衢江水沙變化趨勢分析

宋逸云，黃 峰

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

衢江水沙變化趨勢分析

宋逸云，黃 峰

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

以衢州水文站以上流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，基于衢江衢州水文站1958—2006年徑流量和輸沙量序列，采用Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法、Sen’s坡度檢驗(yàn)法、累加濾波器法與雙累積曲線法，探討近50年來衢江徑流量和輸沙量的變化趨勢以及水沙關(guān)系的變化特征，并分析引起水沙序列變化的可能影響因素。結(jié)果表明：衢江年徑流量無明顯的變化趨勢，而枯水月份(8月至次年1月)的徑流量呈現(xiàn)顯著增大的趨勢，豐水月份中5月的徑流量則呈現(xiàn)減小的趨勢。輸沙量變化趨勢較為明顯，自1980年以來衢江輸沙量呈顯著減小的趨勢。從降水情況、水庫攔沙和水土流失的治理狀況等方面分析了引起衢江水沙變化的原因，提出衢江流域內(nèi)水庫所發(fā)揮的“蓄豐補(bǔ)枯”補(bǔ)水調(diào)節(jié)作用可能造成了徑流量的變化，而水庫建設(shè)與水土保持措施可能是流域輸沙量減小的重要原因。

水沙變化；Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法；Sen’s坡度檢驗(yàn)法；累加濾波器法；雙累積曲線法；趨勢分析；衢江

流域系統(tǒng)是對氣候變化與人類活動(dòng)異常敏感的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，水沙變化是其中最為活躍的部分[1]。因此，徑流量和輸沙量的變化不僅關(guān)系到河流自身的發(fā)展演變，也反映了流域的環(huán)境狀況、水土流失程度及人類活動(dòng)的影響[2-3]。目前，已開展眾多關(guān)于水沙變化特征的研究，但尚未針對衢江流域開展此類研究。衢江流域人口眾多，城鎮(zhèn)密集，近年來，衢江流域內(nèi)氣候降水條件不斷變化，人類活動(dòng)日益頻繁，開展了眾多水利工程與水土保持工程的建設(shè)，影響著衢江流域的水沙變化。因此，研究衢江流域的水沙變化趨勢，有助于衢江流域乃至浙江全省的水資源保護(hù)與生態(tài)環(huán)境建設(shè)[4]。

1 研究區(qū)概況

1.1 流域概況

衢江位于浙江省西部衢州市境內(nèi)，是錢塘江的主要支流，也是錢塘江的源頭之一。衢江流域?qū)Φ乇硭拈_發(fā)利用主要以蓄、引水工程為主，目前已建成大型水庫5座，中型水庫9座，小(一)型水庫73座、小(二)型水庫和山塘約2 100座，總庫容為35.4億m3，部分大中型水庫基本情況列于表1，水庫具體位置見圖1。

圖1 衢江流域示意圖

縣(市、區(qū))序號水庫名稱集雨面積/km2正常水位/m正常庫容/億m3水庫類型開化縣1齊溪水庫182．65288．200．38中型2茅崗水庫30．00301．040．09中型常山縣3芙蓉水庫126．00275．080．08中型4獅子口水庫84．43101．800．09中型5千家排水庫27．00216．600．16中型江山市6碗窯水庫212．50194．242．15大(二)型7峽口水庫399．30237．000．47中型8白水坑水庫330．00348．302．15大(二)型

1.2 衢江流域水沙年內(nèi)分布特征

衢江流域水沙年內(nèi)分布不均，4—7月是產(chǎn)流和產(chǎn)沙的集中時(shí)期。4—7月的多年平均月徑流量之和占全年徑流量的63.47%，其中6月產(chǎn)流占全年的20.66%。由圖2可知，衢江流域月輸沙量與月徑流量年內(nèi)分配基本相對應(yīng)。4—7月的多年平均月輸沙量之和占全年輸沙量的82.01%，其中6月產(chǎn)沙占全年的34.42%，由此可見，輸沙量較徑流量年內(nèi)分布更為集中。

