1956～2018年長(zhǎng)江上游寸灘站徑流演變特征

康亞靜,黃婷婷,劉 宇

(1.中國(guó)南水北調(diào)集團(tuán)水網(wǎng)水務(wù)投資有限公司,北京 100142; 2.黃河水利科學(xué)研究院,河南 鄭州 450003; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑學(xué)院,陜西 楊凌 712100; 4.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心,北京 100038)

0 引 言

隨著全球氣候變化,流域水文循環(huán)過(guò)程在一定程度上發(fā)生改變,給水資源開(kāi)發(fā)利用帶來(lái)重大挑戰(zhàn)[1-3]。同時(shí),人類(lèi)活動(dòng)直接影響(如取用水、水資源管理等)或間接影響(如土地利用方式、下墊面變化等)著流域的產(chǎn)匯流機(jī)制,進(jìn)而導(dǎo)致河川徑流發(fā)生變化[4-5]。在氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)共同作用下,流域水文變化規(guī)律研究成為水資源領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題之一[6-7],特別是在水資源豐富且開(kāi)發(fā)條件優(yōu)越的長(zhǎng)江流域。

徑流是流域水文循環(huán)過(guò)程的重要指標(biāo),其變化特征一直受?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者密切關(guān)注,但受自然因素和人為因素的共同影響,徑流形成與演變的過(guò)程既有確定性又有模糊性,其中確定性主要表現(xiàn)為突變性和周期性等[8-9]。羅玉等[10]采用滑動(dòng)t檢驗(yàn)、小波分析等方法分析了長(zhǎng)江源區(qū)徑流突變和周期變化特征,結(jié)果表明長(zhǎng)江源區(qū)1961～2016年徑流總體呈增加趨勢(shì)。萬(wàn)智巍等[11]采用累積距平、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法分析了長(zhǎng)江入海流量變化的長(zhǎng)期趨勢(shì),結(jié)果表明近150 a來(lái)長(zhǎng)江入海流量呈減小趨勢(shì)。魏曉玥等[12]研究了金沙江上游近60 a徑流變化特征,結(jié)果表明徑流呈較弱的下降趨勢(shì)。

長(zhǎng)江是中國(guó)第一大河流,也是世界第三大河流,因其水資源豐富且開(kāi)發(fā)條件優(yōu)越,流域水資源開(kāi)發(fā)已成為帶動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)[13]。然而,長(zhǎng)江流域因其特殊的地理位置和典型的季風(fēng)性氣候環(huán)境導(dǎo)致洪澇頻發(fā),這對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重影響[14]。此外,在20世紀(jì)80年代后,長(zhǎng)江流域水利水電工程建設(shè)和水土保持工程得到全面發(fā)展,致使流域徑流變化規(guī)律發(fā)生重大改變[15-16]。隨著水資源開(kāi)發(fā)力度的增大,河流原有生境破碎化等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益出現(xiàn),水資源開(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的矛盾日益突出[17]。因此,針對(duì)長(zhǎng)江流域徑流開(kāi)展研究,結(jié)合長(zhǎng)時(shí)間序列的徑流資料分析徑流演變規(guī)律,對(duì)提升流域水資源利用開(kāi)發(fā)和合理配置,生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水旱災(zāi)害防治等具有重要意義。

本文基于寸灘水文站(簡(jiǎn)稱(chēng)“寸灘站”)1956～2018年日徑流資料,采用線(xiàn)性回歸、累積距平、滑動(dòng)t檢驗(yàn)、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、小波分析法等多種方法,對(duì)長(zhǎng)江上游徑流年內(nèi)年際變化特征、趨勢(shì)性、突變性和周期性進(jìn)行研究,旨在為長(zhǎng)江上游水資源合理開(kāi)發(fā)利用及生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域概況

