長(zhǎng)江流域干流水沙階段性分析(1956～2009年)

王海斌

(陜西省水土保持勘測(cè)規(guī)劃研究所，陜西西安 710004)

長(zhǎng)江流域干流水沙階段性分析(1956～2009年)

王海斌

(陜西省水土保持勘測(cè)規(guī)劃研究所，陜西西安 710004)

由于自然因素和人類活動(dòng)的影響，近年來(lái)長(zhǎng)江水沙過(guò)程發(fā)生了變化，徑流量和輸沙量變化尤為引人關(guān)注。采用Mann－Kendall檢驗(yàn)方法和累積距平方法分析了長(zhǎng)江流域干流屏山站，屏山站，朱沱站，宜昌站，漢口站和大通站(1956～2009年)年徑流和年輸沙量的變化情況。結(jié)果表明，長(zhǎng)江流域年徑流量階段性變化大體上分為，上游:豐－枯－豐3個(gè)階段，中下游無(wú)明顯趨勢(shì)變化。年輸沙量上游:枯－豐－枯－豐－枯共5個(gè)階段，中下游:豐－枯兩個(gè)階段。并且年徑流量在2006年前后發(fā)生明顯突變，年輸沙量除屏山站在1962和2006年發(fā)生突變，朱沱站在2001年出現(xiàn)突變外，其他站點(diǎn)無(wú)明顯突變。

長(zhǎng)江流域;水沙;時(shí)空特征;Mann－Kendall分析

水沙變化是流域系統(tǒng)中最為敏感的一部分，水沙的變化間接地體現(xiàn)了一個(gè)動(dòng)態(tài)流域系統(tǒng)對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的綜合響應(yīng)，這些響應(yīng)表現(xiàn)在水沙時(shí)空特征上，而對(duì)流域水沙的時(shí)空特征分析有助于正確理解其河勢(shì)、河道的變化情況，對(duì)預(yù)測(cè)河道險(xiǎn)情同樣具有一定的積極作用［1］。河川徑流不僅是陸地水循環(huán)與水量平衡的重要組成部分，也是最有價(jià)值和易于開(kāi)發(fā)利用的水資源，地表水資源的數(shù)量主要取決于河川徑流量［2］。一般而言，河川的徑流量和輸沙量會(huì)隨著以年為尺度的季節(jié)變化而呈現(xiàn)出一定的周期性和波動(dòng)性，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法可以更直觀地將這些波動(dòng)和規(guī)律表現(xiàn)出來(lái)，再經(jīng)過(guò)一定的統(tǒng)計(jì)分析手段對(duì)導(dǎo)致這些周期變化的原因闡釋清楚［3］。階段性是描述河流徑流量豐枯變化持續(xù)長(zhǎng)度的主要特征。除了以自然年代為階段的分析外，還常用數(shù)據(jù)系列滑動(dòng)平均值、距平累計(jì)值、Mann－Kendall秩次趨勢(shì)分析法確定躍變點(diǎn)和小波分析等方法，其中距平累計(jì)值法可以靈活的確定階段，在水沙分析中得到廣泛應(yīng)用［4－6］。本文采用距平累計(jì)和Mann－Kendall等分析方法及最新資料，對(duì)長(zhǎng)江干流的徑流和泥沙進(jìn)行綜合分析研究，認(rèn)知規(guī)律，得出長(zhǎng)江水沙的時(shí)空變化特征以及分析引起這些變化的主要原因，為治理長(zhǎng)江提供參考。

