1990—2013年湖南四水入洞庭湖汛期徑流量的變化規(guī)律

劉培亮,毛德華,周 慧,2,鄧曉磊

(1.湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,湖南 長沙 410081; 2.湖南省水文水資源勘測局,湖南 長沙 410007)

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1990—2013年湖南四水入洞庭湖汛期徑流量的變化規(guī)律

劉培亮1,毛德華,周 慧1,2,鄧曉磊1

(1.湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,湖南 長沙 410081; 2.湖南省水文水資源勘測局,湖南 長沙 410007)

根據(jù)湖南四水(湘江、資水、沅江、澧水)主要代表水文站1990—2013年汛期月徑流量實(shí)測數(shù)據(jù),應(yīng)用滑動平均法、小波分析法和Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗(yàn)法、分配不均勻系數(shù)和變化幅度等方法和指標(biāo),分析四水流域汛期徑流量的年際和年內(nèi)變化規(guī)律,對汛期內(nèi)分配指標(biāo)與湖南省水旱災(zāi)害狀況進(jìn)行了灰色關(guān)聯(lián)度分析。結(jié)果表明:①湖南四水入洞庭湖汛期徑流量年際分配極不均勻,入湖汛期徑流量呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢。②湘潭站和桃江站的第一主周期均為6 a,桃源站和石門站的第一主周期均為4 a。③桃江站和桃源站分別于2003年和2004年發(fā)生了突變,湘潭站和石門站均未發(fā)生過突變。④四水入湖徑流量在汛期內(nèi)各月之間分配極不均勻,但隨時間的推移,逐漸趨向均勻;汛期內(nèi)各月徑流量呈現(xiàn)波動遞減的趨勢;4站各項(xiàng)分配指標(biāo)值總體上呈現(xiàn)下降的趨勢。⑤四水入湖徑流量汛期內(nèi)分配特征指標(biāo)與流域水旱災(zāi)害的灰色關(guān)聯(lián)度極高,并在一定程度上反應(yīng)流域汛期水旱災(zāi)害情況。

汛期徑流量;水旱災(zāi)害;小波分析;Mann-Kendall;灰色關(guān)聯(lián)度分析;湖南四水

河川徑流量的變化規(guī)律是近幾十年水文水資源學(xué)研究的熱點(diǎn)[1],也是河流水文過程和區(qū)域水資源可持續(xù)利用研究的關(guān)鍵問題[2]。在氣候變化以及人類活動的驅(qū)動下,河川徑流量會發(fā)生年內(nèi)和年際分配的變化,這種變化必然給水資源管理利用、農(nóng)業(yè)以及生態(tài)系統(tǒng)帶來一系列的影響[3-4]。特別是近幾十年來,全球氣溫不斷升高,中國各種極端氣候頻繁出現(xiàn),發(fā)生強(qiáng)降水、洪澇和干旱事件的頻率增加[5],由此帶來的河川徑流量的變化,對經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。

湖南四水(湘江、資水、沅江、澧水)作為湖南省主要河流和長江重要支流,其流域覆蓋湖南省大部分地區(qū),徑流量占洞庭湖入湖徑流量的54.6%。近幾十年來,由于自然因素和人類活動的影響,湖南省水旱災(zāi)害發(fā)生的頻率呈加劇趨勢[6],因此研究四水流域徑流量的變化規(guī)律對整個湖南省和洞庭湖流域的區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。國內(nèi)學(xué)者也紛紛對湖南四水流域或洞庭湖出入徑流的規(guī)律做了大量的探討[7-10],但他們大多是對湖南四水流域或洞庭湖出入徑流的年內(nèi)分配或年際變化規(guī)律進(jìn)行分析,專門針對汛期徑流量變化規(guī)律方面的研究很少。筆者認(rèn)為南方河川徑流量汛期變化特征能夠很好地反映流域內(nèi)的水旱災(zāi)害情況。