長(zhǎng)江發(fā)源于青藏高原的唐古拉山脈,自西向東流經(jīng)青海省、西藏自治區(qū)、四川省、云南省、重慶市、湖北省等,最終注入東海,全長(zhǎng)為6 387 km,控制面積約1.80×106km2。干流宜昌以上為長(zhǎng)江上游,上游干流全長(zhǎng)約為4 500 km,流域面積1.00×106km2。寸灘站位于重慶市江北區(qū)寸灘三家灘,是長(zhǎng)江上游重要的基本水文站(圖1)。研究區(qū)屬于西南熱帶季風(fēng)和青藏高寒氣候區(qū),氣候和水文變化特性具有明顯的季節(jié)性,徑流以降水補(bǔ)給為主,多年平均降水量為250～1 400 mm。另外,降水和徑流均集中在4～9月份,分別占全年的80%和70%[18]。

圖1 長(zhǎng)江上游及水文站點(diǎn)位置Fig.1 Location of hydrological station in upper reaches of the Yangtze River

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究選取長(zhǎng)江上游干流主要控制站寸灘站1956～2018年實(shí)測(cè)逐日徑流資料,該資料來(lái)源于長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局。此外,按照水文相關(guān)規(guī)定將四季劃分為春季(3～5月)、夏季(6～8月)、秋季(9～11月)和冬季(12月至次年2月),以對(duì)長(zhǎng)江上游徑流年內(nèi)、年際變化特征進(jìn)行分析。

2 研究方法

2.1 線(xiàn)性回歸法

本研究采用線(xiàn)性回歸法,利用年份(自變量)和徑流(因變量)線(xiàn)性回歸的斜率來(lái)量化徑流的變化趨勢(shì),計(jì)算公式如下[19]:

(1)

式中:n為年數(shù);xi為第i年的徑流,m3/s;L為斜率,m3/(s·a)。

2.2 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

Mann-Kendall突變檢驗(yàn)(簡(jiǎn)稱(chēng)“M-K檢驗(yàn)”)已廣泛應(yīng)用于水文要素時(shí)間序列的趨勢(shì)變化分析。M-K檢驗(yàn)計(jì)算公式如下[20]:

(2)

式中:Sk為構(gòu)造秩序列;k為小于等于n且不等于j的常數(shù);αij為xi>xj(1≤j≤i)的樣本累積值,計(jì)算公式見(jiàn)式(3)。

(3)

式中:xi和xj分別為第i和j年的徑流,m3/s。

基于Sk可計(jì)算得到UFk,計(jì)算公式如下:

(4)

式中:E(Sk)和V(Sk)分別為均值和方差,計(jì)算公式見(jiàn)式(5)。

(5)

將時(shí)間序列xi按逆序排列,計(jì)算得到統(tǒng)計(jì)量UBk,若UF和UB兩條曲線(xiàn)存在交點(diǎn)并位于臨界線(xiàn)之間,則突變點(diǎn)為交點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)間。

2.3 累積距平法

累積距平法可用于直觀判斷水文要素變化趨勢(shì),同時(shí)可根據(jù)累積距平值的最大值或最小值出現(xiàn)位置判斷突變點(diǎn),計(jì)算公式如下[21-22]:

(6)

2.4 滑動(dòng)t檢驗(yàn)

滑動(dòng)t檢驗(yàn)通過(guò)把水文要素時(shí)間序列劃分為兩個(gè)子序列,并依據(jù)兩個(gè)子序列的均值在一定顯著性水平下有無(wú)顯著差異判斷樣本是否發(fā)生突變,計(jì)算公式如下[20, 23]:

(7)

(8)

式中:s12和s22分別為樣本x1和x2的方差。

2.5 小波分析

小波分析主要通過(guò)小波函數(shù)來(lái)逼近或表示一個(gè)信號(hào),在實(shí)際應(yīng)用中為減小或消除時(shí)間序列兩端的邊界效應(yīng),需要對(duì)時(shí)間序列兩端數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)难由臁Ｐ〔ê瘮?shù)具有震蕩性且能夠迅速衰減到零,即ψ(t)∈L2(R)且滿(mǎn)足下式[24-25]:

(9)

式中:ψ(t)為小波函數(shù),本研究基于徑流時(shí)間序列特征,采用Morlet小波函數(shù),計(jì)算公式見(jiàn)式(10)。

(10)

