1982—2014年汀江流域長(zhǎng)汀段水沙演變規(guī)律分析

王振平，汪小欽，林敬蘭，陳善沐

（1.福州大學(xué)a.空間數(shù)據(jù)挖掘和信息共享教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.福建省空間信息工程研究中心，福州 350002；2.福建省水土保持試驗(yàn)站，福州 350003）

1 研究背景

河流的水沙含量是最重要的水文特征參數(shù)之一，也是決定水環(huán)境質(zhì)量的重要因素，它與生態(tài)環(huán)境息息相關(guān)。受全球氣候變化以及水土保持治理等人類活動(dòng)的影響，各地河流的水沙變化特征不一［1］。對(duì)變化環(huán)境下水沙演變規(guī)律的研究，可以為流域水土流失的治理、生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)等提供理論依據(jù)［2］。水沙特性的研究也成為水文學(xué)研究的熱點(diǎn)，目前國內(nèi)外水沙演變規(guī)律的研究通常包括2個(gè)部分：趨勢(shì)性分析（突變分析）、周期性分析［3－6］。趨勢(shì)性分析常用的方法有線性回歸法、有序聚類法、滑動(dòng)平均法、Mann-Kendall檢驗(yàn)法以及R／S重標(biāo)極差法；周期性分析常用的方法有功率譜分析法、最大熵譜分析法、小波分析法。這些方法各有優(yōu)劣，為了便于計(jì)算和結(jié)果分析，本文在趨勢(shì)性分析時(shí)選用累積距平法，這種方法診斷出的突變點(diǎn)較為清晰，可以直接反映不同時(shí)期水沙序列的變化進(jìn)程，同時(shí)避免了近年來廣泛使用的降水量－徑流量雙累計(jì)曲線法（DMC）判斷突變拐點(diǎn)時(shí)人為因素的局限性［7］。而周期性分析時(shí)選用小波分析法，該方法發(fā)展較為成熟，具有明確的水文意義，計(jì)算簡(jiǎn)潔，實(shí)用性好，且結(jié)果準(zhǔn)確全面。

汀江發(fā)源于武夷山南段東南一側(cè)山區(qū)，位于115°59′E—117°10′E，24°28′N—26°02′N之間，全長(zhǎng)220 km，流域面積9 022 km2，是閩西最大的河流。其中，長(zhǎng)汀段河流長(zhǎng)153.7 km，控制著流域上游，徑流量約占全流域的7.40%，輸沙量約占全流域的27.64%。汀江流域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，由于受副高壓控制，降水多集中在3—6月份，夏季多暴雨洪水而且攜帶大量泥沙。境內(nèi)地表覆蓋以森林為主，但因地表的酸性土壤土質(zhì)松散，保水力差，易形成水土流失，屬典型的南方紅壤流失區(qū)。

水沙特性演變規(guī)律分析在我國北方的黃、淮河流域以及中部的長(zhǎng)江流域等大江大河的研究中應(yīng)用較多［8－10］，而在降水更為多變的南方紅壤區(qū)研究中應(yīng)用相對(duì)較少。本文采用累積距平、小波分析等方法對(duì)汀江流域長(zhǎng)汀段1982—2014年的水沙序列的演變規(guī)律進(jìn)行深入分析，揭示汀江上游水沙長(zhǎng)期變化的趨勢(shì)特征和周期特征，以期為規(guī)劃汀江流域水資源的合理開發(fā)利用和管理、乃至為南方紅壤區(qū)水土流失治理提供科學(xué)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

為了分析汀江流域長(zhǎng)汀段水沙變化的特征規(guī)律，本文選取觀音橋水文站1982—2014年逐月的徑流量、輸沙率實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。觀音橋水文站系國家基本站點(diǎn)，位于汀江流域上游的長(zhǎng)汀縣大同鎮(zhèn)黃屋村境內(nèi)，集水面積377 km2。由于該站控制著流域上游，水文觀測(cè)資料時(shí)間序列較長(zhǎng)且較完整，因此選擇該站實(shí)測(cè)徑流量和輸沙率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖1 技術(shù)路線Fig.1 Technology roadmap

