長(zhǎng)江上游枯水期及10月徑流情勢(shì)分析

黃 峰,夏自強(qiáng),王遠(yuǎn)坤

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇南京 210098;3.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210093)

自20世紀(jì)60年代以來(lái),隨著長(zhǎng)江上游流域水資源開(kāi)發(fā)利用程度的提高以及全球氣候變化,長(zhǎng)江上游流域的徑流情勢(shì)發(fā)生了一定的變化[1-6],而長(zhǎng)江上游流域水庫(kù)的建設(shè)運(yùn)行在一定程度上也影響了長(zhǎng)江上游的水文情勢(shì).水庫(kù)調(diào)蓄作用的發(fā)揮會(huì)使枯水期徑流量有所增加,而汛末蓄水會(huì)使10月的徑流量減少.本文采用非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)Mann-Kendal法(簡(jiǎn)稱M-K法)、有序聚類(lèi)分析法對(duì)寸灘、宜昌站枯水期及10月的流量序列分別進(jìn)行了流量變化趨勢(shì)及跳躍點(diǎn)分析.

1 研究數(shù)據(jù)及方法

寸灘、宜昌水文站為長(zhǎng)江上游的重要控制站.寸灘站位于重慶寸灘三家灘,集水面積86.7萬(wàn)km2,控制著岷江、沱江、嘉陵江及赤水河匯入長(zhǎng)江后的基本水情.宜昌站位于長(zhǎng)江上游與中游的交界處,完整地控制了長(zhǎng)江上游100.6萬(wàn)km2的廣大地區(qū).選取寸灘、宜昌站1950～2002年1～3月及10月的日徑流量資料,分別采用M-K法及有序聚類(lèi)分析法分析這兩站的水文情勢(shì)變化.

1.1 非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)M-K法[7]基本原理

假設(shè)有一時(shí)間序列X1,X2,X3,…,Xn,其趨勢(shì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量公式為

式中sign()為符號(hào)函數(shù).當(dāng)Xi-Xj小于、等于或大于零時(shí),sign(Xi-Xj)分別為-1,0或1;M-K統(tǒng)計(jì)量公式為

Z為正值表示增加趨勢(shì),負(fù)值表示減少趨勢(shì).Z的絕對(duì)值大于或等于1.28,1.64,2.32時(shí)分別表示通過(guò)了置信度90%,95%,99%顯著性檢驗(yàn).

1.2 有序聚類(lèi)分析法[8]基本原理

假設(shè)有一時(shí)間序列X1,X2,X3,…,Xn,設(shè)可能分割點(diǎn)為τ,則最優(yōu)二分割:

找到分割點(diǎn)τ0以后,采用秩和檢驗(yàn)法對(duì)分割樣本進(jìn)行顯著性水平檢驗(yàn),設(shè)n1為小樣本容量,n2為大樣本容量,w為容量小的樣本各數(shù)值的秩之和,當(dāng)n1,n2＞10時(shí),

U的絕對(duì)值大于或等于1.64,1.96,2.58時(shí)分別表示通過(guò)了置信度90%,95%,99%顯著性檢驗(yàn).

2 徑流趨勢(shì)分析

1～3月為寸灘站和宜昌站的枯水期,兩站枯水期徑流量分別只占年徑流量的7.20%和7.42%,由1950～2002年各年1～3月3個(gè)月的平均流量構(gòu)成枯水期流量序列.采用M-K法分析流量的變化趨勢(shì),寸灘、宜昌站枯水期流量趨勢(shì)M-K法檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值分別為0.64,2.02,兩站枯水期流量均呈上升趨勢(shì),其中宜昌站枯水期流量上升趨勢(shì)[7]的顯著性水平超過(guò)95%置信度;兩站10月流量趨勢(shì)M-K法檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值分別為-1.8,-1.27,均呈下降趨勢(shì),其中寸灘站10月流量下降趨勢(shì)的顯著性水平超過(guò)95%置信度.兩站枯水期及10月流量趨勢(shì)變化見(jiàn)圖1.