式中:ω為常數(shù);t為時(shí)間。

小波系數(shù)的方差能夠反映不同種尺度的變化強(qiáng)弱及其主周期,計(jì)算公式如下:

(11)

式中:Wf(a,b)為變換系數(shù);a和b分別為尺度因子和時(shí)間因子。

3 結(jié)果分析

3.1 徑流變化特征

3.1.1 年內(nèi)分布特征

近60 a寸灘站各月和四季徑流分布特征如圖2所示。長(zhǎng)江上游徑流不均勻系數(shù)為0.70,年內(nèi)分布具有強(qiáng)烈的不均勻性,徑流主要集中在7～9月,占全年徑流的51.98%,而12月至次年4月的徑流僅占15.24%。此外,春季、夏季、秋季和冬季的多年平均徑流分別為0.52萬(wàn)m3/s、1.98萬(wàn)m3/s、1.42萬(wàn)m3/s和0.39萬(wàn)m3/s,冬季徑流最為集中,夏季徑流最為分散。

注:圖(a)上方橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)占比,下方橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)流量。圖2 徑流年內(nèi)分布特征Fig.2 Characteristics of annual runoff distribution

3.1.2 年際演變特征

基于1956～2018年寸灘站實(shí)測(cè)流量序列,采用線(xiàn)性回歸法對(duì)長(zhǎng)江上游年均和四季徑流變化趨勢(shì)進(jìn)行分析(圖3)。由圖3可知,年均徑流為1.08萬(wàn)m3/s,年最大流量和最小流量分別為1.35萬(wàn)m3/s(1968年)和0.79萬(wàn)m3/s(2006年)。年均徑流存在明顯的年際變化特征,極值比和變差系數(shù)分別為1.70和0.11。近60 a,長(zhǎng)江上游流量呈不顯著(未通過(guò)α= 0.1顯著性檢驗(yàn))減小趨勢(shì),減小速率為10.6 m3/(s·a)。此外,基于R/S分析法計(jì)算出年均徑流的Hurst指數(shù)為0.71(> 0.5),表明年均徑流將繼續(xù)維持原變化趨勢(shì),即未來(lái)年均徑流將呈減小趨勢(shì)。從不同季節(jié)流量變化來(lái)看,春季和冬季的流量呈波動(dòng)增加趨勢(shì),增加速率分別為10.3 m3/(s·a)和14.4 m3/(s·a);夏季和秋季的流量呈波動(dòng)減小趨勢(shì),減小速率分別為36.4 m3/(s·a)和30.3 m3/(s·a)。這表明長(zhǎng)江上游年均徑流變化的主要原因是夏季和秋季流量減小。

圖3 年均徑流和四季徑流變化趨勢(shì)Fig.3 Annual runoff and seasonal runoff change trend

寸灘站年均徑流和四季徑流各年代距平的變化特征如圖4所示。近60 a,長(zhǎng)江上游年均徑流僅在20世紀(jì)60年代和80年代超過(guò)平均值,其余均小于平均值,尤其是2000年后徑流明顯減少。此外,長(zhǎng)江上游徑流季節(jié)分配規(guī)律為:夏季>秋季>春季>冬季,但在2000年前,春季和冬季徑流各年代變化相對(duì)平穩(wěn),夏季和秋季的波動(dòng)較大,2000年后春季和冬季徑流明顯增大,夏季和秋季相對(duì)減少,主要原因是上游人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流年內(nèi)分配造成了影響[26]。

圖4 年徑流和季徑流年代變化特征Fig.4 Characteristics of chronological changes of annual runoff and seasonal runoff