2.2 技術(shù)路線與方法

采用累積距平法和小波分析法開展汀江流域長(zhǎng)汀段水沙演變規(guī)律分析，技術(shù)路線如圖1所示。

趨勢(shì)性分析是將原始的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后，再計(jì)算其累積距平，隨后進(jìn)行突變點(diǎn)判斷和趨勢(shì)分析；周期性分析是先用demy 3階小波去除原始數(shù)據(jù)噪聲，然后距平處理后進(jìn)行 Morlet小波變換，隨后進(jìn)行周期分析。

累積距平法是一種直觀判斷趨勢(shì)變化的方法，可以根據(jù)累積距平曲線的波動(dòng)起伏，來判斷和確定長(zhǎng)期的演變趨勢(shì)及變化趨勢(shì)發(fā)生突變的時(shí)間。曲線上升表明水沙序列處于相對(duì)豐水豐沙期，反之則為相對(duì)枯水枯沙期，曲線的拐點(diǎn)即為可能發(fā)生突變的時(shí)刻。

小波分析也叫小波變換，是一種窗口大小固定、但時(shí)間窗和頻率窗都可以改變的時(shí)頻局部化方法。本文采用較為適合水文時(shí)間序列的Morlet小波函數(shù)，進(jìn)行變換后得到小波系數(shù)，其實(shí)部、模方、方差等分別具有不同的水文意義。小波系數(shù)實(shí)部等值線可以反映水文序列在不同時(shí)間尺度上的周期變化及其時(shí)域分布，并能反映出水文序列在時(shí)間上的變化趨勢(shì)。小波系數(shù)實(shí)部為正時(shí)，表征水沙偏多；為負(fù)表征水沙偏少；為零處對(duì)應(yīng)于水沙的平水期。小波系數(shù)模方相當(dāng)于小波能量譜，它可以分析出不同周期的振蕩能量?；叶戎翟酱?、曲線越密集，表示信號(hào)能量越強(qiáng)，反之表示信號(hào)能量越弱。小波方差反映信號(hào)波動(dòng)能量隨時(shí)間尺度變化的分布狀況，根據(jù)小波方差的主要峰值可以確定水文時(shí)間序列中存在的主周期。

3 結(jié)果分析

3.1 水沙量年內(nèi)分配

圖2是觀音橋1982—2014年月平均徑流量和輸沙率的分配情況。從圖2中可以看出：全年的徑流量主要集中在3—6月份，占全年徑流總量的64.49%；輸沙率呈弱雙峰曲線變化，6月份和8月份分別是2個(gè)峰值，主峰值出現(xiàn)在6月份；全年的輸沙率主要集中在3—6月份和8月份，共占全年輸沙總量百分比的89.83%。

圖2 徑流量和輸沙率多年平均逐月過程Fig.2 Changes in average monthly runoff and sediment load

圖3 徑流量和輸沙率年內(nèi)分配不均勻系數(shù)變化情況Fig.3 Changes in the coefficient of non-uniform yearly distribution of runoff and sediment load

3.2 趨勢(shì)性分析

利用累積距平法進(jìn)行徑流量和輸沙率的趨勢(shì)分析，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯?982—2014年間，徑流量與輸沙率的波動(dòng)變化趨勢(shì)較為一致。

3.2.1 徑流趨勢(shì)性分析

從圖4中徑流量累積距平可以看出觀音橋站徑流量存在2個(gè)拐點(diǎn)：1991年和2000年。1982—1991年，徑流量累積距平不斷下降，表明徑流量在此期間呈減少趨勢(shì)；1991—2000年，徑流量累積距平不斷上升，表明徑流量逐漸增多；2000—2014年，徑流量累積距平又開始下降，表明徑流量又呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。從圖4還可以看出徑流量存在明顯的豐水期和枯水期，1982—1986年和1995—2014年為顯著的豐水期，1987—1994年為枯水期。

