沅江、澧水為5～7月，清江、烏江為6～9月，金沙江下段和四川盆地各水系為7～9月，漢江為7～10月。本文以大通站流量作為基礎資料，因此針對長江下游大通站所在區域的水文特點，按照枯季1～3月、汛后10～11月進行水文情勢分析。

表1為大通站各時段平均流量系列的突變點分析成果。可以看出，年平均流量序列無突變點；枯季（1～3月）平均流量序列第一突變點主要發生在1987年，第二突變點發生在2000年；汛后（10～11月）平均流量序列第一突變點發生在1990年，第二突變點發生在2003年。為了證明突變點檢驗的合理性，本文將各典型時段平均流量序列Pettitt值（Ut，T）曲線與時段平均流量序列二次擬合曲線進行了比較分析。

表1 長江大通站各時段平均流量序列（1950～2011年）突變點Tab.1 Change-point of mean discharges（1950～2011）of Datong station at the Yangtze River

圖1為大通站年平均流量序列Pettitt值曲線，以及年平均流量序列二次擬合曲線。從Pettitt值曲線可以看出，在20世紀50年代中期和本世紀初，分別出現了Ut，T極大值，表示該兩個時段內呈現出一定的向下突變趨勢［12］；在20世紀70年代末期和80年代末期，分別出現了Ut，T極小值，表示該兩個時段內呈現出一定的向上突變趨勢。上述變化趨勢，與圖1中年平均流量序列的直觀變化趨勢是一致的。但是，顯著性水平檢驗發現，上述突變并不顯著，即近62 a來大通站年平均流量序列沒有顯著的突變點。大通站年平均流量序列（1950～2011年）二次擬合曲線表現出總體緩慢減小趨勢。

圖2為枯季（1～3月）平均流量Pettitt值曲線及枯季平均流量序列二次擬合曲線。可以看出，枯季平均流量在20世紀50年代中后期發生了向下突變，在20世紀80年代發生了向上突變，且向上突變表現地更為顯著。枯季平均流量序列二次擬合曲線在以1987年為第一突變點的兩側分別表現出緩慢變化趨勢；在第二突變點2000年兩側也為緩慢變化趨勢。

圖3為汛后（10～11月）平均流量Pettitt值曲線及汛后平均流量序列二次擬合曲線。可以看出，汛后平均流量第一突變點發生在1990年，第二突變點發生在2003年。汛后平均流量序列二次擬合曲線在以1988～1989年為第一突變點的左右側，分別表現出緩慢變化趨勢，在1998年第二突變點之后表現為快速下降趨勢。

3 長江入海徑流量趨勢性分析

3.1 Mann-Kendall趨勢檢驗法

圖1 長江大通站年平均流量序列（1950～2011年）Pettitt值曲線及二次擬合曲線Fig.1 Curves of Pettitt value and secondary fitting of annual mean discharges（1950～2011）of Datong station at the Yangtze River

圖2 長江大通站枯季（1～3月）平均流量序列（1950～2011年）Pettitt值曲線及二次擬合曲線Fig.2 Curves of Pettitt value and secondary fitting of mean discharges（1950～2011）of Datong station at the Yangtze River

圖3 長江大通站汛后（10～11月）平均流量序列（1950～2011年）Pettitt值曲線及二次擬合曲線Fig.3 Curves of Pettitt value and secondary fitting of mean discharges（1950～2011）of Datong station at the Yangtze River during flood recession period（Oct.～Nov.）

Mann-Kendall非參數秩次相關檢驗法［21-22］被廣泛應用于水文、氣象資料的趨勢成分檢驗中，也有學者將其改進為可進行突變點檢驗，但其突變點檢驗精度不高。與參數統計檢驗法相比，非參數檢驗法更適用于非正態分布、不完整或有少數異常值的資料，而這些情況在水文時間序列分析中經常會遇到。近10 a來，M-K檢驗的應用研究在國內外引起了廣泛的關注，在氣象、水質和水文等方面涌現出了一大批應用性成果。

假定樣本容量為n的時間序列變量x1，x2，…xn，先確定其所有對偶值（xi，xj，j＞i）中 xi＜xj的出現個數（設為 p），順序（i，j）的全集是：（i=1，j=2，3，4，……，n），（i=2，j=3，4，5……，n）……，（i=n-1，j=1）。如果按順序前進的值全部大于前一值，這是一種上升趨勢，p=（n-1）+（n-2）+…+1=（n-1）n/2；如果按順序前進的值全部小于前一值，則p=0，即為下降趨勢。由此可知，對無趨勢的序列，p 的數學期望 E（p）=n（n～1）/4。

此檢驗統計量

其中

3.2 徑流量趨勢性分析

在大通站入海徑流量突變點分析結果的基礎上，對年、枯季、汛后平均流量序列用突變點進行分段，采用M-K趨勢性檢驗法分析各段及整體序列的變化趨勢。由于M-K檢驗法要求最小序列長度為10，因此，當兩突變點間序列長度小于10時，以其中一突變點向外延長至下一突變點或序列末。表2為長江大通站年、枯季、汛后平均流量序列（1950～2011年）M-K值統計結果，其中，顯著水平α=0.1，置信限Uα/2=±1.96。

近62 a來，長江入海年平均徑流量呈緩慢下降趨勢，但下降趨勢不顯著，這與圖1中大通站年平均流量序列二次擬合線總體下降趨勢是一致的；枯季表現為顯著上升趨勢；汛后表現出顯著下降趨勢。

