鄱陽(yáng)湖枯水期入湖徑流變化特征分析

彭 薇，霍軍軍，許繼軍

（長(zhǎng)江科學(xué)院水資源綜合利用研究所，武漢 430010）

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鄱陽(yáng)湖枯水期入湖徑流變化特征分析

彭 薇，霍軍軍，許繼軍

（長(zhǎng)江科學(xué)院水資源綜合利用研究所，武漢 430010）

摘 要：依據(jù)1957—2012年鄱陽(yáng)湖流域控制水文站的實(shí)測(cè)資料，運(yùn)用Mann?Kendall檢驗(yàn)法、小波分析方法，對(duì)該時(shí)段內(nèi)枯水期入湖徑流的趨勢(shì)及周期變化特征進(jìn)行分析，分析其變化規(guī)律對(duì)鄱陽(yáng)湖水資源合理利用、水生態(tài)保護(hù)具有重要意義。結(jié)果表明：1957—2012年鄱陽(yáng)湖流域各站點(diǎn)枯水期徑流大致呈增加的趨勢(shì)，平均增加幅度約為0．199／a，且在0．1的顯著水平下，萬(wàn)家埠站、梅港站、虎山站枯水期徑流增加趨勢(shì)顯著；鄱陽(yáng)湖流域各站點(diǎn)的枯水期徑流變化具有較顯著的周期特征，其中21 a為鄱陽(yáng)湖流域枯水期徑流變化主周期，各站點(diǎn)徑流變化還存在5，12，28 a的變化小周期。鄱陽(yáng)湖流域枯水期徑流的周期規(guī)律的研究，為流域水利工程建設(shè)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)及水資源合理利用提供了科學(xué)依據(jù)。關(guān)鍵詞：鄱陽(yáng)湖；枯水期；徑流；Mann?Kendall檢驗(yàn)法；小波分析

1 研究背景

鄱陽(yáng)湖是中國(guó)第1大淡水湖，流域面積約16．22 萬(wàn)km2，年平均徑流量約1 450億m3。贛江、撫河、信江、饒河、修水分別從南、東、西3面向北匯入鄱陽(yáng)湖，湖水經(jīng)由湖口進(jìn)入長(zhǎng)江［1］。

近年來(lái)，鄱陽(yáng)湖枯水位降低、枯水開(kāi)始時(shí)間提前、枯水期延長(zhǎng)、極枯水位頻頻出現(xiàn)。李世勤等［2］利用實(shí)測(cè)資料分析了2006年鄱陽(yáng)湖枯水的成因；葉許春等［3］分析了鄱陽(yáng)湖流域1961—2000年的徑流特征，并計(jì)算了氣候變化和人類活動(dòng)引起的徑流變化值；孫鵬等［4］采用功率譜分析法分析了1955—2005年鄱陽(yáng)湖流域“五河”控制站徑流量與輸沙量的周期特征；閔騫等［5］統(tǒng)計(jì)分析了鄱陽(yáng)湖近60 a來(lái)的枯水特征，并探討了鄱陽(yáng)湖枯水變化原因。鄱陽(yáng)湖水文情勢(shì)變化分析的相關(guān)研究主要集中在降水以及各支流的年徑流變化趨勢(shì)分析以及氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)其影響上，對(duì)枯水期徑流變化趨勢(shì)以及周期的研究較少。

基于此，本文采用鄱陽(yáng)湖流域枯水期入湖徑流的逐日數(shù)據(jù)，運(yùn)用Mann?Kendall檢驗(yàn)法分析枯水期徑流的趨勢(shì)性，利用小波分析法研究流域枯水期徑流的周期規(guī)律，為流域水利工程建設(shè)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)及水資源合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2．1 數(shù) 據(jù)

選取10月至次年3月作為鄱陽(yáng)湖枯水期［6］，采用1957—2012年贛江外洲站、信江梅港站、撫河李家渡站、饒河虎山站、修水萬(wàn)家埠站5個(gè)鄱陽(yáng)湖流域代表水文站的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析，水文站分布情況見(jiàn)圖1。