1 長(zhǎng)江流域概況

長(zhǎng)江是貫通中國(guó)東西的交通大動(dòng)脈，全長(zhǎng)6 380 km，流域面積180萬(wàn) km2，占中國(guó)陸地面積的18.8%，其支流流域面積1萬(wàn)km2以上的支流有49條，共有通航河道3 600條，占中國(guó)內(nèi)河通航里程的52.6%。流域內(nèi)地貌類型復(fù)雜，其中山地和丘陵占84.7%，平原占11%，呈階梯狀向東降低。本文中選用的5個(gè)干流水文站點(diǎn)屏山、朱沱、宜昌、漢口、大通的集水面積分別是 45.86、69.47、100.55、148.8 和 170.54萬(wàn) km2，其中屏山站和朱沱站屬于長(zhǎng)江的上游，宜昌站和漢口站屬于長(zhǎng)江的中游，大通站屬于長(zhǎng)江的下游。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文選用《中國(guó)河流泥沙公報(bào)》長(zhǎng)江干流，大通，漢口，屏山，宜昌和朱沱等5個(gè)水文控制站1956－2009年的年徑流量和年輸沙量數(shù)據(jù)。

2.2 分析方法

2.2.1 Mann －Kendall法

Mann－Kendall法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，非參數(shù)檢驗(yàn)方法也稱為無(wú)分布檢驗(yàn)。與參數(shù)檢驗(yàn)方法相比，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布規(guī)律，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適合于類型變量和順序變量，計(jì)算也比較簡(jiǎn)便［7］。本研究應(yīng)用Mann－Kendall變點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)，取顯著性檢驗(yàn)水平=0.05，對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)臨界值 C(α)=1.96，對(duì)長(zhǎng)江干流 5 個(gè)水文控制站的徑流和輸沙量進(jìn)行變點(diǎn)分析。

2.2.2 距平累積曲線法

水文要素具有階段性特征?！熬嗥嚼鄯e法”可明顯地顯現(xiàn)水文要素年際變化的階段性。該方法先計(jì)算每年的水文要素距平，然后按年序累加，得到距平累積序列。計(jì)算公式即:

式中:LPi為第i年的距平累積值;Xi為第i年的水文要素值;為某水文要素的多年平均值。根據(jù)距平有正有負(fù)的特點(diǎn)，當(dāng)距平累積持續(xù)增大時(shí)，表明該時(shí)段內(nèi)水文要素值大于平均值;當(dāng)距平累積持續(xù)不變表明時(shí)，該時(shí)段水文要素值等于平均值;當(dāng)距平累積持續(xù)減小時(shí)，表明時(shí)段內(nèi)水文要素值小于平均值。據(jù)此，可以較其他方法更能直觀而準(zhǔn)確地確定水文要素變化的階段性［4］。

3 結(jié)果與分析

3.1 長(zhǎng)江流域干流站點(diǎn)的水沙時(shí)空變化

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江干流5個(gè)站點(diǎn)的年輸沙量距平累計(jì)變化分析可知，大通站、漢口站、宜昌站在研究時(shí)段內(nèi)，輸沙量距平累積曲線(MC－ASL)均大于均值，分別在1985、1991和1991年MC－ASL達(dá)到峰值，而這3個(gè)站的年徑流量距平累積曲線(MC－AR)在這54年里僅發(fā)生微小波動(dòng)，即這3個(gè)水文站基本上都是由一個(gè)豐沙平水期和枯沙平水期兩個(gè)階段組成［8］，不同的是大通站在1956－1985年呈豐沙平水態(tài)勢(shì)，1986－2009年則是其枯沙平水期，而宜昌站和漢口站水沙年際變化大致相同，基本上在1956－1991年是豐沙平水期，1992－2009年是枯沙平水期。朱沱站和屏山站的水沙距平累積曲線變化的波動(dòng)性比較大，水沙的枯豐階段比較多，整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)基本上都可以劃分為5個(gè)階段。朱沱站1956－1970年為豐沙豐水期，1971－1980年為枯沙枯水期，1981－1990年為豐沙平水期，1991－1997年為枯沙枯水期，1998－2009年為枯沙平水期。屏山站1956－1964年為枯沙枯水期，1965－1969年為豐沙豐水期，1970－1983年為枯沙枯水期，1984－1997年為豐沙枯水期，1998－2009年為枯沙豐水期。圖1和圖2分別是長(zhǎng)江上游屏山站和中游漢口站在54年內(nèi)的水沙距平累計(jì)曲線圖，其他站點(diǎn)圖略。