突變點形成的分段序列的變化趨勢與整體序列的變化趨勢可能不一致，這與突變點類型有關。以枯季為例，1987年和2000年這兩個突變點（表1）將整體序列（1950～2011年）劃分成1950～1987年，1988～2000年與2001～2011年3個分段序列，其均呈不顯著下降趨勢，而1950～2011年整體序列呈顯著上升趨勢。經分析，原因如下：在突變點分析中，一般把突變點分為四類：均值突變、變率突變、轉折突變和翹翹板（seesaw）突變［23］。枯季平均流量序列可能因氣候突變或者人為因素影響，在1987年和2000年出現了均值突變，1988～2000年，2000～2011年2個分段序列的枯季平均徑流量（1.36×104m3/s和 1.36×104m3/s）大于1950～1988年分段序列（1.06×104m3/s），從而形成了向上突變。因此，盡管分段序列呈下降趨勢，但向上突變點仍可能使整體序列呈上升趨勢。

從表2中可以發現，趨勢性檢驗的時段有些是重疊的［17］，如汛后第二突變點形成的1991～2003年與1991～2011年分段序列，這是由于M-K法要求最小序列長度為10，無法檢驗汛后2003～2011年分段序列的趨勢性，因此分析汛后1991～2003年與1991～2011年2個分段序列，結果表明，1991～2003年與1991～2011年分段序列分別呈不顯著的上升和下降趨勢（后者較前者顯著），可以判斷，2003～2011年分段序列應為相對顯著的下降趨勢，這與圖3中汛后平均流量2003～2011年分段序列趨勢性是一致的。汛后平均徑流量在1990年和2003年都出現了突變點：1950～1990年間，顯現出微弱的下降趨勢；1990～2003年間雖然為上升趨勢，但平均徑流量明顯低于前40 a；2003～2011年期間轉為較為明顯的下降趨勢，同時平均徑流量也低于以往。從三峽工程蓄水運行時間來分析，2003年之后的汛后徑流趨勢轉變可能與三峽工程運行有直接關系，但需要進一步的證實。

20世紀初，長江上游區域呈現降溫，降水減少［10］是造成長江年平均入海徑流量總體緩慢下降趨勢的原因。1988～2011年的枯季平均徑流量相對1950～1987年有明顯的抬升。20世紀80年代以來全球氣候變暖，可能是導致枯季流量的均值突變的原因之一；上游水庫群在枯季對長江下游的徑流補給加劇了枯季入海徑流量上升趨勢。

表2 長江大通站各時段平均流量序列（1950～2011年）M-K值統計結果Tab.2 Statistical result of M-K value of mean discharges（1950～2011）of Datong station at the Yangtze River

4 結論

本文基于大通站1950～2011年逐日平均流量資料，運用Pettitt突變點檢驗法分別對大通站年、枯季（1～3月）、汛后（10～11月）平均流量序列進行了突變點分析；在此基礎上，用突變點對整體序列進行分段，采用MK趨勢性檢驗法分析各段及整體序列的變化趨勢。主要結論如下：

（1）20世紀初，長江上游區域呈現降溫，降水減少［10］是造成年平均徑流量緩慢下降的原因。長江年平均入海徑流量序列在20世紀50年代中期、70年代末期、80年代末期和21世紀初，均呈現出一定的突變，但該突變并不顯著；在1950～2011年間呈不顯著的緩慢下降趨勢。

（2）20世紀80年代以來全球氣候變暖，可能是導致1988～2011年的枯季平均徑流量相對1950～1987年有明顯的抬升、發生均值突變的原因之一；上游水庫群在枯季對長江下游的徑流補給加劇了枯季入海徑流量上升趨勢。

（3）汛后平均徑流量在1990和2003年都出現了突變點：1950～1990年間，顯現出微弱的下降趨勢；1990～2003年間雖然為上升趨勢，但平均徑流量明顯低于前40 a；2003～2011年期間轉為較為明顯的下降趨勢，同時平均徑流量也低于以往。從三峽工程蓄水運行時間來分析，2003年之后的汛后徑流趨勢轉變可能與三峽工程運行有直接關系，但需要進一步的證實。

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Impact of large-scale water projects on the Yangtze River

LIU Jia-qi1,GONG Zheng1,2,ZHANG Chang-kuan1
（1.State Key Laboratory of Hydrology-water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China;2.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China）

Based on daily-averaged discharges of Datong station at the Yangtze River,Pettitt change-point tests were employed to detect the change-points of discharge time series accounting for the duration of a year,dry season,flood season,flood recession period and each month,respectively.The discharge time series were divided into several segments by change-points.The tendency of discharges was explored by Mann-Kendall method.The results show that the temperature reduction and precipitation reduction in the upstream of the Yangtze River are the main reasons of the average discharge′s slight decreasing.The global warm since 1980s may be one of the reasons why the average discharge of dry season during 1988 and 2011 is higher than the one during 1950 and 1987.The discharge replenishment of the reservoir groups in the upstream strengths the increasing trend of discharge into sea of dry season.The average discharge of flood recession period,whose change points of appear in 1990 and 2003,experiences a slight reduction from 1950 to 1990 before an increasing trend can be found until 2003.Between 2003 and 2011,the discharge experiences a significant decrease and is lower than before.According to the timetable of impoundment of the Three Gorges Project,the changes of the average discharge of flood recession period may be caused by the Three Gorges Project,but more evidences are needed.

discharge into the sea;change-point;trend;Pettitt change-point test;Mann-Kendall trend analysis;Yangtze River

TV 12；P 332.4

A

1005-8443（2013）06-0461-06

2012-12-25；

2013-02-06

國家重點基礎研究發展計劃（973）資助課題“長江口海域水動力過程與生態系統演變機制”（2010CB429001）；國家科技支撐計劃課題“沿海大規模圍墾工程關鍵技術研究”（2012BAB03B02）；新世紀優秀人才支持計劃資助

劉嘉琦（1988-），男，江西省吉安市人，碩士研究生，主要從事河口海岸水動力學研究。