湖南省受季風(fēng)環(huán)流和地形因素的影響,年降水集中在4—9月(即汛期),降水量約占全年降水總量的69%,并且以局地性或全省性暴雨形式出現(xiàn),促使山嶺地區(qū)發(fā)生山洪災(zāi)害,并在洞庭湖平原區(qū)匯集成巨大的災(zāi)害性洪水[11]。湖南省農(nóng)業(yè)地域類型屬于水稻種植業(yè)類型,7—9月正值農(nóng)作物需水高峰期,平均氣溫均在35℃以上,而降水量一般只占全年降水量的20%,極易產(chǎn)生夏秋連旱的現(xiàn)象。特別是20世紀(jì)80年代以來,年年水旱災(zāi)害交替演進(jìn)的趨勢日趨明顯[12]。根據(jù)相關(guān)研究成果[13-15],20世紀(jì)90年代,長江流域來水整體偏豐,進(jìn)入21世紀(jì)以來,長江流域來水整體偏枯,而近十多年的來水可能是水文系列“豐枯交替”中的枯水系列,因此,本研究以影響流域水旱災(zāi)害的汛期徑流量為研究對象,采用長江流域河流近期一次“豐枯交替”的時間序列,這對湖南省水資源的開發(fā)和管理、經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展以及水旱災(zāi)害的防治有重要的意義。

利用湖南四水主要水文控制站湘潭站(湘江)、桃江站(資水)、桃源站(沅江)和石門站(澧水)4個水文站1990—2013年24 a汛期(4—9月)月徑流量實(shí)測資料,應(yīng)用5年滑動平均法、小波分析法和Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗(yàn)法,分析四水汛期徑流量的年際變化規(guī)律,同時采用分配不均勻系數(shù)和變化幅度等指標(biāo)分析四水汛期徑流量的年內(nèi)變化規(guī)律,并對這些指標(biāo)與湖南省水旱災(zāi)害狀況進(jìn)行了灰色關(guān)聯(lián)度分析,以期認(rèn)識湖南四水入湖汛期徑流量變化規(guī)律,為流域水資源開發(fā)利用和水旱災(zāi)害的防治提供依據(jù)。

圖1 湖南四水代表性控制站位置

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究以湘潭水文站、桃江水文站、桃源水文站、石門水文站1990—2013年的實(shí)測數(shù)據(jù)作為湖南四水入洞庭湖汛期徑流量變化規(guī)律分析的基礎(chǔ)(圖1),其中長時間序列汛期徑流量數(shù)據(jù)和月徑流量數(shù)據(jù)均來源于湖南省水文水資源勘測局,湖南省水旱災(zāi)害情況來源于各年《湖南統(tǒng)計年鑒》。

1.2 研究方法

1.2.1 徑流年際變化規(guī)律研究方法

a.滑動平均法。當(dāng)時間序列的數(shù)值由于受周期變動和隨機(jī)波動的影響,起伏較大,不易顯示出事件的發(fā)展趨勢時,使用滑動平均法可以消除這些因素的影響,顯示出事件的發(fā)展方向與趨勢(即趨勢線)。具體計算方法參照文獻(xiàn)[16]。

b.小波分析。小波分析是一種時頻窗均可改變、表征信號特征能力的時頻局域化分析方法,借助小波變換的時頻局部化優(yōu)勢可在多時間尺度下尋找周期,具體介紹和方法計算參考文獻(xiàn)[17-18]。

圖2 四水流域汛期徑流量變化趨勢

c.Mann-Kendall(M-K)非參數(shù)趨勢檢驗(yàn)法。 M-K非參數(shù)趨勢檢驗(yàn)法很少受異常值干擾,也不受數(shù)據(jù)分布特征的影響,只要滿足時間序列隨機(jī)獨(dú)立即可,因此被廣泛應(yīng)用于水文和氣象時間序列的變化趨勢分析,具體計算參照文獻(xiàn)[19-20]。

1.2.2 年內(nèi)分配變化規(guī)律研究方法

a.不均勻性。采用不均勻系數(shù)(Cv)和完全調(diào)節(jié)系數(shù)(Cr)來衡量四水汛期內(nèi)各月徑流量分配變化規(guī)律。具體計算方法參照文獻(xiàn)[21],但文獻(xiàn)[21]中分析的是全年徑流量年內(nèi)變化特征,采用12個月份的資料,而筆者分析汛期徑流量,采用4—9月共計6個月的資料,因此對公式進(jìn)行了修改。

徑流量汛期內(nèi)分配不均勻系數(shù)(Cv)計算公式為

(1)

徑流量汛期內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)(Cr)計算公式為

(2)

從公式中可以看出,Cv和Cr值越大,汛期內(nèi)各月徑流量相差越懸殊,汛期內(nèi)徑流量分配越不均勻。

b.變化幅度。采用相對變化幅度和絕對變化幅度兩個指標(biāo)來衡量四水汛期徑流量變化幅度,具體計算方法參照文獻(xiàn)[22]。

1.2.3 徑流量汛期內(nèi)分配特征與水旱災(zāi)害關(guān)系的分析

灰色關(guān)聯(lián)度分析法主要是用灰色系統(tǒng)模型對系統(tǒng)發(fā)展態(tài)勢的相互關(guān)系進(jìn)行分析,實(shí)質(zhì)上是將無限空間問題利用有限數(shù)列取代,其基本思路是根據(jù)曲線間的相似程度來判斷其關(guān)聯(lián)程度,具體計算方法參照文獻(xiàn)[23-24]。