3.2 突變特征分析

利用M-K檢驗(yàn)、累積距平和滑動(dòng)t檢驗(yàn)等方法對(duì)寸灘站年均徑流和四季徑流時(shí)間序列進(jìn)行突變分析,如圖5所示。M-K檢驗(yàn)結(jié)果表明,年均徑流在1961,1970,2002年通過(guò)95%置信度檢驗(yàn);由累積距平法可知發(fā)生突變的年份為1968年和2017年;由步長(zhǎng)為10的滑動(dòng)t檢驗(yàn)可知在0.01顯著水平下發(fā)生突變的年份為1968年。綜合3種突變檢驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為長(zhǎng)江上游在1968年發(fā)生顯著突變,突變前多年平均流量為1.15萬(wàn)m3/s,突變后多年平均流量為1.06萬(wàn)m3/s,突變后流量相對(duì)減少了7.8%。從不同季節(jié)徑流突變檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,長(zhǎng)江上游春季流量并未發(fā)生顯著突變;夏季和冬季流量分別在1968年和1998年發(fā)生顯著(0.01顯著水平)突變;累積距平和滑動(dòng)t檢驗(yàn)結(jié)果均表明秋季流量在1990年發(fā)生顯著(0.05顯著水平)減小的突變。這表明年徑流的突變主要受夏季流量變化的影響。

3.3 周期特征分析

小波系數(shù)實(shí)部和方差能夠反映水文要素變化的周期特征(圖6)。依據(jù)小波系數(shù)實(shí)部圖,年均徑流在24～32 a時(shí)間尺度上周期變化最明顯,在11～23 a時(shí)間尺度上周期變化次之,在5～10 a時(shí)間尺度上周期變化最弱。依據(jù)方差圖,年均徑流演變過(guò)程中存在14 a和28 a兩個(gè)時(shí)間尺度的主周期,28 a時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)最大峰值,為長(zhǎng)江上游年均徑流演變的第一主周期;14 a時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)第二峰值,為年徑流演變的第二主周期。另外,在5 a和8 a時(shí)間尺度上也存在著兩個(gè)微弱的峰值,可視為波動(dòng)予以忽略。總的來(lái)說(shuō),長(zhǎng)江上游年均徑流變化的周期特征由14 a和28 a兩個(gè)主周期控制,尤其是第一主周期28 a時(shí)間尺度主導(dǎo)著年均徑流的豐枯變化。

圖6 年徑流和季徑流周期特征Fig.6 Annual runoff and seasonal runoff cycle characteristics

在季節(jié)尺度上,春季流量變化存在6,11 a和21 a三個(gè)時(shí)間尺度的主周期,并可能存在更大時(shí)間尺度上的主周期;夏季流量變化存在5,11 a和27 a三個(gè)時(shí)間尺度的主周期,并以11 a時(shí)間尺度為第一主周期;秋季流量變化存在8 a和29 a兩個(gè)時(shí)間尺度的主周期,并以29 a時(shí)間尺度為第一主周期;冬季流量變化存在7 a和21 a兩個(gè)時(shí)間尺度的主周期,并可能存在更大時(shí)間尺度上的主周期。總的來(lái)看,長(zhǎng)江上游年徑流在長(zhǎng)時(shí)間尺度上的第一主周期主要受秋季徑流變化的影響,短時(shí)間尺度上的第二主周期主要受夏季徑流變化的影響。

4 結(jié) 論

本研究基于寸灘水文站1956～2018年日徑流資料,采用M-K檢驗(yàn)、滑動(dòng)t檢驗(yàn)、小波分析等方法,對(duì)長(zhǎng)江上游徑流的年內(nèi)年際變化、突變性和周期性進(jìn)行分析,結(jié)果表明:

(1) 長(zhǎng)江上游徑流季節(jié)分配符合夏季>秋季>春季>冬季的特點(diǎn),且在2000年后人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流的年內(nèi)分配造成了明顯的影響。

(2) 近60 a,受夏季和秋季徑流減小的影響,年徑流以10.6 m3/(s·a)的速率減小,且未來(lái)將繼續(xù)呈減小趨勢(shì)。

(3) 年均徑流在1968年發(fā)生顯著減小的突變,突變后減小7.8%,且突變主要受夏季徑流變化的影響。

(4) 年均徑流的豐枯變化由28 a時(shí)間尺度的第一主周期所主導(dǎo),同時(shí)受14 a時(shí)間尺度的第二主周期影響。此外,年徑流的第一主周期主要受秋季徑流的影響,第二主周期主要受夏季徑流的影響。