水利工程影響下錦江流域水文情勢變化研究

林偉平

(廣東省水文局韶關水文分局，廣東 韶關 512028)

水庫、大壩等水利工程對人類創造了重要的經濟價值和生態價值，但不少社會組織和個人認為大壩等水利工程對生態環境甚至地質活動造成很大負面影響，一些研究表明：人類的水土利用實際上已經改變了很多流域的水文情勢[1]，而很大程度上決定了流域生態系統內的生物組成，結構及功能，影響了流域內農業、工業生產，而在地質活動方面并沒有研究成果[2]。徑流的變化通常包括“量”和“結構”的變化[3]。前者通常是指徑流總量、流量等數值上的變化[4]。后者則注重從徑流過程線的“形狀”上進行分析，它反映不同時段內徑流的比例[5-8]。錦江流域水文情勢密切影響流域內生產、生活和生態環境，隨著流域內水利工程建設，錦江的水文情勢一定程度上因人類行為而改變[9]。

1 研究區域概況及數據來源

錦江屬珠江流域北江水系，是北江上游主源湞江的一級支流。流域地理坐標為東經113°30′～114°02′，北緯24°54′～25°29′。流域集水面積為1 913 km2，河長為108 km，坡降為1.71‰,總落差為1 061 m。錦江水庫壩址集水面積為1 410 km2，約占錦江流域總面積的74%。

錦江水庫總庫容為1.89億m3，調洪庫容為 0.44億m3，調節庫容為0.68億m3，調節特性為季調節。該工程1990年6月1日開始施工。1993年8月一號機組并網發電，同年12月30日二號機組并網發電，錦江水電站主體工程完工，進入試運行階段。1997年8月13日，仁化縣錦江水電站工程竣工驗收委員會對工程進行了竣工驗收。仁化水文站為錦江流域控制站(流域站點分布如圖1所示)。

圖1 錦江流域各站點位置示意

本文的基礎資料如下：長壩水文站1959—2009年50 a降水量、蒸發量及流量資料;仁化、犁市水文站1958—2008年50 a降水量及流量資料;整理后的50 a年徑流量、豐水期徑流量、枯水期徑流量和年降水量資料用于年際變化研究的M-K秩次相關檢驗的趨勢性分析及突變診斷；月徑流量資料用于年內分配變化分析。

2 研究方法

2.1 M-K秩次相關檢驗

Mann-Kendall法是一種非參數統計檢驗方法，亦稱無分布檢驗，其優點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值得干擾，更適用于類型變量和順序變量，計算也比較簡便[10]。由于最初由H.B.Mann和M.G.kendall提出了原理并發展了這一方法，故稱其為Mann-Kendall法。但是，當時這一方法僅用于檢測序列的變化趨勢。后經進一步完善和改進，才形成目前的計算格式[11-12]。

對于具有n個樣本量的時間序列x，構造一秩序列：

(1)

其中：

(2)

可見，秩序列sk是第i時刻數值大于j時刻數值個數的累計數。

在時間序列隨機獨立的假定下，定義統計量:

(3)

式中:

UF1=0,E(sk),var(sk)——累計數sk的均值和方差，在x1,x2,…,xn相互獨立，且有相同連續分布時，可由下式算出：

(4)

UFi為標準正態分布，是按時間序列x順序x1,x2,…,xn計算出的統計量序列，給定顯著性水平α，查正態分布表，若|UFi|

按時間序列x逆序xn,xn-1,…,x1，再重復上一步驟求得UBi。

這一方法的優點在于不僅計算簡便，而且可以明確突變開始的時間，并指出突變區域。因此，是一種常用的突變檢測方法。在本文中計算步驟及分析方法如下：

1)計算順序時間序列的秩序列sk，并按公式(3)計算UFk。

2)計算逆序時間序列的秩序列sk，并按公式(3)計算UBk。

3)給定顯著性水平，本文取α=0.05，那么臨界值u0.05=±1.96。將UFk和UBk兩個統計量序列曲線和±1.96兩條直線均繪制在同一張圖上。

4)分析繪制出的UFk和UBk曲線圖。若UFk或UBk的值大于0，則表明系列呈上升趨勢，小于0則表明呈下降趨勢。當它們超過臨界直線時，表明上升或下降趨勢顯著。超過臨界線的范圍確定為出現突變的時間區域。如果UFk和UBk兩條曲線出現交點，且交點在臨界線之間，那么焦點對應的時刻便是突變開始的時間。