2 結(jié)果分析和討論

2.1 四水流域汛期徑流量年際變化規(guī)律

2.1.1 年際趨勢分析

為分析湖南四水入洞庭湖汛期徑流量年際變化趨勢,分別對流域代表站湘潭站、桃江站、桃源站、石門站的1990—2013年汛期徑流量進(jìn)行了線性趨勢分析和5年的滑動平均處理(圖2)。

從圖2可以看出:線性趨勢線和5年滑動平均曲線均明顯顯示出4站(湘潭站、桃江站、桃源站、石門站)汛期徑流量呈現(xiàn)下降的趨勢,說明湖南四水入洞庭湖汛期徑流量逐漸減少。這主要受近些年四水流域興建的大量水利工程和流域水土保持工程等對汛期徑流量的調(diào)節(jié)所致[7]。從趨勢線方程看出,桃源站遞減速率最快(7.006 1億m3/a),湘潭站次之(4.473 6億m3/a),桃江站緊隨其后(2.957 4億m3/a),石門站最慢(1.346 0億m3/a)。湘潭站和桃江站汛期徑流量隨時間波動變化的趨勢基本一致,桃源站和石門站變化趨勢一致。前兩站相對后兩站的波動頻率和幅度較小,滑動曲線多成“U”字型,后兩站多成“V”字型。湘潭站和桃源站分別在2010年和2004年前后汛期徑流量發(fā)生了較大幅度的變化;湘潭站在2010年前后幾年汛期徑流量均處于平均值之下,而在2010年迅速超過了平均值;桃源站在2004年之后汛期徑流量基本處于平均值之下。這種變化特征主要是受湖南省地形地勢的影響所致。湖南省東、西、南3面山嶺相連,中部多為丘陵和盆地,起伏和緩;北部為平原,地勢低平。從總體上看,全省恰似一個3面高、中部低、朝北部敞開的“馬蹄形”盆地。湘江和資水多流經(jīng)丘陵平原區(qū),而沅江和澧水多流經(jīng)山區(qū),并且沅江和澧水流域位于夏季風(fēng)的迎風(fēng)坡,夏季降水的幅度變化大,導(dǎo)致了這種變化特征的形成。

4站最大汛期徑流量分別出現(xiàn)在1994年、1994年、2002年和1998年,最小汛期徑流量前3站均出現(xiàn)在2011年,石門站出現(xiàn)在2006年;前3站最大汛期徑流量和最小汛期徑流量之間均相差3～4倍,石門站甚至相差8倍,說明1990—2013年湖南四水入湖汛期徑流量的年際變化幅度較大,其年際分配極不均勻。4站汛期徑流量變化曲線基本位于多年平均徑流量之上與之下的變化時間分別是2007年、2003年、2005年和2004年,說明在這個時間點(diǎn)之前四水流域處于豐水期,在這時間之后處于枯水期,而目前正處于枯水期。

2.1.2 小波周期分析

為了分析湖南四水入洞庭湖汛期徑流量的周期變化,分別對流域代表站湘潭站、桃江站、桃源站、石門站的1990—2013年汛期徑流量進(jìn)行了小波周期分析(圖3,圖4)。

從圖3和圖4可以看出:4站汛期徑流量在演化過程中存在多時間尺度特征。對湘潭站來說,在徑流演化過程中存在著3 a、5～6 a、10～16 a和22～24 a的4類尺度的周期變化規(guī)律。其中,在5～6 a時間尺度上出現(xiàn)了5次明顯的豐枯交替振蕩,在2010年處有個明顯的豐水周期;在10～16 a時間尺度上出現(xiàn)了2次振蕩;22～24 a時間尺度上出現(xiàn)了1次振蕩。同時可以看出,5～6 a和10～16 a的豐枯交替較為明顯;10～16 a和22～25 a時間尺度的周期變化具有全局性。從圖4(a)看出:湘潭站在周期上表現(xiàn)出4個很明顯的峰值,依次對應(yīng)著3 a、6 a、15 a和24 a的時間尺度。其中,最大峰值對應(yīng)著6 a的時間尺度,說明6 a左右的周期振蕩最強(qiáng),為湘江汛期徑流變化的第一主周期。