2．2 趨勢(shì)分析方法

Mann?Kendall檢驗(yàn)法（以下簡(jiǎn)稱M?K法）是Mann于1945年創(chuàng)建的一種時(shí)間序列趨勢(shì)分析方法，后由Kendell（1975年）完善。該方法不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，目前己被廣泛地用來(lái)分析降水、徑流和氣溫等要素時(shí)間序列的趨勢(shì)變化。

設(shè)有一平穩(wěn)序列為xt（t＝1，2，3，…，n），n為序列長(zhǎng)度，M?K法相關(guān)定義為

式中：sign（）為符號(hào)函數(shù)，當(dāng)xj－xi小于、等于、大于0時(shí)，sign（xj－xi）分別為－1，0，1。

當(dāng)n≥10時(shí)，統(tǒng)計(jì)量近似服從正態(tài)分布，其均值和方差分別滿足

E（S）＝0，V（S）＝n（n－1）（2n＋5）／18。（2）

正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)量Z由式（3）計(jì)算，即

其中，變化趨勢(shì)的大小可用Kendall傾斜度β來(lái)表示，其計(jì)算公式為

β＞0，呈增加的趨勢(shì)；β＜0，呈減小的趨勢(shì)。

2．3 周期分析方法

對(duì)于給定的時(shí)間序列f（t）∈L2（R），其連續(xù)小波變換為

式中：Wf（a，b）為小波變換系數(shù)，a，b∈R，a≠0；a為尺度因子，反應(yīng)小波的周期長(zhǎng)度；b為平移因子，反應(yīng)時(shí)間上的平移。

Morlet小波與降水、徑流時(shí)間序列的波形較為接近［7］，本文選取Morlet小波對(duì)徑流序列進(jìn)行小波分析，其函數(shù)表達(dá)式為

ψ（t）＝eiw0t·e－t2／2。（6）

式中：w0為常數(shù)；i為虛數(shù)。

將時(shí)間域上關(guān)于a的所有小波系數(shù)的平方積分，即為小波方差，其計(jì)算公式為

小波方差隨尺度a的變化過(guò)程，稱為小波方差圖，它能反映信號(hào)波動(dòng)的能量隨尺度a的分布，對(duì)應(yīng)峰值處的尺度為該序列的主要時(shí)間尺度。因此，分析小波方差圖，可以確定時(shí)間序列中存在的主周期。

3 鄱陽(yáng)湖枯水期徑流變化特征分析

3．1 趨勢(shì)性分析

利用1957—2012年各站點(diǎn)實(shí)測(cè)資料繪制枯水期入湖徑流變化趨勢(shì)，見(jiàn)圖2。

從圖2中可以看出，各站枯水期入湖徑流量都呈現(xiàn)出豐枯交替的不斷變化，除李家渡站無(wú)明顯變化外，其他站點(diǎn)枯水期入湖徑流均有增加的趨勢(shì)。其中，萬(wàn)家埠站枯水期徑流增加的趨勢(shì)最為顯著，其次為梅港站、虎山站，外洲站枯水期徑流呈微弱的增加趨勢(shì)。

圖2　鄱陽(yáng)湖枯水期入湖徑流變化趨勢(shì)分析Fig．2 Trend analysis of incoming runoff in Poyang Lake in dry season

為進(jìn)一步分析徑流的趨勢(shì)性，利用M?K法對(duì)各站進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　鄱陽(yáng)湖枯水期入湖徑流M?K檢驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of incoming runoff at Poyang Lake in dry season by using Mann?Kendall method

從表1中可以看出，大部分站點(diǎn)徑流變化增加趨勢(shì)顯著。各站點(diǎn)傾斜度介于0．007～0．515，李家渡站最小，外洲站最大，平均增加幅度達(dá)0．199／a。分析M?K統(tǒng)計(jì)量Z可知，在0．1的雙側(cè)檢驗(yàn)顯著水平下（臨界值為1．645），梅港站、虎山站、萬(wàn)家埠站的徑流變化趨勢(shì)通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，這與圖2的結(jié)果是一致的。