圖4 徑流量和輸沙率累積距平曲線Fig.4 Curves of accumulation anomaly of runoff and sediment load

圖4 顯示觀音橋站徑流量經(jīng)歷了5次顯著的波動(dòng)變化階段：①1982—1984年為振蕩期；②1985—1991年為急劇下降期，1985年是下降的一個(gè)突變點(diǎn)；③1992—2000年為急劇上升期，其中1994年、1996年稍有回落，1991年為上升的一個(gè)突變點(diǎn)；④2001—2009年為平緩下降期，2000年是下降的又一個(gè)突變點(diǎn)；⑤2010—2014年為振蕩期。

3.2.2 輸沙趨勢(shì)性分析

從圖4可以看出輸沙率的拐點(diǎn)也是1991年和2000年。1982—1991年，輸沙率累積距平不斷下降，表明輸沙率在此期間呈減少趨勢(shì)；1991—2000年，輸沙率累積距平不斷上升，表明輸沙率呈逐漸增多趨勢(shì)；2000—2014年，輸沙率累積距平又開始下降，表明輸沙序列又呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。輸沙率在整個(gè)時(shí)間域上也存在明顯的豐沙期和枯沙期，1982—1986年和1995—2014年為顯著的豐沙期，1987—1994年為枯沙期。

圖4顯示輸沙率經(jīng)歷了4次顯著的波動(dòng)變化階段：①1982—1984年為相對(duì)平穩(wěn)期；②1985—1991年為緩慢下降期，其中1987年、1990年稍有回升；③1992—2000年為急劇上升期，其中1994年、1999年稍有回落，1991年為上升的突變點(diǎn)；④2001—2014年為緩慢下降期，其中2005年、2002年稍有回升，2000年為下降的突變點(diǎn)。

在時(shí)間序列上，徑流量和輸沙率有相同的突變拐點(diǎn)，且變化趨勢(shì)大體相同，其原因可能與流域內(nèi)降雨等自然因素及當(dāng)時(shí)水土保持治理工程的實(shí)施有關(guān)。

3.3 周期性分析

采用Morlet小波對(duì)觀音橋站實(shí)測(cè)的逐月徑流和輸沙數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到徑流量和輸沙率小波分析的過程圖，分別如圖5和圖6所示。

圖5 徑流量小波分析Fig.5 Wavelet analysis of runoff

3.3.1 徑流量主周期分析

圖5（a）顯示觀音橋徑流量存在2類周期變化：①42～46月尺度，以44月為振蕩中心，徑流量在整個(gè)時(shí)間域上出現(xiàn)豐枯交替的準(zhǔn)25次振蕩，徑流量小波系數(shù)實(shí)部等值線在2006年以后密度加大，說明其波動(dòng)程度加??；②18～22月尺度，嵌套于42～46月大尺度變化中，以20月為振蕩中心，徑流量出現(xiàn)豐枯交替的準(zhǔn)13次振蕩。

從圖5（b）可以看出自上而下主要分布有2個(gè)能量振蕩集中區(qū)：①38～46月的時(shí)間尺度信號(hào)振蕩區(qū)，基本橫貫整個(gè)時(shí)間序列，振蕩中心集中在2009—2013年期間；②18～24月的時(shí)間尺度信號(hào)振蕩區(qū)，主要發(fā)生在 1982—1984年、2001—2004年間，其中1982—1984年間信號(hào)能量較強(qiáng)。

小波方差分析結(jié)果（圖5（c））顯示觀音橋站徑流量變化的主周期依次為44月、20月，第一主周期為44月，與小波的實(shí)部等值線圖相互印證。

圖5（d）為徑流量序列第一主周期小波系數(shù)實(shí)部過程圖，其顯示44月的時(shí)間尺度變化過程貫穿于整個(gè)時(shí)間域，經(jīng)歷了約14個(gè)周期的變化。前6個(gè)周期波幅相對(duì)平穩(wěn)，第7—第10個(gè)周期波幅明顯減弱，隨后的4個(gè)周期波幅逐漸增強(qiáng)，表明該時(shí)段內(nèi)徑流量變化受主周期的影響相對(duì)較強(qiáng)。在33 a的時(shí)間域內(nèi)，有14個(gè)時(shí)段的小波實(shí)部相位為正，表示徑流量偏多期；13個(gè)時(shí)段的小波實(shí)部相位為負(fù)，表示徑流量偏少期。