圖3 4站小波系數(shù)等值線圖

圖4 4站小波方差圖

對桃江站來說,在徑流演化過程中存在著2～3 a、6～8 a、12～16 a和20～24 a的4類尺度的周期變化規(guī)律。其中,在6～8 a尺度上出現(xiàn)了豐枯交替的6次振蕩,在1999年處出現(xiàn)了明顯的豐水周期,前后也有很明顯的枯水周期;在12～16 a時間尺度上出現(xiàn)了2次振蕩;在20～24 a時間尺度上出現(xiàn)了1次振蕩。6～8 a和22～24 a的豐枯交替較為明顯,12～16 a和20～24 a時間尺度具有全局性。從圖4(b)看出:桃江站在周期上表現(xiàn)出4個很明顯的峰值,依次對應(yīng)著3 a、6 a、14 a和24 a的時間尺度，其中,最大峰值對應(yīng)著6 a的時間尺度,說明6 a左右的周期振蕩最強(qiáng),為資水汛期徑流變化的第一主周期。

對桃源站來說,在徑流演化過程中存在著4～16 a和22～24 a的2類尺度的周期變化規(guī)律。其中,在4～16 a尺度上出現(xiàn)了豐枯交替的5次振蕩,在2004年處出現(xiàn)了明顯的豐水周期,前后也有很明顯的枯水周期;在22～24 a時間尺度上出現(xiàn)了1次振蕩。4～16 a的豐枯交替較為明顯,2類時間尺度都具有全局性。從圖4(c)看出:桃江站在周期上表現(xiàn)出4個很明顯的峰值,依次對應(yīng)著4 a、8 a、15 a和24 a的時間尺度，其中,最大峰值對應(yīng)著4 a的時間尺度,說明4 a左右的周期振蕩最強(qiáng),為沅江汛期徑流變化的第一主周期。

對石門站來說,在徑流演化過程中存在著4～7 a、7～12 a和20～24 a的3類尺度的周期變化規(guī)律。其中,在4～7 a尺度上出現(xiàn)了豐枯交替的2次振蕩;在7～12 a時間尺度上出現(xiàn)了4次振蕩,在2003年處出現(xiàn)了明顯的豐水周期,前后也有很明顯的枯水周期;在20～24 a時間尺度上出現(xiàn)了1次振蕩。7～12 a的豐枯交替較為明顯,20～24 a時間尺度具有全局性。從圖4(d)看出:石門站在周期上表現(xiàn)出3個很明顯的峰值,依次對應(yīng)著4 a、9 a和24 a的時間尺度，其中,最大峰值對應(yīng)著4 a的時間尺度,說明4 a左右的周期振蕩最強(qiáng),為澧水汛期徑流變化的第一主周期。

湖南四水這些變化周期主要是受集水流域降水的影響，出現(xiàn)11 a和22 a左右的周期變化主要是與本文選取的資料恰好是流域一個“豐—枯”周期有關(guān),即與太陽黑子活動的準(zhǔn)11 a和準(zhǔn)22 a周期相吻合;出現(xiàn)6 a左右的周期則與ENSO事件的5～7 a的準(zhǔn)周期相聯(lián)系;出現(xiàn)2～3 a周期振蕩與平流層大氣環(huán)流的準(zhǔn)2 a周期振蕩(QBO)存在一致性關(guān)系[25]。

2.1.3 突變點(diǎn)分析

為進(jìn)一步分析湖南四水入洞庭湖汛期徑流量年際變化規(guī)律,分別對流域代表站湘江湘潭站、資水桃江站、沅江桃源站和澧水石門站汛期徑流量進(jìn)行了Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)和突變分析(圖5)。