2.2 月徑流量分配比較

取錦江水庫建成運營的1993年作為分界，將仁化站、長壩站和犁市站1958—2009年的月流量系列分為1958—1993年、1993—2009年兩個時段，計算各時段各月份的流量均值，以及各時段各月流量占該年年徑流量比例的均值，作圖以比較分析，錦江水庫對仁化站、長壩站和犁市站月徑流量分配的影響，以此推斷錦江水庫對流域徑流年內分配的影響。

3 水文情勢變化分析

3.1 年內變化

對以下11項資料進行M-K秩次相關檢驗的趨勢性分析及突變診斷：長壩站50 a年蒸發量系列；長壩站50 a年降水量系列；仁化站、長壩站和犁市站50 a年徑流量系列；仁化站、長壩站和犁市站50 a豐水期徑流量系列；仁化站、長壩站和犁市站50 a枯水期徑流量系列。

檢驗結果見表1，年蒸發量20世紀90年代起有顯著上升趨勢；年降水量無顯著趨勢；年徑流量方面，仁化站和長壩站90年代均有較顯著下降趨勢，突變點未檢測出，犁市站無顯著趨勢；豐水期徑流量方面，仁化站和長壩站90年代初均有較較弱的顯著下降趨勢，突變皆從1991年開始，犁市站無顯著趨勢；枯水期徑流量方面，犁市站從80年代起有很顯著的上升趨勢，突變從1967年開始，長壩站從80年代起有較顯著的下降趨勢，突變從1972年開始，仁化站80年代初有較弱的顯著下降趨勢，突變從1970年開始。

表1 M-K檢驗結果分析匯總

以長壩站年蒸發系列、仁化站年徑流量系列、仁化站豐水期徑流量系列檢驗過程為例，介紹M-K秩次相關檢驗的趨勢性分析及突變診斷。

1)長壩站年蒸發量系列檢驗

輸入長壩站50 a年蒸發資料，經過計算得到UF和UB系列(如圖2所示)；添加表示95%置信區間的縱坐標為±1.96的2條虛線。1990年后UF一直小于-1.96，說明長壩站年蒸發量系列存在明顯的上升趨勢，UF和UB存在位于置信區間內的交點，因此認為1987年為年蒸發量系列的突變點。

圖2 長壩站年蒸發量系列MK檢驗示意

2)仁化站年徑流量系列檢驗

輸入仁化站50 a年徑流量資料，經過計算得到UF和UB系列(如圖3所示)；添加表示95%置信區間的縱坐標為±1.96的2條虛線。UF曲線在90年代低于-1.96，表示長壩站流量在90年代有明顯的下降趨勢，雖然在60年代出現了幾處UF曲線和UB曲線交點，但其距離90年代較久遠，因此60年代的交點不視為90年代顯著下降趨勢的突變點，只可以視為60年代出現了不顯著的突變。

圖3 仁化站年徑流量系列MK檢驗示意

3)仁化站豐水期徑流量系列檢驗

輸入仁化站50 a豐水期徑流量資料，經過計算得到UF和UB系列(如圖4所示)；添加表示95%置信區間的縱坐標為±1.96的2條虛線。UF曲線在90年代初期低于-1.96，表示長壩站豐水期徑流流量在90年代初期有明顯的下降趨勢，1991年UF曲線和UB曲線相交，雖然略微超過置信區間，但仍可說明1991年仁化站豐水期徑流量開始突變。

圖4 仁化站豐水期徑流量系列MK檢驗示意

根據圖1的各站點位置，并考慮錦江水庫1990年開始施工，得出如下結論：錦江水庫的興建導致壩下年徑流量下降，豐水期徑流量下降；導致下游干流年徑流量下降，豐水期徑流量下降；對下游支流處基本無影響；南水水庫的建成導致下游較近處枯水期徑流量顯著增加，導致下游較遠處枯水期徑流量下降(可能是同時興建的其他水利工程導致)。

