梅江上游流域徑流變化特征及其影響因子分析

楊寶林

(贛州市水利電力勘測設計研究院，江西 贛州 341000)

徑流是由大氣降雨所產生的，并經由流域的各種途徑流入河川、湖泊以及海洋。徑流的產生是所有自然地理因素綜合影響的結果，直接影響徑流的各種因素一般有天氣、下墊面和人為因素。而國際氣候變化和人類活動干預對流域徑流演變產生的正、負面影響歷來倍受重視，在不同尺度流域、不同地域及不同時期下研究結果均存在一定的差異。高敏華[1]在對西江下游流域高要段水沙規律的研究結論指出，上游水利工程的建設影響水文站的徑流變化；王彥君等[2]研究提出松花江流域徑流量趨勢的主要影響原因是人類活動；付曉花等[3]在研究灤河流域不同階段時提出，人類活動和降水對徑流變化存在不同程度影響；葉許春等[4]認為不同時期氣候因素始終對贛江流域徑流變化的影響起著主導作用；黃鋒華等[5]研究結論中顯示，引起榕江流域徑流變化的主導因子為氣候變化，其貢獻率占85%以上。

近年來，對贛江流域內大中尺度的流域徑流變化及其影響因子方面，學者進行了大量的深入研究，由于規模較大的流域，下墊面情況更加復雜多變，可能會低估人類活動的影響，為此，本文選取贛江上游梅江上游流域為研究范圍，進一步深入地研究該流域徑流變化特征和影響因子，定量比較不同時期驅動因素對徑流量變化的貢獻率大小，以期為當地對梅江流域的水資源可持續利用和科學管理提供支撐。

1 流域簡介

梅江為贛江支流，位于江西省東南部,發源于寧都縣肖田鄉北境黃陡山，流經寧都、石城、于都及瑞金市，至于都縣白口塘匯入貢水。梅江流域范圍為北緯27°10′～25°59′，東經116°40′～東經115°30′，流域總面積為7 099 km2，河長為208 km。流域呈芭蕉葉形、山丘地貌，地勢由東、西、北三面向南部傾斜，流域內植被良好，主峰凌華山海拔為1 455 m。氣候屬亞熱帶季風濕潤氣候，氣候溫和、雨量充沛、光照充足，四季分明，無霜期較長，多年平均氣溫為18.3℃，多年平均降雨量為1 667.7 mm，雨量充沛，但年際之間、年內各月雨量分配極不均勻。本次研究區域為琴江匯合口以上梅江上游流域(3 010 km2)，主要在寧都縣境內。

梅江上游已建有一座大(2)型水庫團結水庫，壩址以上流域面積為412 km2，水庫控制集水面積較小，對徑流調節影響作用較小。

寧都水文站為梅江干流上游控制站，位于寧都縣城，地理坐標為東經116°01′，北緯26°29′，控制集水面積為2 372 km2，1958年設立，自1959年始有水位、流量、降雨量資料，歷年資料均經省水文部門審查、整編或刊印，資料可靠(見圖1所示)。

圖1 梅江上游流域水系及站點分布示意

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

本次使用的寧都水文站1959—2019 年的實測徑流數據來源于贛州市寧都縣水文局。寧都水文站以上流域有肖田、東韶、東山壩、璜陂、寧都5個雨量站，采用泰森多邊形法計算寧都水文站以上流域的面降雨量。

2.2 研究方法

2.2.1Manna-Kendall趨勢檢驗法

Manna-Kendall趨勢檢驗法是目前廣泛應用的一種非參數統計檢驗方法。該種方法樣本值自由度高，不必遵循一定分布，高水平定量化，覆蓋范圍較廣，統計分析方法簡單，更適合用于順序變量和類型變量[6]。對于樣本個數為n的時間序列，構造一秩序列：

(1)

式中ri取值如下：

(2)

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)

UF1=0，E(Sk)和var(Sk)是Sk的均值和方差。

在x1，x2，…xn相互獨立，且具有相同連續分布時，可由下式計算(k=2,3,…,n)：

(4)