圖5 四水流域汛期徑流量M-K檢測統(tǒng)計值

根據(jù)M-K檢驗(yàn)結(jié)果,湘潭站在2003年之前、桃江站在2000年之前、桃源站在2004年之前和石門站在1995～1999年之間的UF統(tǒng)計量為正值,即這些年份各站汛期徑流量呈現(xiàn)上升趨勢,但均在95%的置信區(qū)間內(nèi),所以增加的趨勢不明顯。4站其他年份UF統(tǒng)計量為負(fù)值,表明這些年份呈現(xiàn)下降的變化趨勢。只有桃江站在2007—2013年和桃源站在2011—2013年突破了95%負(fù)值置信區(qū)間,該時間內(nèi)汛期年徑流量呈現(xiàn)顯著下降趨勢。其他兩站UF統(tǒng)計量均處于95%置信區(qū)間內(nèi)變化,說明該時間內(nèi)汛期年徑流量上升或下降的趨勢不明顯。湘潭站的UF和UB曲線在2003年發(fā)生了相交,但在其后幾年內(nèi)UF曲線均未突破95%置信區(qū)間,說明湘江入湖汛期徑流量未發(fā)生突變。桃江站的UF和UB曲線在2003年發(fā)生了相交,UF曲線隨后在2007年突破了95%置信區(qū)間,說明資水入湖汛期徑流量在2003年發(fā)生了突變。桃源站的UF和UB曲線在2004年發(fā)生了相交,UF曲線隨后在2011年突破了95%置信區(qū)間,說明沅江入湖汛期徑流量在2004年發(fā)生了突變。石門站的UF和UB曲線先后發(fā)生了4次相交,但在其后幾年內(nèi)UF曲線均未突破95%置信區(qū)間,說明,澧水入湖汛期徑流量在1990—2013年間沒有發(fā)生過突變。

從20世紀(jì)90年代以來,四水流域水利水保工程建設(shè)逐漸增多,人類活動對徑流量的干擾的作用逐漸積累加強(qiáng),加之氣候變化，降水減少這另一主導(dǎo)因素的共同作用,資水在2003年發(fā)了突變,沅江在2004年發(fā)生了突變。湘江由于支流多(2 157條),流域面積廣(94 660 km2),并實(shí)行了48個梯級開發(fā),所以入湖汛期徑流量未發(fā)生突變。澧水由于流經(jīng)山區(qū)和20余座大中型水庫的調(diào)節(jié),也未發(fā)生突變。

2.2 四水流域汛期徑流量年內(nèi)變化規(guī)律

2.2.1 汛期徑流量月變化特征

湖南四水屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)河流,夏季降水多,冬季降水少,河流以降水補(bǔ)給為主。受降水條件、蒸發(fā)、流域自然地理特征和人類活動等的影響,四水流域入湖徑流量在汛期內(nèi)各月之間分配極不均勻[7,11]。從湘潭站、桃江站、桃源站和石門站4站汛期內(nèi)各月徑流量變化曲線圖(圖6)可以看出:

圖6 四水流域徑流量汛期內(nèi)各月變化趨勢

總體上,4站各月徑流量呈現(xiàn)波動中遞減的趨勢,其中7月和8月遞減的趨勢比較明顯。各月徑流量的波動變化的幅度不一,其中6月、7月、8月波動幅度較大,特別是7月的最小徑流量和最大徑流量相差最懸殊,年際分配最不均勻;4月徑流量變化曲線與4—9月平均徑流量曲線基本吻合,9月徑流量變化曲線基本位于4—9月平均徑流量曲線之下,可見4月和9月波動幅度較小,年際分配最為均勻,5月次之。24年間,湘潭站月最大徑流量出現(xiàn)在2010年的6月,桃江站最大徑流量出現(xiàn)在1998年6月,桃源站最大徑流量出現(xiàn)在1996年的7月,石門站最大徑流量出現(xiàn)在1991年7月。

從表1統(tǒng)計情況可以看出,4站4—7月徑流量之和均占汛期徑流量之和的78%以上,說明4—7月是湖南四水入洞庭湖的主汛期。其中湘潭站4—5月所占比重最大,但與6—7月的相差不大,為39.96%,其他3站均為6—7月所占比重最大,分別達(dá)到42.95%、48.47%、53.17%。從4站多年平均徑流量來看,近24年湖南四水入洞庭湖年均汛期徑流量的總量為1 186.88億m3,其中湘江占總量的39.31%,資水為13.46%,沅江為39.77%,澧水為7.46%。

表1 四水流域多年平均汛期徑流量分配

2.2.2 徑流量的汛期內(nèi)分配特點(diǎn)

為進(jìn)一步分析1990—2013年湖南四水入洞庭湖的汛期徑流量年內(nèi)變化特征,對流域代表站湘潭站、桃江站、桃源站和石門站的不均勻系數(shù)、完全調(diào)節(jié)系數(shù)、相對變化幅度和絕對變化幅度等指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計,見圖7和表2。

