烏江流域徑流特征分析

張 莉 ，徐靜波 ，楊 亮 ，楊 華

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)華電工程集團(tuán)，北京 100031；3.中國(guó)水電工程顧問(wèn)集團(tuán)，北京 100120）

烏江是長(zhǎng)江上游南岸最大的一條支流，全長(zhǎng)1037km，流域面積87920km2，是我國(guó)十二大水電基地之一。主干流由上到下現(xiàn)有7座水電站：洪家渡、東風(fēng)、索風(fēng)營(yíng)、烏江渡、構(gòu)皮灘、思林和沙沱站。以烏江渡為界，分為上游4站（洪家渡、東風(fēng)、索風(fēng)營(yíng)、烏江渡），下游3站（構(gòu)皮灘、思林和沙沱）。選取流域7座水電站的代表水文站1951～2007年共56a的年徑流資料采用集中度（期）、Kendall和R/S等方法對(duì)流域徑流年內(nèi)分配、趨勢(shì)性等徑流特征進(jìn)行分析計(jì)算。

1 基于特征定量分析的徑流年內(nèi)分配

傳統(tǒng)的徑流年內(nèi)分配通常采用各月（季）平均徑流占全年徑流總量的百分?jǐn)?shù)及洪、枯水期的相對(duì)數(shù)表示，其特點(diǎn)是直觀、易計(jì)算，在水文分析中廣泛應(yīng)用，為了進(jìn)一步定量分析徑流的年內(nèi)分配特征，湯奇成等[1-2]首先研究徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)、集中度和集中期，之后經(jīng)過(guò)其他學(xué)者的不斷改進(jìn)趨于完善，文獻(xiàn)[3-5]中采用年內(nèi)不均勻系數(shù)、集中度、集中期等不同指標(biāo)對(duì)不同地域徑流的不均勻性、集中程度進(jìn)行分析以揭示徑流年內(nèi)分配特征的變化規(guī)律，其優(yōu)點(diǎn)是能用簡(jiǎn)明的數(shù)據(jù)來(lái)反映年徑流的變化規(guī)律。

徑流年內(nèi)分配的不均勻性通常采用徑流年內(nèi)不均勻系數(shù)Cu和徑流年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)Cr來(lái)標(biāo)度，見(jiàn)公式（1）。

式中 Rx，Ry，R為水平、 垂直方向分量和合成總向量；θi為月徑流向量角度，從1到12月分別為15°，45°，…，345°。

表1 烏江流域洪家渡和構(gòu)皮灘站徑流年內(nèi)分配特征指標(biāo)值

利用以上方法和表1，分別計(jì)算烏江流域上游控制站洪家渡水文站及下游控制站構(gòu)皮灘水文站年內(nèi)不均勻系數(shù)、年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)及集中度（期）等不同指標(biāo)。由表1可知：從徑流年內(nèi)分配的集中性看，洪家渡與構(gòu)皮灘兩站1951～1959年、1990～1999年的Cu、Cr都大于多年平均，說(shuō)明這幾段時(shí)期徑流年內(nèi)分配較不均勻，而1960～1969年、1970～1979年、1980～1989年和2000～2006年的Cu、Cr均小于或等于多年平均，說(shuō)明這段時(shí)內(nèi)徑流的年內(nèi)分配較為均勻。從集中期變化來(lái)看，洪家渡站20世紀(jì)50～90年代徑流集中期基本穩(wěn)定，出現(xiàn)在每年7月15日左右，與多年平均基本一致，2000～2006年，徑流集中期相對(duì)多年平均提前5d；逐年而論，徑流集中期最大值222.6°（1979年），最小值152.7°（1992年），最大最小值出現(xiàn)的時(shí)間相差71d；構(gòu)皮灘站20世紀(jì)50年代集中期較為一致，出現(xiàn)在7月9日左右，70年代集中期較多年平均出現(xiàn)早4d，80年代集中期較多年平均出現(xiàn)遲5d，90年代接近于多年平均，21世紀(jì)初徑流集中期較多年平均提前5～6d；逐年而論，最大徑流發(fā)生時(shí)間有提前的趨勢(shì)；最大值231.6°（1971年），最小值149.4°（1992年），最大最小值出現(xiàn)的時(shí)間相差83d。