3．2 周期性分析

采用MATLAB的小波分析程序?qū)ν庵拚尽⒚犯壅?、李家渡站、虎山站、萬(wàn)家埠站的枯水期徑流進(jìn)行周期分析，繪制小波系數(shù)實(shí)部，見(jiàn)圖3。不同時(shí)間尺度下的小波系數(shù)可以反映徑流該時(shí)間尺度下的變化特征。圖3中實(shí)線表示正值，表示徑流量偏豐狀態(tài)；虛線表示負(fù)值，表示徑流量偏枯狀態(tài)。

圖3　枯水期入湖徑流小波系數(shù)實(shí)部圖Fig．3 Real part of wavelet coefficient of incoming runoff in Poyang Lake in dry season

從圖3中可以看出，枯水期徑流周期變化過(guò)程各站點(diǎn)變化較為一致，大致存在25～32 a，15～24 a，9～14 a，9 a以下4類時(shí)間尺度的周期變化規(guī)律，大尺度的周期變化中嵌套著小尺度的周期變化，圖中所顯示的周期可能只是更大周期的一部分。

在25～32 a的尺度上，入湖徑流經(jīng)歷了豐—枯—豐—枯—豐—枯—豐7個(gè)循環(huán)過(guò)程；15～24 a的尺度上存在枯—豐交替的準(zhǔn)4次震蕩，周期較為清晰，且2011年等值線未閉合，表明未來(lái)幾年枯水期徑流將繼續(xù)偏多的可能性較大。

9～14 a的尺度上，外洲站在20世紀(jì)70年代中期到90年代中期周期震蕩比較活躍；梅港站在20世紀(jì)70年代中期到80年代中期震蕩比較活躍；李家渡站在20世紀(jì)70年代中期到90年代末周期震蕩較活躍；虎山站在20世紀(jì)60年代中期到90年代末周期震蕩較活躍；萬(wàn)家埠站在20世紀(jì)80年代到90年代周期震蕩較活躍。各站徑流均存在多次豐—枯循環(huán)交替。

9 a以下的小時(shí)間尺度，各站點(diǎn)枯水期徑流周期頻率變動(dòng)加快，分布比較零亂，豐枯變化比較劇烈，不同時(shí)間域強(qiáng)弱明顯不同，局部性差異較大。

圖4　鄱陽(yáng)湖枯水期入湖徑流小波方差圖Fig．4 Wavelet variance of incoming runoff in Poyang Lake in dry season

繪制小波方差圖見(jiàn)圖4。從圖4（a）中可以看出，外洲站小波方差圖中存在4個(gè)較為明顯的峰值，依次對(duì)應(yīng)著4，11，21，29 a的時(shí)間尺度。其中，最大峰值對(duì)應(yīng)著21 a的時(shí)間尺度，說(shuō)明外洲站枯水期徑流在21 a的時(shí)間尺度上周期震動(dòng)最強(qiáng)，為第1主周期；29 a時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)著第2峰值，為第2主周期；4 a時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)第3峰值，為第3主周期；11a時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)第4峰值，為第4主周期。

同理分析圖4中的（b）—（e）可得：梅港站枯水期徑流變化存在5，8，12，21，28 a的5個(gè)主周期，其中21 a為第1主周期，5 a為第2主周期，28 a為第3主周期；李家渡站枯水期徑流變化存在5，12，21，29 a的4個(gè)主周期，其中21 a為第1主周期，5 a為第2主周期，12 a為第3主周期；虎山站枯水期徑流變化存在6，8，12，21，28 a的5個(gè)主周期，其中21 a為第1主周期，6 a為第2主周期，12 a為第3主周期；萬(wàn)家埠站枯水期徑流變化存在5，12，21，28 a的4個(gè)主周期，其中21 a為第1主周期，28 a為第2主周期，5 a為第3主周期。

4 結(jié) 論

本文利用Mann?Kendall檢驗(yàn)法分析鄱陽(yáng)湖1957—2012年枯水期入湖徑流的變化趨勢(shì)，并采用Morlet小波分析法分析其變化周期，得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)趨勢(shì)檢驗(yàn)的結(jié)果可知，鄱陽(yáng)湖流域枯水期入湖徑流總體呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，萬(wàn)家埠站、梅港站、虎山站枯水期徑流增加的趨勢(shì)較顯著，李家渡站無(wú)明顯變化。鄱陽(yáng)湖近年來(lái)枯水加劇可能與流域蒸發(fā)加大、下墊面條件改變、湖區(qū)取用水量增多、長(zhǎng)江干流來(lái)水發(fā)生變化相關(guān)。