圖7 四水流域流量汛期內(nèi)分配特征指標(biāo)值

表2 四水流域徑流量汛期內(nèi)分配特征多年平均指標(biāo)值

水文站不均勻系數(shù)完全調(diào)節(jié)系數(shù)相對變化幅度絕對變化幅度/億m3湘潭0．520．204．96101．45桃江0．500．194．8135．38桃源0．590．226．05122．62石門0．770．2917．7431．19

從圖7中不均勻系數(shù)和完全調(diào)節(jié)系數(shù)可以看出:4站各自的不均勻系數(shù)和完全調(diào)節(jié)系數(shù)變化趨勢基本相似,湘潭站、桃江站和桃源站之間的不均勻系數(shù)和完全調(diào)節(jié)系數(shù)變化規(guī)律也基本相似,石門站與其他3站相差很大。湘潭站、桃江站和桃源站的不均勻系數(shù)和完全調(diào)節(jié)系數(shù)在1991—1994年、1999—2002年和2006—2009年數(shù)值相對較小,而石門站只是在1994年、2001年和2012年數(shù)值較小,即這些年份徑流量在汛期各月之間的分配較為均勻。從圖7中相對變化幅度和絕對變化幅度可以看出:湘潭站、桃江站和桃源站相對變化幅度值大多在3～10之間變化,波動幅度較為平穩(wěn);石門站有些年份值很小,有些年份相當(dāng)大,甚至超過了50,波動幅度極大。由于四水各自入湖流量的巨大差異,4站絕對變化幅度差別較大,但從波動趨勢來看,湘潭站和桃江站較為相似,沅江和澧水較為相似。

對比圖7中的各個指標(biāo)可以看出:4站各項(xiàng)指標(biāo)波動變化幅度均較大,變化曲線均由多個“V”字組成,說明四水入洞庭湖徑流量汛期內(nèi)分配有些年份極不均勻;4站各項(xiàng)指標(biāo)總體呈現(xiàn)出下降的趨勢,說明四水入洞庭湖徑流量汛期內(nèi)分配隨時間增加逐漸向均勻化轉(zhuǎn)變,這主要是由于隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求,加強(qiáng)了對流域水資源的管理,以及水利工程的建設(shè)等，都使得流域徑流汛期內(nèi)分配趨向于均勻化。

從表2多年平均值和圖6變化曲線來看,不均勻系數(shù)、完全調(diào)節(jié)系數(shù)和相對變化幅度,石門站數(shù)值最高,桃源站次之,湘潭站隨后,桃江站最低,說明石門站的汛期內(nèi)徑流量分配最不均勻,湘潭站和桃江站的最較為均勻。受澧水地形和地勢條件的影響,經(jīng)常產(chǎn)生氣旋雨和鋒面雨,且降雨強(qiáng)度大,在時空分布上也不均勻,加上澧水河流較短,上中游河道坡度陡,洪水暴漲暴落,極易發(fā)生山洪,所以澧水汛期徑流量的汛期內(nèi)分配極不均勻。其他3條河流由于河流較長,流域范圍較大,干流上多較大型水庫和水電站,所以徑流量汛期內(nèi)分配比石門站較為均勻。

2.2.3 徑流量汛期內(nèi)分配特征與水旱災(zāi)害的關(guān)系分析

為分析湖南四水入湖汛期徑流量變化特征與流域的水旱災(zāi)害的關(guān)系,采用湘潭站、桃江站、桃源站和石門站的不均勻系數(shù)、完全調(diào)節(jié)系數(shù)、相對變化幅度和絕對變化幅度等徑流量汛期內(nèi)分配指標(biāo)值與湖南省受水災(zāi)和旱災(zāi)面積進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析,分析結(jié)果見表3。

表3 灰色關(guān)聯(lián)度統(tǒng)計結(jié)果

從表3中可以看出流域的水災(zāi)、旱災(zāi)、水旱災(zāi)害之和狀況與4站的各項(xiàng)分配特征指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度分別均高于0.78、0.81、0.84,說明湖南四水入湖徑流量汛期內(nèi)分配特征指標(biāo)值與流域水旱災(zāi)害的面積關(guān)聯(lián)度極高,變化曲線相似,其中旱災(zāi)比水災(zāi)的關(guān)聯(lián)度高,水旱災(zāi)害之和又比前兩者高,這與南方地區(qū)經(jīng)常發(fā)生的干旱為伏旱有一定的關(guān)系。4站各項(xiàng)指標(biāo)與水旱災(zāi)害的關(guān)聯(lián)度之間的差別大都在0～1.5,說明4者指標(biāo)值的大小一定程度上均能反映流域的水旱災(zāi)害狀況。