圖2 衢江衢州站1958—2006年水沙年內(nèi)分布情況

2 數(shù)據(jù)情況及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)情況

研究數(shù)據(jù)為衢江流域衢州水文站的月均流量和月均輸沙率，為了方便將輸沙率與流量變化對應(yīng)起來進(jìn)行研究，將時(shí)間序列統(tǒng)一為1958—2006年，數(shù)據(jù)序列完整，無缺失。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法和Sen’s坡度檢驗(yàn)法

Mann-Kendal趨勢檢驗(yàn)法(以下簡稱M-K法)是提取趨勢變化的有效工具，Sen’s坡度檢驗(yàn)法是基于變化斜率的檢測方法。這兩種方法運(yùn)用簡單，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，能很好地處理非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)[5-6]，因此，適用于水文數(shù)據(jù)時(shí)間序列變化的趨勢分析[2-3, 7]。其中M-K法僅能判斷序列變化的整體趨勢，但無法詳細(xì)說明具體變化幅度的大小，因而本文對所有運(yùn)用M-K法并通過95%置信度檢驗(yàn)的序列進(jìn)行Sen’s坡度檢驗(yàn)，展現(xiàn)其具體的變化幅度。

M-K法的基本原理[8-9]是：設(shè)水文序列為x1,x2,…,xn,n為時(shí)間序列的長度。M-K法定義統(tǒng)計(jì)量S：

(1)

式中：xj,xk分別為j,k年相應(yīng)的水文觀測值，且k>j，而

(2)

其方差var(S)及標(biāo)準(zhǔn)化后的統(tǒng)計(jì)量Z分別為

(3)

(4)

式中，Z為正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)量，Z>0表示序列呈上升趨勢，Z<0表示序列呈下降趨勢。

Sen’s坡度檢驗(yàn)法[10-12]的基本原理是：設(shè)水文序列為x1,x2,…,xn,n為時(shí)間序列的長度，其中xj,xk分別為j,k年相應(yīng)的水文觀測值，且k>j，Q表示Sen’s坡度值。

(5)

2.2.2 累加濾波器法

累加濾波器法通過計(jì)算前m年的平均值與全序列段n的平均值的比值，不僅可以通過繪圖直觀展現(xiàn)水沙的整體變化趨勢，還可以反映水沙變化量的大小。相對于M-K法通過數(shù)值直接展現(xiàn)時(shí)間序列下水文要素的變化情況，累加濾波器法可以更詳盡的展現(xiàn)該時(shí)間序列下不同時(shí)段的具體變化趨勢。其計(jì)算公式[2]為

(6)

2.2.3 雙累積曲線法

雙累積曲線通過在直角坐標(biāo)系中繪制同期內(nèi)兩個(gè)變量連續(xù)累計(jì)值的關(guān)系線，檢驗(yàn)兩個(gè)參數(shù)間關(guān)系的一致性與變化。它可用于水文氣象要素一致性的檢驗(yàn)以及該要素變化趨勢與強(qiáng)度的分析[13]。

在應(yīng)用雙累積曲線時(shí)要選擇具有相同的物理成因或成因關(guān)系好的兩個(gè)因素，而河道徑流量與輸沙量則具有密切的因果關(guān)系，在相同的自然條件下二者累積曲線也表現(xiàn)為顯著的直線關(guān)系。因此，在河流水沙關(guān)系研究中，通過建立徑流量與輸沙量雙累積曲線可以分析河流水沙的趨勢性變化[14-15]。

3 結(jié)果與分析

3.1 衢州站徑流變化趨勢

M-K趨勢檢驗(yàn)結(jié)果表明，衢州站年平均徑流量的M-K統(tǒng)計(jì)量Z=1.34，呈正趨勢變化，但低于顯著性α=0.05時(shí)的臨界值1.96，即未通過95%置信度檢驗(yàn)，說明衢江衢州站徑流量年際變化趨勢性不顯著。