同理，可算出逆序的統計量UBk，通過UFk值可以判斷曲線變化的趨勢，UFk線在臨界線內變化則表明變化不明顯，當UFk線超過臨界線時表明變化趨于顯著。UFk和UBk2條曲線在臨界線之間的交線所對應的時間即為變量的突變時間；但若交點發生在臨界點線外或出現多個交叉點，則需根據其他檢驗方法進一步確認突變點[7]。

2.2.2累積距平法

累積距平法，可以通過曲線走勢直觀判斷要素變化趨勢。對樣本數量為n的變量x(t)，其某一時間內t的累積距平值cm可以表述為：

(5)

該分析方法的關鍵點在于當數值連續超過平均數后，累計距平值增加，曲線呈現上漲走勢，反之則呈現下滑走勢[8]。根據曲線的起伏變化，有助于確定研究因子的長期發展態勢和突變點。

2.2.3雙累積曲線法

雙累積曲線是檢驗兩個參數趨勢變化的一致性及其變化程度的常用方法。降雨量與徑流量的雙累積曲線是以累積降雨量為參照變量的關系曲線，可用來分析降雨量和人類活動對河流徑流量的趨勢性變動所起的作用，確定出現趨勢變動的年份和變動的嚴重程度，分辨氣候變化和人類活動的作用[9-10]。

3 結果與分析

3.1 流域降雨量、徑流量變化特征

1) 年內變化

梅江上游流域多年平均降雨量為1 667 mm，年內降雨分布很不均勻，入汛初期4—6月降雨量占全年降水總量的47.6%，其中6 月多年平均降雨量最大(寧都站為306.1 mm)，達全年降雨量的18.35%；枯水期9月—次年3月的降雨量僅占全年總量的32.9%，而12 月多年平均降雨量最小(寧都站為43.8 mm)，僅占全年降雨量的2.62%(見圖2)。

圖2 寧都站1959—2019年降雨量和徑流量年內分布特征示意

梅江上游流域多年平均徑流量為24.1億m3，年內徑流分配也不均勻，入汛初期4—6月徑流量占全年徑流總量的47.8%，其中又以6月最大，占全年徑流量的20.0%，枯水期9月—次年3月的徑流量僅占全年總量的34.3%，其中1月徑流量最小，占全年徑流量的3.5%。徑流量與降雨量年內變化趨勢基本一致。

2) 年際變化

梅江上游流域1959—2019 年平均降雨量為1 667.7 mm，Cv值為0.236，變異程度中等。降雨年際間變化差異較大，年降雨量最大為2015 年的2 841.0 mm，為多年平均降雨量的1.7倍，而年降雨量最小為2003年的929.2 mm，為多年平均降雨量的55.7%，豐、枯水年年平均降雨量相差3.06倍。M-K 趨勢檢驗的結果表明，總體上1959—2019 年流域降雨量隨時間呈不顯著的波動增加(Z=0.18且|Z|<1.96)趨勢(見圖3)。

圖3 寧都站年降雨量的M-K趨勢檢驗結果示意

流域1959—2019年平均徑流量為24.1億m3，Cv值為0.345，變異程度中等。徑流的年際間變化差異也較大，年徑流量最大為2016年的44.7億m3，為多年平均徑流量的1.85倍,而徑流量最小的為1963年的9.26億m3，為多年平均流量的38.4%，豐、枯水年年平均徑量相差4.83倍。M-K趨勢分析的結果表明，總體上1959—2019 年流域徑流量隨時間呈不顯著的波動增加(Z=0.34且|Z|<1.96)趨勢(見圖4)，與降雨量變化特征一致。

圖4 寧都站年徑流量的M-K趨勢檢驗結果示意

3.2 突變年份分析

綜上可知，寧都站降雨量和徑流量M-K趨勢線均存在著多個交點，因此，本次結合累積距平法進一步判定突變點，結果表明:降雨量和徑流量均在1962年、1991年、2002年和2011年4個時間節點出現了突變，其中，1959—1962年、1992—2002年和2012—2019年3個時間段降雨量和徑流量的累積距平線總體呈上升態勢(見圖5)，表明3個時間段內降雨量和徑流量在累年增加；1963—1991年和2003—2011年2個時間段降雨量和徑流量的累積距平線整體呈下降趨勢(見圖6)，表明2個時間段內降雨量和徑流量在累年減少。