（2）鄱陽(yáng)湖流域枯水期徑流變化具有多時(shí)間尺度的特征，大尺度的周期嵌套著小尺度的周期，整個(gè)流域周期具有一致性。5，12，21，28 a左右尺度徑流的豐－枯交替變化表現(xiàn)較為清晰，其中第1主周期為21 a。這幾個(gè)周期的波動(dòng)，決定著鄱陽(yáng)湖枯水期徑流在整個(gè)時(shí)間域內(nèi)變化的特性。

（3）時(shí)間尺度不同，徑流所處的豐枯階段也不同。以梅港站為例，在21 a時(shí)間尺度下，枯水期徑流在1961—1968年處于枯水期，但在5 a時(shí)間尺度下，該站枯水徑流存在豐—枯—豐的變化。大時(shí)間尺度下的豐水（枯水）階段包含著更多小時(shí)間尺度的豐、枯水階段。

對(duì)鄱陽(yáng)湖枯水期徑流變化來(lái)說(shuō)，盡管在1957—2012年存在不同時(shí)間尺度的顯著周期特征，但其長(zhǎng)序列的水文規(guī)律仍有待進(jìn)一步分析和探討。隨著鄱陽(yáng)湖枯水的加劇，還需對(duì)徑流與枯水的關(guān)系以及導(dǎo)致鄱陽(yáng)湖枯水加劇的原因進(jìn)行深入研究。

參考文獻(xiàn)：

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［3］ 葉許春，張 奇，劉 健，等．氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)鄱陽(yáng)湖流域徑流變化的影響研究［J］．冰川凍土，2009，31（5）：835－842．

［4］ 孫 鵬，張 強(qiáng)，陳曉宏，等．鄱陽(yáng)湖流域水沙時(shí)空演變特征及其機(jī)理［J］．地理學(xué)報(bào)，2010，65（7）：828－840．

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［6］ 閔 騫．鄱陽(yáng)湖枯水對(duì)水資源利用影響與對(duì)策探討［C］∥華東七省（市）水利學(xué)會(huì)第二十五次學(xué)術(shù)會(huì)議論文集．上海：上海水務(wù)雜志社，2012：221－223．

［7］ 張少文，王文圣，丁 晶，等．黃河天然徑流超長(zhǎng)期變化特性研究［J］．人民黃河，2004，26（8）：10－12．

（編輯：姜小蘭）

Characteristics of Incoming Runoff Variation of Poyang Lake in Dry Season

PENG Wei，HUO Jun?jun，XU Ji?jun
（Water Resources Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：According to runoff data at main hydrological stations in Poyang Lake watershed from 1957 to 2012，we analyze the trend and periodic variation of incoming runoff in dry season by using Mann?Kendall test and wavelet a?nalysis．The variation law is important for us to utilize water resources and protect water ecological environment．Test results show that from 1957 to 2012，runoff of each station shows an increasing trend in dry season，with mean in?creased margin of 0．199 per year，especially for runoffs in Wanjiabu station，Meigang station and Hushan station under significance level of 0．1；furthermore，runoff at each station in Poyang Lake watershed has obvious periodic features，with main period of 21a，as well as other notable periods such as 5a，12a，and 28a．This research offers reference for hydraulic construction，ecological environment protection，and rational utilization of water resources in the watershed．

Key words：Poyang Lake；dry season；runoff；Mann?Kendall test；wavelet analysis

作者簡(jiǎn)介：彭 薇（1989－），女，湖北咸寧人，碩士研究生，主要從事水文水資源研究，（電話）15802797349（電子信箱）pengwei1219＠126．com。

收稿日期：2014－12－22；修回日期：2015－01－27

中圖分類號(hào)：P333

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001－5485（2016）03－0019－04