圖3為累加濾波器法對1958—2006年衢江衢州站年平均徑流量的分析結(jié)果，反映出1958—2006年衢州站徑流量的累積平均過程。其結(jié)果表明，衢州站徑流量在1958—1967年有明顯波動(dòng)，1968—1977年整體表現(xiàn)為增大趨勢，1978—1990年為波動(dòng)變化，1991—1999年出現(xiàn)短暫的增大變化，2000—2006年整體基本穩(wěn)定，呈現(xiàn)微弱的減小趨勢。但總體上，衢州站年平均徑流量呈現(xiàn)增大趨勢，這與M-K法的趨勢檢驗(yàn)結(jié)果相對一致。

圖3 衢江衢州站1958—2006年年均徑流量累積平均過程曲線

表2為1958—2006年衢江衢州站月平均徑流量M-K趨勢檢驗(yàn)結(jié)果。由表2可見，衢州站各月的平均徑流量變化趨勢較為一致，除5月徑流量呈減小趨勢外，其余各月均呈增大趨勢，其中1、8、9、11、12月平均徑流量呈顯著增大趨勢，通過了95%置信度檢驗(yàn)。對上述各月的月平均徑流量變化情況作Sen’s坡度檢驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。其中，5月為負(fù)Sen’s坡度值，且數(shù)值較大，Q=-0.092億m3/a，而1、8、9、11、12月均為正值，且集中在0.015億m3/a至0.035億m3/a之間，這與M-K法的趨勢檢驗(yàn)結(jié)果相吻合。

3.2 衢州站輸沙變化趨勢

M-K趨勢檢驗(yàn)結(jié)果表明，衢江衢州站年平均輸沙量的M-K統(tǒng)計(jì)量Z=-2.97，呈負(fù)趨勢變化，超過顯著性α=0.05時(shí)的臨界值-1.96，即通過了95%置信度檢驗(yàn)，表示年平均輸沙量序列呈顯著減小趨勢。

表2 衢江衢州站1958—2006年月平均徑流量M-K趨勢檢驗(yàn)結(jié)果

注：*表示在顯著性水平α=0.05下，增大或減小趨勢是顯著的。

圖4 衢江衢州站月平均徑流量變化趨勢分析

圖5為累加濾波器法對1958—2006年衢江衢州站年平均輸沙量的分析結(jié)果，反映出1958—2006年衢州站輸沙量的累積平均過程。由圖5可見，衢州站輸沙量在1958—1967年有明顯波動(dòng)，1968—1976年整體呈增大趨勢，1977—2006年整體呈下降趨勢?？傮w上，衢州站年平均輸沙量呈現(xiàn)較

圖5 衢江衢州站年均輸沙量累積平均過程曲線

為明顯的下降趨勢，這與M-K法的趨勢檢驗(yàn)結(jié)果相對一致。

表3為1958—2006年衢江衢州站月平均輸沙量M-K趨勢檢驗(yàn)結(jié)果。由表3可見，衢州站各月平均輸沙量的變化趨勢一致性較差，其中1、11、12月呈增大趨勢，2—6月呈減小趨勢。對通過95%置信度檢驗(yàn)的年平均輸沙量與1、5月平均輸沙量作Sen’s坡度檢驗(yàn)(結(jié)果用Q表示，單位：億kg/a)，結(jié)果如圖6所示。其中，衢州站年平均輸沙量的Sen’s坡度值為-0.131億kg/a，可見衢江輸沙量不僅減小趨勢顯著，減小幅度也較大。

3.3 徑流量與輸沙量雙累積分析

圖7是衢江衢州站累積年徑流量和累積年輸沙量雙累積曲線。若流域水沙特性發(fā)生系統(tǒng)變化，水沙量雙累積曲線圖上將出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折，即累積曲線斜率明顯變大或變小[16-17]。衢江徑流—輸沙雙累積曲線基本呈一條直線，但在1982年出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，因此將時(shí)間序列劃分為1958—1982年與1983—2006年兩個(gè)階段。圖7中顯示了兩個(gè)階段的線性擬合方程，可見1983—2006年的斜率明顯小于1958—1982年。結(jié)合圖8可知，衢江年均輸沙量的減小幅度明顯大于年均徑流量的變化幅度，這與雙累積曲線整體呈現(xiàn)為向徑流量軸偏轉(zhuǎn)相吻合。