圖1 屏山站徑流量和輸沙量距平累計(jì)曲線

從表1可知，從上游到下游5個(gè)站點(diǎn)的多年徑流量均值明顯地呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，與之前部分研究的結(jié)論一致［9］，徑流量由上游屏山站的1 437.37億噸到下游大通站的8 813.2億 t。各站測(cè)得的多年徑流量最大值出現(xiàn)年份基本都是1998年，最主要的原因就是1998年的洪水自然災(zāi)害事件，只有朱沱站是在1965年;而多年徑流量的最小值出現(xiàn)的年份多是2006年，屏山站是1996年，大通站則是1978年。多年平均輸沙量變化規(guī)律和徑流量的則不盡相同，上游是2.46億 t，到中游宜昌增加到4.35億 t，到下游又略有減小，降為3.89億 t，這和前人研究結(jié)論一致［10］。分析得出的多年輸沙量變化的分布規(guī)律并沒(méi)有呈現(xiàn)單調(diào)遞變趨勢(shì)，而是呈現(xiàn)出不同程度的波動(dòng)，從上游到下游輸沙量最大值先增后減［11］，最小值先減后增?？傊陱搅髁孔畲笾?、最小值以及多年平均徑流量從上游至下游呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，而輸沙量的最大值、最小值以及多年平均輸沙量從上游至下游呈現(xiàn)先增再減、先減再增、先增再減的趨勢(shì)，且最大輸沙量和年平均輸沙量雖然在下游有所降低，卻仍高于上游相應(yīng)的輸沙量值。究其原因，是綜合了自然原因和人類生產(chǎn)活動(dòng)后的綜合結(jié)果［12］，至于各占幾成，有待于進(jìn)一步深入探索研究。

圖2 漢口站徑流量和輸沙量距平累計(jì)曲線

表1 長(zhǎng)江干流5個(gè)水文站點(diǎn)的特征值 億m3、億t

3.2 水沙趨勢(shì)突變點(diǎn)分析

長(zhǎng)江流域5個(gè)水文站在研究時(shí)段內(nèi)年徑流量均存在突變點(diǎn)，其中屏山站和朱沱站的突變點(diǎn)最多(圖3)，分別都出現(xiàn)了四次突變;宜昌和大通站一致在1959年和2006年出現(xiàn)突變點(diǎn)。各站突變點(diǎn)基本集中出現(xiàn)在1959年前后和2006年，表明在這兩年流域內(nèi)徑流量突變存在一致性。盡管各站點(diǎn)在突變時(shí)間上不盡相同，但從△R看，長(zhǎng)江流域徑流量時(shí)間突變點(diǎn)在2006年前后，徑流量均值差最大，說(shuō)明流域徑流量在2006年前后變化最為劇烈。

從長(zhǎng)江流域年輸沙量看，除屏山站在1962年和2006年以及朱沱站在2001年存在突變點(diǎn)外，其他站點(diǎn)突變點(diǎn)均不顯著。也就是說(shuō)，在研究時(shí)段內(nèi)，長(zhǎng)江流域年輸沙量只在上游地區(qū)存在突變點(diǎn)，而中下游地區(qū)年輸沙量不顯著。

圖3 長(zhǎng)江干流水沙Mann－kendall分析圖

表2 長(zhǎng)江干流徑流量和輸沙量突變點(diǎn)

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用Mann－Kendall檢驗(yàn)方法和累積距平方法分析了長(zhǎng)江流域5個(gè)水文站年徑流量和輸沙量的變化情況，結(jié)論如下:

1)研究時(shí)段內(nèi)，宜昌、漢口、大通站的水沙變化的階段性由一個(gè)豐沙平水期和枯沙平水期組成，宜昌和漢口站在1991年前后由豐沙轉(zhuǎn)為枯沙階段，大通站在1985年左右由豐沙轉(zhuǎn)為枯沙階段，且輸沙量的增幅大于徑流量的增幅。位于三峽水庫(kù)上游的屏山站和朱沱站在54年內(nèi)的水沙豐枯階段比較復(fù)雜，大致由5個(gè)水沙豐枯階段組成，屏山站豐枯階段分界年份大致是1964、1969、1984和1997年，朱沱站的豐枯階段分界年份大致是1970、1980、1990和1997年。