上下游徑流分配比較分析。由表1中可以看出，構(gòu)皮灘站的不均勻性通常都要大于洪家渡站；集中期差別較大，通常情況下構(gòu)皮灘集中期出現(xiàn)時(shí)間要比洪家渡集中期出現(xiàn)時(shí)間提前10d左右；最大值出現(xiàn)年份不同，洪家渡1979年，構(gòu)皮灘1971年，最小值都發(fā)生在1992年。

不論是洪家渡站還是構(gòu)皮灘站，90年代的徑流年內(nèi)分配均出現(xiàn)了較大的變化，具體表現(xiàn)為年內(nèi)分配系數(shù)升高，集中度升高，集中期提前等特性。

2 各站年徑流序列趨勢(shì)分析

年徑流的變化趨勢(shì)反映了徑流演變的總體規(guī)律，決定了水資源的開(kāi)發(fā)和利用[6]。分析徑流時(shí)間序列趨勢(shì)及其狀態(tài)持續(xù)性，可采用Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)[7-8]和R/S分形分析[9-10]的方法來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)分析。Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)可以對(duì)徑流時(shí)間序列的趨勢(shì)變化作出科學(xué)定量的分析，R/S分析能充分反映徑流時(shí)間序列變化趨勢(shì)所具有的狀態(tài)，即具有正持續(xù)性還是反持續(xù)性。

表2 烏江流域各站Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)結(jié)果

由表2可以看到，烏江流域各站Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)在置信水平的情況下，烏江流域各站的年徑流序列趨勢(shì)總體都不明顯，分析其原因在于流域下墊面條件較好，受人類活動(dòng)影響較少，引起趨勢(shì)的主要原因在于水文氣候變化，具體又表現(xiàn)為烏江上游4站呈現(xiàn)不顯著的遞減趨勢(shì)，下游3站表現(xiàn)為不顯著的遞增趨勢(shì)。下游表現(xiàn)為不顯著的遞增趨勢(shì)原因是烏江渡與構(gòu)皮灘之間有較大的支流清水江和湘江的匯入。

圖1 烏江流域洪家渡和構(gòu)皮灘站年徑流R/S分析

由圖1可以看到兩站Hurst指數(shù)均大于0.5，結(jié)合Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)分析結(jié)果可知，洪家渡在未來(lái)一定時(shí)間內(nèi)不顯著遞減的趨勢(shì)將持續(xù)，構(gòu)皮灘在未來(lái)一定時(shí)間內(nèi)不顯著遞增的趨勢(shì)將持續(xù)，可為流域水庫(kù)調(diào)度提供參考依據(jù)。

表3 各站Hurst指數(shù)值

由表3可知流域各站Hurst指數(shù)均大于0.5，均表現(xiàn)出分形特征?？傊?，上游4站不顯著遞減的趨勢(shì)將持續(xù)，下游3站不顯著增加的趨勢(shì)將持續(xù)。

3 結(jié)語(yǔ)

烏江流域各站徑流的年內(nèi)分配汛枯分明且差異較大，年內(nèi)分配極不均勻。表現(xiàn)為上下游不一致的特點(diǎn)。其中，構(gòu)皮灘站的不均勻性、集中度略大于洪家渡站；進(jìn)入90年代，洪家渡站與構(gòu)皮灘站徑流年內(nèi)分配均表現(xiàn)出年內(nèi)分配系數(shù)升高，集中度升高，集中期提前等特性。由于流域下墊面較好，受人類活動(dòng)影響較小，各站的年徑流序列的變化均無(wú)明顯趨勢(shì)；且流域各站年徑流序列具有分形特性，不顯著減小的趨勢(shì)將持續(xù)。

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