嘉陵江流域北碚站徑流變化趨勢分析

陳吉琴，宋萌勃

（長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430212）

0 引言

作為水資源最主要的來源，河川徑流是支撐社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境和人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。21世紀(jì)以來，由于全球氣候變化和人類活動(dòng)，特別是經(jīng)濟(jì)發(fā)展、認(rèn)識(shí)能力、科技水平等諸多因素的影響，河川徑流已經(jīng)發(fā)生了很大的變化。目前，包括河川徑流在內(nèi)的水資源安全受到了極大的威脅［1］。一個(gè)流域的水資源多寡狀況，一般采用年平均徑流來表示。因此，研究流域內(nèi)徑流變化趨勢和特征有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，關(guān)于嘉陵江流域徑流趨勢及特征的研究，已經(jīng)進(jìn)行了大量的工作［2～4］。本文的研究工作一方面增加了序列的長度，另一方面也是對前人研究工作的驗(yàn)證，為進(jìn)一步分析嘉陵江流域水資源變化特征打下基礎(chǔ)，以期為流域水資源的分配和調(diào)度提供依據(jù)。

1 研究域概況

嘉陵江是長江水系流域面積最大的一條支流，因流經(jīng)陜西鳳縣東北嘉陵谷而得名。其發(fā)源于陜西省秦嶺山脈代王山南側(cè)東峪溝，干流流經(jīng)陜西省、甘肅省、四川省、重慶市，在重慶市朝天門匯入長江，全長1 120 km，流域面積約16萬km2，占長江流域上游（宜昌以上）集水面積的15.9%［5］。嘉陵江主要支流有：八渡河、西漢水、白龍江、渠江、涪江等。嘉陵江流域廣闊，天然落差約2.3 km，中、上游東側(cè)及渠江上游為大巴山暴雨區(qū)，西側(cè)及涪江上游為鹿頭山、龍門山暴雨區(qū)。渠江和涪江在距嘉陵江匯入長江的匯口以上近100 km處于重慶合川匯入干流［6］。

北碚是嘉陵江流域重要的水文控制站，控制面積為15.6萬km2，多年平均徑流量 880億m3，約占宜昌以上來水量的15%。北碚區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，雨量充沛，有春早、夏熱、秋短、冬遲特征。最高氣溫44.3℃。最低氣溫-3.1℃，年平均氣溫18.2℃。本文主要研究北碚站1943～2011年間徑流變化趨勢及特征。

2 資料選取及研究方法

2．1 資料選取

采用的原始數(shù)據(jù)為嘉陵江流域重要控制水文站北碚站1943～2012年逐月流量資料。對原始數(shù)據(jù)經(jīng)過累加計(jì)算，得出年徑流資料。

2．2 研究方法

采用的分析方法有線性傾向回歸分析法［7］，累積距平分析法［8］，spearman 秩次相關(guān)檢驗(yàn)法［9］，滑動(dòng)平均法和 M-K 方法［10］。

3 北碚站徑流變化趨勢及特征

3．1 線性傾向回歸分析

圖1是北碚站實(shí)測年平均流量的變化過程。從圖1中可以看出，嘉陵江流域北碚站多年平均流量約為2 124.5 m3／s。近70年的實(shí)測年均流量呈現(xiàn)微弱減少趨勢，平均線性遞減率為 5.8 m3／（s·a）；近 20年的多數(shù)年份，年均流量小于多年均值。對1943～2012 年徑流序列，選擇置信水平 α＝0.05，查出 tα／2＝1.994。由計(jì)算得出，北碚站年均徑流序列的秩次相關(guān)值|T|＝|-1.525|＝1.52＜tα／2＝1.994，即接受原假設(shè)：北碚站年徑流的線性傾向值為-5.82，所以序列下降趨勢不顯著，即此流域水資源越來越少。

圖1 北碚站1943～2012年實(shí)測年均流量變化圖Fig.1 Actual-measured annual average flow changes from 1943 to 2012 of Beibei station

3．2 累積距平分析

徑流系列的累積距平曲線是分析和研究徑流變化趨勢和特征的常用方法。從曲線明顯的上下起伏狀況可以判斷，序列長期顯著的演變趨勢和持續(xù)性的變化，甚至可以診斷發(fā)生突變的大概時(shí)間。從左到右，當(dāng)曲線的斜率為正時(shí)，表明距平為正，徑流增加，即連續(xù)豐水期；當(dāng)曲線的斜率為負(fù)時(shí)，表明距平為負(fù)，徑流減少，即為連續(xù)的枯水期；當(dāng)曲線的斜率較為平緩時(shí)，表明距平為零，即為連續(xù)的平水期。坡度越大說明豐（枯）期的程度越劇烈，若呈現(xiàn)長時(shí)期的連續(xù)上升（下降），表明豐水（枯水）期的時(shí)間持續(xù)越長［8］。圖2為北碚站所徑流累積距平曲線圖。

從圖2可以看出，北碚站年徑流量存在比較顯著的豐、枯交替現(xiàn)象，但豐、枯交替周期不同。1943～1968年30年間，屬于豐水期，這期間水資源相當(dāng)豐富，滿足人類生產(chǎn)生活需求。1969～1980年，屬于枯水期，這期間水資源相對較缺乏，但基本滿足人類生存生活需求。這是因?yàn)椋?0世紀(jì)七八十年代，工業(yè)生產(chǎn)需水量很少，生活用水占用比例相對較高。1981～1986 年，屬于豐水期。 1987～1996 年，屬于平水期。1993～2012年，屬于枯水期。這說明，近20年，水資源越來越枯竭。21世紀(jì)，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)各方面快速發(fā)展，需水量越來越多，對水資源的質(zhì)量的要求也越來越高，保護(hù)水資源刻不容緩。經(jīng)過計(jì)算，最終累積值為-34 m3／s，占多年平均值（2125）的 2%，水資源量整體上呈下降趨勢。