圖1 寸灘、宜昌站流量趨勢(shì)Fig.1 Trend of runoffs at Cuntan and Yichang hydrological stations in dry season

3 跳躍點(diǎn)分析

3.1 寸灘站

采用有序聚類(lèi)分析法對(duì)寸灘站枯水期流量序列進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)一處跳躍點(diǎn),發(fā)生在1989年,經(jīng)秩和檢驗(yàn)法檢驗(yàn)(U=2.52),其顯著性水平超過(guò)95%置信度.跳躍點(diǎn)前,即1950～1988年枯水期多年平均流量為3156 m3/s;跳躍點(diǎn)后枯水期多年平均流量為3397m3/s,上升了241m3/s,即跳躍點(diǎn)后枯水期的多年平均徑流量上升了18.74億m3.寸灘站枯水期流量變化及跳躍點(diǎn)見(jiàn)圖2(a).

對(duì)寸灘站10月的流量序列同樣采用有序聚類(lèi)分析法進(jìn)行跳躍點(diǎn)分析,發(fā)現(xiàn)1991年為其跳躍點(diǎn),顯著性水平超過(guò)95%置信度(U=2.34).跳躍點(diǎn)前,即1950～1990年10月的多年平均流量為14969m3/s;跳躍點(diǎn)后10月的多年平均流量為12870m3/s,下降了2099m3/s,即跳躍點(diǎn)后10月的多年平均徑流量下降了56.22億m3.寸灘站10月流量變化及跳躍點(diǎn)見(jiàn)圖2(b).

3.2 宜昌站

采用有序聚類(lèi)分析法對(duì)宜昌站枯水期流量序列進(jìn)行跳躍點(diǎn)分析,發(fā)現(xiàn)一處跳躍點(diǎn),發(fā)生在1989年,經(jīng)秩和檢驗(yàn)法檢驗(yàn)(U=3.2),其顯著性水平超過(guò)99%置信度.跳躍點(diǎn)前,即1950～1988年枯水期多年平均流量為4022m3/s;跳躍點(diǎn)后枯水期多年平均流量為4514m3/s,上升了492m3/s,即跳躍點(diǎn)后枯水期的多年平均徑流量上升了38.26億m3.宜昌站枯水期流量變化及跳躍點(diǎn)見(jiàn)圖3(a).

對(duì)宜昌站10月的流量序列,同樣采用有序聚類(lèi)分析法進(jìn)行跳躍點(diǎn)分析,發(fā)現(xiàn)1991年為其跳躍點(diǎn),顯著性水平超過(guò)95%置信度(U=2.17).跳躍點(diǎn)前,即1950～1990年10月的多年平均流量為18588m3/s;跳躍點(diǎn)后10月的多年平均流量為16192m3/s,下降了2396m3/s,即跳躍點(diǎn)后10月的多年平均徑流量下降了64.17億m3.宜昌站10月流量變化及跳躍點(diǎn)見(jiàn)圖3(b).

圖2 寸灘站流量變化及跳躍點(diǎn)Fig.2 Variation and break points of runoffs at Cuntan hydrological station in dry season

圖3 宜昌站流量變化及跳躍點(diǎn)Fig.3 Variation and break points of runoffs at Yichang hydrological station in dry season

4 徑流變化原因分析

徑流情勢(shì)受諸多因素影響,如降水、蒸發(fā)、流域下墊面條件、用水量、水利工程等因素.近50年來(lái),長(zhǎng)江上游流域春、冬季的降水呈上升趨勢(shì),秋季的降水呈下降趨勢(shì)[9-11].降水的變化會(huì)影響水文情勢(shì),使枯水期流量上升,10月流量下降.