2)長(zhǎng)江流域在54年的研究時(shí)段內(nèi)，多年平均徑流量自上游至下游整體上成明顯的增加趨勢(shì)，多年平均輸沙量在整個(gè)河段內(nèi)成先增后減的趨勢(shì)，雖到下游的大通站減至3.89億 t，但仍大于上游的2.46億 t。年徑流量最大值、最小值以及多年平均徑流量從上游至下游呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。輸沙量的最大值、最小值以及多年平均輸沙量從上游至下游呈現(xiàn)先增再減、先減再增的趨勢(shì)，且最大輸沙量和年平均輸沙量相似，雖然在下游降低到6.78億 t，卻仍高于上游的5.01億 t輸沙量。

3)利用Mann－Kendall法對(duì)流域干流的5個(gè)水文站點(diǎn)近54年的徑流量和輸沙量進(jìn)行突變性檢驗(yàn)表明，流域各站點(diǎn)徑流量均存在突變點(diǎn)，突變點(diǎn)自上游至下游逐漸減少，徑流量變化幅度變小，劇烈變化次數(shù)變少，2006年前后發(fā)生明顯突變。年輸沙量突變點(diǎn)自上游至下游同樣表現(xiàn)出逐漸減少的規(guī)律，除屏山站在1962和2006年有2次突變，朱沱站在2001年出現(xiàn)1次突變外，流域中、下游的輸沙量突變不顯著，未發(fā)生輸沙量劇增或劇減的情況。

［1］張強(qiáng)，陳桂亞，姜彤等.近40年來(lái)長(zhǎng)江流域水沙變化趨勢(shì)及可能影響因素探討［J］.長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境.2008，17(2):257－263.

［2］Y.Opoku－ankomah and M.A.Forson.Assessing surface water resources of the south －water and coastal basin systems of Ghana.Hydrological Sciences［J］.1998，43(5):733 －740.

［3］莫莉，穆興民，王勇等.近50多年來(lái)北洛河水沙變化特征及原因分析［J］.泥沙研究.2009，(6):30－36.

［4］穆興民，李靖，王飛，等.黃河天然徑流量年際變化過(guò)程分析［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境.2003，17(2):1－5.

［5］黎坤，江濤，劉德地.北江天然徑流量的變化特征及其影響因素［J］.水文.2005，25(3):20 －25，7.

［6］趙芳芳，徐宗學(xué).黃河州以上氣候要素長(zhǎng)期變化趨勢(shì)和突變特征分析［J］.氣象學(xué)報(bào).2006，64(2):246－255.

［7］魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)［M］.北京:氣象出版社.1999.

［8］府仁壽，虞志英，金繆等.長(zhǎng)江水沙變化發(fā)展趨勢(shì)［J］.水利學(xué)報(bào).2003(11):21－29.

［9］李香萍，楊吉山，陳中原.長(zhǎng)江流域水沙輸移特性［J］.華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2001，(4):88－95.

［10］許炯心.長(zhǎng)江上游不同水沙來(lái)源區(qū)產(chǎn)沙量變化對(duì)宜昌－漢口河段泥沙沖淤量的影響［J］.泥沙研究.2007(1):36－43.

［11］張信寶，文安邦.江上游干流和支流河流泥沙近期變化及其原因［J］.水利學(xué)報(bào).2002(4):56－59.

［12］張強(qiáng)，陳桂亞，許崇等.長(zhǎng)江流域水沙周期特征及可能影響原因［J］.水科學(xué)進(jìn)展.2009，20(1):80 －85.

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1004－1184(2012)03－0150－03

2012－02－15

王海斌(1970－)，男，陜西武功人，工程師，主要從事水土保持及生態(tài)研究工作。