3.2 年內分配

將仁化站、長壩站和犁市站50 a逐日平均流量資料整理成月徑流量資料，分為水庫建成前和水庫建成后兩個時段，計算各站兩個時段的平均年內月徑流過程(見表2)；計算各站兩個時段月徑流量占年徑流量比例均值(見表3)。僅僅從表2、表3中觀察，很難發現水庫建設對流量影響的內在規律，需要繪制各站月徑流分配圖輔助分析(以仁化站為例，見圖5～圖10)。

圖5 仁化站各時段月徑流分配示意

圖6 仁化站各時段月徑流分配示意

圖7 長壩站各時段月徑流分配示意

圖8 長壩站各時段月徑流分配示意

圖9 犁市站各時段月徑流分配示意

圖10 犁市站各時段月徑流分配示意

表2 各站建壩前后各月徑流量均值 萬m3/s

表3 各站建壩前后月徑流量占年徑流量比例均值 %

分析前需要說明的是，根據長壩站資料代表的流域降水及蒸發年際資料M-K檢驗，隨著年際增長，該流域降水量在95%置信區間內沒有出現顯著趨勢變化，蒸發量出現了顯著地減少趨勢，在進行工程影響分析時需考慮以上兩個因素。

1)比較圖5與圖6，圖7和圖8，圖9和圖10，都可以發現月徑流量分配系列的形狀與月經流量占比系列的形狀相似。

2)觀察圖5和圖6中兩個時段系列的差別，可以直觀發現，水庫建成后月徑流量最大值顯著小于水庫建成前；最大值出現月份兩時段相似；各時段的月徑流量最小值差距不大；兩時段的徑流分配曲線形狀有較大差異，水庫建成后3、4、5月徑流量及其占比顯著低于水庫建成前，6、7、8、10月徑流量及其占比顯著高；可以說明，錦江水庫對仁化站徑流年內分配有顯著影響，主要表現在最大月徑流量減小，且豐水期流量分配差別很大。

3)觀察圖7和圖8，與仁化站相似，錦江水庫對仁化站徑流年內分配有顯著影響，主要表現在最大月徑流量減小，且豐水期流量分配差別很大。

4)觀察圖9和圖10，從徑流量的量值來看，水庫建成后月徑流量最大值大于水庫建成前，但從占比來看，兩時段差別不大，考慮到蒸發量顯著減小而降水量無減小趨勢，推測月經流量最大值的增長是自然因素導致；此外，兩時段4、5、7、8月流量及其占比差異較大，可以說明，錦江水庫對犁市站徑流年內分配有影響但小于前兩站，主要表現在豐水期流量分配差異。

綜上所述，經過月徑流分配的分析，并考慮年際降水和蒸發趨勢，可以推斷錦江水庫對仁化站、長壩站、犁市站的年內徑流分配有影響，距離越遠影響越小。

4 結語

1)分別應用M-K秩次相關檢驗的趨勢性分析及突變診斷和月經流量分配比較進行錦江流域年際和年內水文情勢分析，得到如下結論：年際方面，錦江水庫的興建導致壩下年徑流量下降，豐水期徑流量下降；并導致下游干流年徑流量下降，其豐水期徑流量下降；對下游支流處基本無影響；年內方面，錦江水庫建成后，流域徑流年內分配受顯著影響，主要表現在最大月徑流量減小，且豐水期流量分配改變，水庫下游距離越近影響越大。

2)流域水文情勢分析方法還有很多，年內分配方面有不均勻性系數、集中度和集中期、IHA法和變化幅度等；年際變化方面有移動平均趨勢分析和HURST指數分析等，這些方法各有何特點，有何作用，有待進一步研究。此外，僅僅分析出水利工程對水文情勢的影響還不夠，這些影響對生態環境、社會生產有何負面影響，如何對這些負面影響應對，都有待進一步研究。