表3 衢江衢州站1958—2006年月平均輸沙量M-K趨勢檢驗(yàn)結(jié)果

注：*表示在顯著性水平α=0.05下，增大或減小趨勢是顯著的。

圖6 衢江衢州站月/年平均輸沙量變化趨勢分析

圖7 衢江衢州站1958—2006年徑流—輸沙雙累積曲線

圖8 衢江衢州站1958—2006年年均徑流量和年均輸沙量累積平均過程曲線

計(jì)算得衢州站1990年代輸沙量為1960年代輸沙量的80.77%，1970年代的68.08%，1980年代的91.49%。如圖8所示，自1977年以來，衢州站年平均輸沙量呈減小趨勢，結(jié)合雙累積曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)——1982年可知，1980年前后為衢江流域輸沙量發(fā)生突變的時(shí)間。

此外，若徑流—輸沙雙累積曲線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，表明除徑流變化外，輸沙量還受其他因素影響[18-19]。如圖7所示，曲線向徑流軸偏轉(zhuǎn)，說明除徑流的變化對輸沙產(chǎn)生影響外，人類活動(dòng)可能導(dǎo)致了衢江輸沙量呈現(xiàn)減小趨勢。

3.4 水沙變化影響因素分析

3.4.1 徑流變化的影響因素分析

由圖2可知衢江流域水沙年內(nèi)分布不均，每年8月至次年1月徑流量明顯較少，其多年平均月徑流量之和僅占全年徑流量的18.29%。M-K法趨勢檢驗(yàn)結(jié)果顯示8—12月徑流量呈顯著增大趨勢，并通過了95%置信度檢驗(yàn)，但8—12月降水量的M-K趨勢檢驗(yàn)結(jié)果并未呈現(xiàn)顯著的變化趨勢(表4)，由此可推測，衢江流域所建設(shè)的水庫群發(fā)揮了補(bǔ)水調(diào)節(jié)的作用，使得枯水月份的徑流量呈增大趨勢。而1月的降水量與徑流量M-K趨勢檢驗(yàn)結(jié)果均呈現(xiàn)顯著增大的趨勢，因此降水量的變化與水庫的補(bǔ)水調(diào)節(jié)作用均可能導(dǎo)致其徑流量的變化。

表4 衢江衢州站1958—2006年月平均徑流量、降水量M-K趨勢檢驗(yàn)結(jié)果

注：*表示在顯著性水平α=0.05下，增大或減小趨勢是顯著的。

由表4可知，5月的降水量與徑流量M-K趨勢檢驗(yàn)結(jié)果一致。由此可推測，降水量的變化可能造成了5月徑流量的變化。此外，每年5月產(chǎn)流量較大，水庫蓄水也可能會(huì)導(dǎo)致其徑流量減小。

3.4.2 輸沙變化的影響因素分析

a. 水庫攔沙。水庫攔沙對輸沙量的影響主要有兩個(gè)方面：①水庫的建設(shè)使庫區(qū)河道流速減慢，泥沙淤積，使得下游河道輸沙量大幅度減??；②水庫將經(jīng)歷相當(dāng)長的時(shí)間才可以達(dá)到?jīng)_淤平衡，在未達(dá)到?jīng)_淤平衡之前，水庫將會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的攔沙效果[20]。

近50年來，衢江流域水庫的修建經(jīng)歷了階段性發(fā)展，已由個(gè)別水庫的修建發(fā)展到梯級式水庫群的建設(shè)，特別是1980年以來眾多大型水庫的建設(shè)，使得水庫攔沙在人類活動(dòng)對河流泥沙的影響中所占的比重越來越大。截至2014年底，衢江流域干支流上已建成5座大型水庫以及眾多中小型水庫，總庫容達(dá)到35.4億m3。眾多水庫調(diào)節(jié)了河流水沙過程，攔蓄了部分徑流和泥沙，使得進(jìn)入下游的輸沙量大大減小。而梯級水庫將永久性地使大量泥沙淤積在庫尾和死庫容內(nèi)，并在長時(shí)間內(nèi)使河流輸沙量減小[21]。因此，衢江流域的輸沙量將在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)減小趨勢。