從圖7中得到1994年和2012年是湖南四水入洞庭湖徑流量汛期內(nèi)分配較為均勻的年份(4站4項(xiàng)分配指標(biāo)值均較小),這兩年湖南省受水旱災(zāi)害的面積較小,1994年受水旱災(zāi)面積153.393萬hm2,2012年受水旱災(zāi)面積106.462萬hm2。四水入洞庭湖徑流量汛期內(nèi)分配極不均勻的年份(4站4項(xiàng)分配指標(biāo)值均較大)為:1990年、1996年、1998年、2003年、2005年、2010年。經(jīng)查各年《湖南統(tǒng)計年鑒》,1996年、1998年和2010年湖南省出現(xiàn)了較大的洪澇災(zāi)害,1996年受水災(zāi)面積123.666萬hm2,1998年受水災(zāi)面積213.41萬hm2,2010年受水災(zāi)面積201.133萬hm2;1990年和2003年湖南省出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的干旱災(zāi)害,1990年受旱災(zāi)面積148.533萬hm2,2003年受旱災(zāi)面積189.508萬hm2;2005年《湖南統(tǒng)計年鑒》只有水災(zāi)受災(zāi)面積數(shù)據(jù),為59.413萬hm2,無旱災(zāi)受災(zāi)面積數(shù)據(jù),但是4站7—9月的徑流量均不足正常年份的1/2,說明湖南省發(fā)生了嚴(yán)重的旱情。因此,湖南四水入洞庭湖徑流量汛期內(nèi)分配特征能較好地反映當(dāng)年湖南省水旱災(zāi)害情況,如若反映徑流量汛期內(nèi)分配不均勻性的4項(xiàng)指標(biāo)出現(xiàn)異常偏大值情況,說明當(dāng)年發(fā)生水旱災(zāi)害的可能性大。由于缺少湖南省具體的4—9月水旱災(zāi)害情況資料,此結(jié)論有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié) 論

a.1990—2013年湖南四水入洞庭湖汛期徑流量年際分配極不均勻,4站汛期徑流量變化曲線呈現(xiàn)下降的趨勢,湖南四水入湖汛期徑流量逐漸減少。湘潭站和桃江站汛期徑流量的隨時間的波動變化趨勢基本一致,而桃源站和石門站的變化趨勢一致。

b.小波周期分析顯示4站汛期徑流量在演化過程中存在多時間尺度特征。湘潭站的變化周期為3 a、5～6 a、10～16 a和22～24 a,第一主周期為6 a;桃江站的變化周期為2～3 a、6～8 a、12～16 a和20～24 a,第一主周期為6 a;桃源站的變化周期為4～16 a和22～24 a,第一主周期為4 a;石門站的變化周期為4～7 a、7～12 a和20～24 a,第一主周期為4 a。

c.桃江站在2007—2013年和桃源站在2011—2013年年突破了95%負(fù)值置信區(qū)間,該時間內(nèi)汛期年徑流量呈現(xiàn)顯著下降趨勢。其他兩站UF統(tǒng)計量均處于95%置信區(qū)間內(nèi)變化,該時間內(nèi)汛期年徑流量上升或下降的趨勢不明顯。桃江站和桃源站分別于2003年和2004年發(fā)生了突變。湘潭站和石門站沒有發(fā)生過突變。

d.1990—2013年湖南四水入湖徑流量汛期內(nèi)分布極不均勻。4—7月是湖南四水入洞庭湖的主汛期;總體上,4站各月徑流量呈現(xiàn)波動中逐年遞減的趨勢。24 a湖南四水入洞庭湖年平均汛期徑流總量為1186.88億m3,其中湘江占總量的39.31%,資水為13.46%,沅江為39.77%,澧水為7.46%。

e.4站各自的不均勻系數(shù)和完全調(diào)節(jié)系數(shù)變化趨勢基本相似,湘潭站、桃江站和桃源站在1991—1994年、1999—2002年和2006—2009年的徑流量汛期分配較為均勻,而石門站只是在1994年、2001年和2012年的分配較為均勻。湘潭站、桃江站和桃源站相對變化幅度值大都在3～10之間變化,波動幅度較為平穩(wěn);石門站有時超過50,波動幅度極大;石門站汛期內(nèi)分配最不均勻。4站各項(xiàng)指標(biāo)總體呈現(xiàn)下降的趨勢,說明四水入洞庭湖徑流量汛期內(nèi)分配隨時間增加逐漸向均勻化轉(zhuǎn)變。

f.湖南四水入湖徑流量汛期內(nèi)分配特征指標(biāo)與湖南省水旱災(zāi)害的灰色關(guān)聯(lián)度極高。汛期內(nèi)分配特征指標(biāo)能較好反映當(dāng)年流域汛期水旱災(zāi)害情況,如若四水入湖徑流量汛期內(nèi)分配不均勻性的4項(xiàng)指標(biāo)出現(xiàn)異常偏大,則當(dāng)年發(fā)生水旱災(zāi)害的可能性較大。