圖5 寧都站年降雨量累積距平曲線示意

圖6 寧都站年徑流量累積距平曲線示意

同時，梅江上游流域降雨量和徑流量的累積距平值在1959—1966 年基本大于0(除1960年、1965年和1966年累積徑流量小于0)，表明該時段內流域的降水和徑流為豐水期；而在1967—2019 年的累積距平值基本小于0(除1970年和1976年累積徑流量、2002年和2016年累積降雨量、徑流量大于0)，表明該時段內流域的降水和徑流為枯水期。根據累積距平曲線結果可知，近50 a來，梅江上游流域主要為相對枯水期。

3.3 貢獻率分析

基于流域降雨量和徑流量累積距平法分析的結果，降雨量和徑流量均在1962年、1991年、2002年和2011年出現突變，因此，將研究區間劃分為1959—1962年、1963—1991年、1992—2002年、2003—2011年和2012—2019年5個時間段，1962年以前，建國初期人類活動相對較少，徑流量變化主要受到氣候變化(降雨量)的影響，1959—1962年可看作基準期，1962年以后，生產建設快速發展，人類活動逐漸頻繁作用到徑流的形成，徑流量的變化除了受到降雨量等自然因素的影響外，還疊加了人類活動的影響，因此，將后4個時間段與基準期作比較，建立流域年降雨量和年徑流量的雙累積曲線，分析流域徑流量變化的影響因子及其貢獻率[11-13]。

根據上文劃分的5個時間段，各時段內累積降雨量和徑流量的擬合方程和相關系數如圖7 所示。結果表明，與基準期1959—1962年相比，1963—1991 年流域的年徑流量減小了7.33億m3/a，其中降水對徑流量減小的貢獻率占82.7%，人類活動對徑流量減小的貢獻率占17.3%；1992—2002 年流域年徑流量增加了7.3億m3/a，其中降水對徑流量增加的貢獻率占72.6%，人類活動對徑流量增加的貢獻率占27.4%； 2003—2011年流域的年徑流量減小了9.18億m3/a，其中降水對徑流量減小的貢獻率占77.8%，人類活動對徑流量減小的貢獻率占22.2%；2012—2019年流域的年徑流量增加了7.48億m3/a，其中降水對徑流量增加的貢獻率占91.33%，人類活動對徑流量增加的貢獻率占8.67%(見表1)，4個比較期的降水對徑流量變化的貢獻率均占70%以上，表明梅江上游流域徑流量的變化主要影響因子為降水，人類活動對徑流量變化的影響一直都不明顯[14]，與當地社會經濟發展實際相符。

圖7 寧都站1959—2019年年降雨量和年徑流量雙累積曲線示意

表1 梅江上游流域降水和人類活動對徑流量變化的貢獻率分析億m3/a

4 結論與討論

本文根據梅江上游流域近60 a(1959—2019年)的逐年、逐月降雨量和徑流量數據，采用累計距平法、線性趨勢法等分析了該流域降雨量和徑流量的年內、年際分布特征和變化規律，并采用雙累積曲線法分析了氣候變化和人類活動對徑流量影響的貢獻率，主要結論如下：

1) 梅江上游流域多年平均降雨量為1 667 mm、多年平均徑流量為24.1億m3，流域降水、徑流在年內分布很不均勻，入汛初期4—6月降雨量和徑流量約占全年總降水量和總徑流量的一半。

2) 不同年際間降雨量、徑流量差異較大，總體上1959—2019 年流域降雨量、徑流量隨時間呈不顯著的波動增加趨勢。

3) 降雨量和徑流量均在1962年、1991年、2002年和2011年發生突變，因此，降雨和徑流量變化可據此劃分為5個變化階段。在過去50 a，梅江上游流域主要為相對枯水期。

4) 以第一個變化階段1959—1962年為基準期，在不考慮其他變化條件的影響下，與基準期相比，降雨量對梅江上游流域徑流量的變化貢獻較大，人類活動對徑流量變化的影響則一直都不明顯。

5) 本文只考慮了氣候變化和人類活動對徑流的影響，未考慮下墊面的變化對徑流的影響，且探討的人類活動對徑流量的影響是各種人類活動作用的綜合體現，若要更加細化徑流變化的因素，還需做進一步的研究。