3.3.2 輸沙率主周期分析

圖6（a）為輸沙率的小波系數(shù)實(shí)部等值線圖，其變化顯示觀音橋輸沙率存在5類周期變化：①38～46月尺度，以44月為振蕩中心，在1991—1998年以及2006—2014年輸沙率出現(xiàn)豐枯交替的準(zhǔn)13次振蕩；②24～28月尺度，以26月為振蕩中心，輸沙率在1991—1998年出現(xiàn)準(zhǔn)9次振蕩；③16～20月尺度，以18月為振蕩中心，輸沙率在整個(gè)時(shí)間域上出現(xiàn)準(zhǔn)34次振蕩；④6～12月尺度，以9月為振蕩中心，存在準(zhǔn)4次振蕩，是16～20月尺度周期自20世紀(jì)90年代后期振蕩中心下移后分化而成，于1999年以后該周期變化趨勢(shì)消失；⑤4～8月尺度，以5月為中心，輸沙率出現(xiàn)準(zhǔn)6次振蕩。

從輸沙率模方等值線（圖6（b））可以看出自上而下主要分布有2個(gè)能量振蕩集中區(qū)：①18～24月時(shí)間尺度信號(hào)振蕩區(qū)，主要集中在20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初；②3～8月時(shí)間尺度信號(hào)振蕩區(qū)，主要發(fā)生在 1992—1993年、1995—1998年間，其中以1995—1998年信號(hào)能量較強(qiáng)。

觀音橋站輸沙率序列的小波方差分析結(jié)果（圖6（c））顯示其主周期依次為18，44，26，9，5月，第一主周期為18月，其中44月的主周期和徑流量相同，表明水沙變化在一定程度上具有周期上的同步性。

圖6 輸沙率小波分析Fig.6 Wavelet analysis of sediment load

圖6 （d）為輸沙率序列第一主周期小波系數(shù)實(shí)部過程圖，從中可以看出1982—2014年間輸沙率序列在18月尺度上經(jīng)歷了約33個(gè)周期的變化，1982—1997年振幅逐漸增強(qiáng)，隨后急劇衰減，而后趨于平穩(wěn)。在整個(gè)時(shí)間域上出現(xiàn)33個(gè)輸沙率偏多期，33個(gè)輸沙率偏少期。與徑流量變化周期的鋸齒狀分布不同，輸沙率變化周期都較為平滑。

綜上分析，月徑流量和輸沙率序列豐枯交替變化，同時(shí)間尺度之間存在密切聯(lián)系，不同時(shí)間尺度反映出不同的特性。

4 討論與結(jié)論

本文采用累積距平、小波分析等方法對(duì)觀音橋站近33 a徑流量和輸沙率進(jìn)行深入分析，得到如下結(jié)論：

（1）水沙年內(nèi)分配不均勻，豐枯交替振蕩顯著，徑流量主要集中在3—6月份。輸沙率呈弱雙峰曲線變化，2個(gè)峰值分別出現(xiàn)在6月份和8月份，輸沙率主要集中在3—6月份及8月份。

（2）徑流量和輸沙率發(fā)生突變的拐點(diǎn)均為1991年和2000年，1982—1991年水沙呈減少趨勢(shì)，1992—2000年水沙呈增加趨勢(shì)，2001—2014年水沙又呈下降趨勢(shì)。預(yù)測(cè)未來幾年水沙也呈下降的趨勢(shì)，這可能與氣候變暖導(dǎo)致流域蒸發(fā)加大、人類活動(dòng)導(dǎo)致下墊面條件發(fā)生改變有關(guān)。

（3）觀音橋站的水沙序列具有多時(shí)間尺度特征，徑流量的主周期有44月和20月，第一主周期為44月。輸沙率主周期有 18，44，26，9，5月，第一主周期為18月，其中主周期為44月的輸沙率和徑流量具有一定同步性，其原因需進(jìn)一步探究。輸沙率的變化周期更為復(fù)雜，因其受人類活動(dòng)影響更大。

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