3．3 spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法

用spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法分析北碚站徑流量的年際變化趨勢，就是分析徑流序列與時(shí)間的相關(guān)關(guān)系，計(jì)算徑流序列與時(shí)間序列的秩次。選擇置信水平 α＝0.05，查出 tα／2＝1.994。 計(jì)算出北碚站年均徑流序列的秩次相關(guān)值|T|＝1.906＜tα／2＝1.99， 即接受原假設(shè)；經(jīng)對徑流量的spearman移次趨勢分析，序列無明顯變化趨勢。

圖2 北碚站年徑流累積距平曲線圖Fig.2 Annual runoff accumulative anomaly curve of Beibei station

3．4 滑動(dòng)平均法

滑動(dòng)平均法是最基礎(chǔ)的趨勢擬合技術(shù)，相當(dāng)于低通濾波器，用確定時(shí)間序列的平滑值來顯示變化趨勢。其原理是，通過選擇合適的滑動(dòng)年限K值，使序列高頻振蕩的影響得以弱化，據(jù)此研究系列的趨勢變化規(guī)律［9］。本文滑動(dòng)年限分別取10年、15年和20年。根據(jù)嘉陵江北碚站實(shí)測流量資料統(tǒng)計(jì)，10年、15年及20年滑動(dòng)平均線的整體趨勢都呈現(xiàn)較為明顯的下降趨勢，平均線性遞減率分別為 9.6 m3／（s·a），10.0 m3／（s·a）和 9.9 m3／（s·a）。 圖 3 是北碚站 70 年間徑流量的滑動(dòng)平均過程線。

圖3 北碚站1943－2012實(shí)測流量及滑動(dòng)平均過程線Fig.3 Actual-measured flow and slide average hydrograph from 1943 to 2012 of Beibei station

從圖3可以看出，在20世紀(jì)90年代中期以前，滑動(dòng)平均線變化較平穩(wěn)，之后，出現(xiàn)逐步下滑，各滑動(dòng)平均線均在多年平均線以下波動(dòng)，但從2005年以后有上升跡象?？傮w來看，20世紀(jì)90年代以后，嘉陵江北碚站來水量總體偏枯。

3．5 M－K 方法

圖4是Mann-Kendall檢驗(yàn)方法分析的北碚站年均徑流的趨勢統(tǒng)計(jì)變化圖。經(jīng)計(jì)算，嘉陵江流域北碚站年均流量kendall值為-1.83，說明此序列具有下降趨勢，但在95%的置信水平下下降不明顯。

圖4 北碚站1943～2012年實(shí)測年均流量變化趨勢診斷圖Fig.4 Actual-measured annual average flow change trend from 1943 to 2012 of Beibei station

從圖4中可以看出，北碚站徑流在1943～1983年間變化平穩(wěn)，但1984年之后，呈現(xiàn)減少趨勢，尤其在1999年之后，減少趨勢顯著。

對北碚站年徑流進(jìn)行突變檢驗(yàn)。從圖4中可以看出，UF和FB兩條曲線出現(xiàn)5個(gè)交點(diǎn)，并且交點(diǎn)全部在2條臨界線之間，并通過置信水平α＝0.05的檢驗(yàn)。這說明，北碚站年徑流量的趨勢突變點(diǎn)有5個(gè)，對應(yīng)的年份分別是 1976、1980、1981、1982、1983年，即1980年前后，北碚站徑流發(fā)生突變。這可能是由于20世紀(jì)80年代以后，人類活動(dòng)越來越大，范圍也越來越廣，導(dǎo)致下墊面條件發(fā)生了變化，致使徑流發(fā)生突變。

4 結(jié)語

本文依據(jù)嘉陵江流域北碚站長系列徑流資料，選擇5種趨勢性分析的相關(guān)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，研究徑流有無趨勢性變化特征，定量研究人類活動(dòng)對徑流規(guī)律的影響。初步得出如下結(jié)論：

（1）5種統(tǒng)計(jì)方法分析結(jié)果基本一致，都表明北碚站年均徑流序列呈下降趨勢，平均線性遞減率為5.8 m3／（s.a），但總體上下降趨勢不明顯。

（2）經(jīng)過Mann-Kendall突變點(diǎn)分析計(jì)算得出，北碚站年徑流量的趨勢突變點(diǎn)在1980年前后，即20世紀(jì)80年代后，水資源越來越少，尤其20世紀(jì)90年代以后，嘉陵江北碚站來水量總體偏枯。

徑流是降水和下墊面相作用的產(chǎn)物，在下墊面相對穩(wěn)定的前提下，降水與徑流演變規(guī)律保持相對一致，而演變規(guī)律的差異性可表征人類活動(dòng)的影響。嘉陵江流域徑流減少原因可能是，人類活動(dòng)的影響改變了下墊面條件，為此需開展水土保持重點(diǎn)防治工程，以減少水資源的流失。正確評(píng)價(jià)水資源量，合理利用水資源，在保護(hù)中發(fā)展，在發(fā)展中保護(hù)，在利用大自然給人類寶貴財(cái)富的同時(shí)保持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用。

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