b. 水土保持措施。自1985年衢州撤地建市后，特別是《中華人民共和國水土保持法》頒布實(shí)施以來，衢州市城區(qū)共新建(改造)水土保持設(shè)施100.52 hm2，綠化覆蓋面積增至4 640 hm2，綠化覆蓋率達(dá)42.46%；城區(qū)水土流失面積不斷減小，目前僅占土地面積的5.22%。伴隨衢州市森林植被的逐步恢復(fù)，其水源涵養(yǎng)功能逐步凸顯，水土流失面積逐年減小，衢江干支流泥沙也明顯減小。

4 結(jié) 論

a. 衢江流域的年平均徑流量無明顯的變化趨勢，但水庫“蓄豐補(bǔ)枯”補(bǔ)水調(diào)節(jié)的作用明顯，使得枯水月份(8月至次年1月)的徑流量呈現(xiàn)顯著增大的趨勢，5月份的徑流量則呈現(xiàn)減小的趨勢。另外，1月、5月降水量與徑流量的變化趨勢較為一致，降水量的變化也可能導(dǎo)致了徑流量的變化。

b. 衢江流域的月輸沙量除1月呈顯著增大趨勢、5月呈顯著減小趨勢外，其余各月均未呈現(xiàn)顯著的變化趨勢。而衢江流域的年輸沙量則呈現(xiàn)顯著減小的趨勢，利用雙累積曲線與累加濾波器法推測突變時(shí)間為1980年前后。

c. 衢江流域輸沙量的變化受人類活動(dòng)影響顯著，特別是1980年前后衢江上游眾多大中型梯級水庫的建設(shè)與投入使用，使支流與干流的來沙被大量攔截，水庫對泥沙的滯淤作用明顯。此外，衢州市自1985年來開展的水土保持措施也是造成衢江流域輸沙量減小的重要因素。

此外，水沙變化受氣候、下墊面狀況變化等多種因素影響，本文僅針對降水情況與人類活動(dòng)兩方面探討了衢江流域水沙變化的可能影響因素。而其他影響因素，如蒸發(fā)量、植被指數(shù)的變化等，對流域水沙變化情況的影響程度如何, 有待進(jìn)一步研究。

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Trend analysis of runoff and sediment load variation in Qujiang River

SONG Yiyun, HUANG Feng

(CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Taking the Qujiang River Basin above the Quzhou Hydrological Station as the study site, the characteristics of the annual runoff and sediment load during the period from 1958 to 2006 were analyzed based on the hydro-data of the Quzhou Hydrological Station. The variation trends and features of runoff and sediment load in the study period were investigated using the Mann-Kendall trend test, Sen’ s slope method, cumulative filter method, and double mass curve method, and the influencing factors were analyzed. The results indicate that there was no significant change in the time series of annual runoff, while the runoff in the dry season (from August to January of the next year) showed a significant increasing trend and the runoff in the flood season (in May) showed a significant decreasing trend. The annual sediment load had shown a significant decreasing trend since 1980. The major factors correlated with the runoff and sediment load changes such as precipitation, sediment detention in reservoirs, and soil conservation were also analyzed. Water replenishing and regulating from the reservoirs in the Qujiang River Basin might cause the changes of runoff. The construction of reservoirs and implementation of soil conservation measures were the main factors that resulted in the decrease of sediment load in the basin.

runoff and sediment load variation; Mann-Kendall trend test; Sen’ s slope method; cumulative filter method; double mass curve method; trend analysis; Qujiang River

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.04.007

國家自然科學(xué)基金(41401011)

宋逸云(1995—)，女，本科生，專業(yè)方向?yàn)樽匀坏乩砼c資源環(huán)境。E-mail：songyiyun95@outlook.com

黃峰，講師，博士。E-mail：hfeng0216@163.com

P33

A

1004-6933(2017)04-0040-07

2016-11-26 編輯：徐 娟)