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·簡訊·

第五屆全國水工抗震防災(zāi)學(xué)術(shù)交流會將在湖北宜昌召開

2015年11月6-8日，第五屆全國水工抗震防災(zāi)學(xué)術(shù)會議將在湖北省宜昌市舉行。會議主辦單位：中國水力發(fā)電工程學(xué)會抗震防災(zāi)專業(yè)委員會；會議承辦單位：三峽大學(xué)，水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，湖北省水力發(fā)電工程學(xué)會；會議協(xié)辦單位：河海大學(xué)，清華大學(xué)，武漢大學(xué)等。

我國是一個多地震國家，目前全國已建或在建的高于百米的大壩數(shù)量已經(jīng)一百多座，一批在建和擬建的200～300 m級戰(zhàn)略性水電工程，規(guī)模巨大、地震烈度高，抗震防災(zāi)成為工程建設(shè)中的關(guān)鍵?？偨Y(jié)水電工程抗震的關(guān)鍵技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)具有重要意義。本次水工抗震防災(zāi)學(xué)術(shù)會議將就水工建筑物抗震設(shè)計、分析理論，地震震后水工建筑物震損調(diào)查、震害分析、災(zāi)害評估及修復(fù)加固，水工結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測與監(jiān)測、健康診斷與鑒定，水庫引發(fā)地震、地震預(yù)測和預(yù)警，水電工程抗震措施、抗震安全評價體系，水工結(jié)構(gòu)工程振動、爆炸與沖擊等關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，進(jìn)行廣泛的交流探討。

(本刊編輯部供稿)

Variation law of runoff in flood seasons into Dongting Lake from Four Rivers in Hunan Province during 1990—2013

LIU Peiliang1, MAO Dehua1, ZHOU Hui1,2, DENG Xiaolei1

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,HunanNormalUniversity,Changsha410081,China;2.HydrologyandWaterResourcesSurveyBureauofHunanProvince,Changsha410007,China)

According to the data of runoff of the Four Rivers(Xiangjiang River, Zishui River, Yuanjiang River, Lishui River) measured by main hydrological station during 1990—2013, we analyze the annual variation law of runoff in flood season of the Four River and conduct a gray correlation degree analysis over the distribution of indicators in the flood season and floods and droughts situation in Hunan Province with the methods of moving average, wavelet analysis, Mann-Kendall mutation test, non-uniformity coefficient and amplitude of variation, etc.The results indicate that: (1) the distribution of inter-annual flood season’s runoff into Dongting Lake from the Four Rivers was quite uneven, while the flood season’s runoff into Dongting Lake presented a trend of decreasing in general.(2) For Xiangtan station and Taojiang station, the first main cycle was 6 years; for Taoyuan station and Shimen station, the first main cycle was 4 years.(3) At Taojiang station and Taoyuan station, mutations occurred in 2003 and 2004, respectively.For Xiangtan station and Shimen station, there had been no mutation.(4) During the flood season, the distribution of runoff into Dongting Lake from the Four Rivers was quite uneven, however, the runoff distribution tended to be even over time.The monthly runoff showed a decreasing trend with fluctuation.As a whole, the indicators from the four stations presented a decreasing trend.(5) The grey correlation degree of the runoff distribution characteristics index value of Four Rivers into Dongting Lake during the flood season and river basin’s flood and drought disasters was extremely high, reflecting the situation of the basin’s flood and drought disasters.

runoff in flood season; flood and drought disasters; wavelet analysis; Mann-Kendall; grey correlation degree analysis; Four Rivers in Hunan Province

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.04.010

教育部2012年高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20124306110009);湖南省重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(2011-001);湖南省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(12JJ2026)

劉培亮(1989—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)樗Y源與水環(huán)境,水旱災(zāi)害。E-mail: lpl198938@163.com

毛德華,教授。E-mail: mdh408122@sohu.com

TV121+.4

A

1004-6933(2015)04-0052-10

2014-11-27 編輯：彭桃英)