20世紀(jì)50年代以來(lái),長(zhǎng)江流域上游相繼修建了大量水利工程(表1).文獻(xiàn)[12]統(tǒng)計(jì)了長(zhǎng)江流域上游修建的庫(kù)容大于1億m3的水庫(kù)的情況,寸灘站上游修建水庫(kù)的總調(diào)節(jié)庫(kù)容為70.94億m3,宜昌站上游修建水庫(kù)的總調(diào)節(jié)庫(kù)容為98.89億m3(未計(jì)三峽調(diào)節(jié)庫(kù)容).若考慮庫(kù)容小于1億m3的水庫(kù),長(zhǎng)江流域上游水庫(kù)的總調(diào)節(jié)庫(kù)容將會(huì)更大.水庫(kù)運(yùn)行后調(diào)蓄作用的發(fā)揮,勢(shì)必會(huì)在一定程度上增加枯水期的徑流量;而汛末水庫(kù)蓄水,會(huì)減少10月的徑流量.以雅礱江二灘水庫(kù)為例,其正常運(yùn)行的2000～2002年,枯水期平均入庫(kù)流量為482m3/s,平均出庫(kù)流量為755m3/s,平均增大273m3/s,調(diào)節(jié)徑流量21億m3.

對(duì)于枯水期流量序列,寸灘、宜昌站的跳躍點(diǎn)均為1989年,而兩站10月月平均流量序列跳躍點(diǎn)也完全一致,都為1991年.枯水期流量序列和10月月平均序列的跳躍點(diǎn)基本吻合,由此可以初步判定,長(zhǎng)江上游流域的水庫(kù)運(yùn)行對(duì)枯水期及10月的流量產(chǎn)生了比較大的影響,流量序列跳躍點(diǎn)的產(chǎn)生主要是由水庫(kù)運(yùn)行引起的.由于長(zhǎng)江上游流域水庫(kù)不是同時(shí)建成運(yùn)行,而且?guī)烊荽笮〔灰?各水庫(kù)對(duì)其所處河流水文情勢(shì)的影響程度也不相同,所以枯水期及10月流量序列的跳躍點(diǎn)并不能確切反映哪個(gè)或哪些水庫(kù)是主要影響因素.但可以認(rèn)為,枯水期及10月流量序列跳躍點(diǎn)的產(chǎn)生主要是長(zhǎng)江上游流域水庫(kù)運(yùn)行對(duì)徑流情勢(shì)影響的累積作用的結(jié)果.

表1 長(zhǎng)江流域上游大型水利工程Table 1 Large water resources projects in the upper reaches of Yangtze River

隨著三峽水庫(kù)、溪洛渡水庫(kù)等大型水利樞紐的興建運(yùn)行,長(zhǎng)江上游枯水期及10月的徑流情勢(shì)會(huì)進(jìn)一步受到影響.長(zhǎng)江上游水庫(kù)對(duì)水文情勢(shì)的影響程度有待于進(jìn)一步研究.降水變化、下墊面條件改變、用水量變化等因素也會(huì)對(duì)枯水期及10月流量序列的跳躍點(diǎn)產(chǎn)生一定影響,但由于資料收集困難,無(wú)法深入分析.

5 結(jié) 論

a.總體來(lái)看,長(zhǎng)江上游寸灘、宜昌站兩站枯水期徑流均呈上升趨勢(shì),其中宜昌站枯水期徑流上升趨勢(shì)的顯著性水平超過(guò)95%置信度;兩站10月徑流均呈下降趨勢(shì),其中寸灘站10月徑流下降趨勢(shì)的顯著性水平超過(guò)95%置信度.

b.寸灘站枯水期流量序列的跳躍點(diǎn)發(fā)生在1989年,枯水期多年平均流量跳躍點(diǎn)后較跳躍點(diǎn)前上升了241m3/s;10月流量序列的跳躍點(diǎn)發(fā)生在1991年,10月多年平均流量跳躍點(diǎn)后較跳躍點(diǎn)前下降了2099m3/s.宜昌站枯水期流量序列的跳躍點(diǎn)發(fā)生在1989年,枯水期多年平均流量跳躍點(diǎn)后較跳躍點(diǎn)前上升了492m3/s;10月流量序列的跳躍點(diǎn)發(fā)生在1991年,10月多年平均流量跳躍點(diǎn)后較跳躍點(diǎn)前下降了2396m3/s.

c.枯水期和10月流量序列的跳躍點(diǎn)基本吻合,由此初步判定,長(zhǎng)江上游流域的水庫(kù)運(yùn)行對(duì)枯水期及10月的流量產(chǎn)生了比較大的影響,流量序列跳躍點(diǎn)的產(chǎn)生可能主要是由水庫(kù)運(yùn)行引起的.

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