變化環(huán)境下南渡江干流徑流特征分析及變化趨勢(shì)研究

陳曉璐，林建海

(1.海南省水文水資源勘測(cè)局，海南 海口 570203；2.海南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，海南 海口 570203)

徑流過程是水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，是流域水量平衡方程的重要組成部分。因此，分析徑流特征、研究徑流變化規(guī)律，對(duì)掌握流域地表水資源量、合理開發(fā)利用水資源具有重要現(xiàn)實(shí)意義[1]。南渡江流域位于海南省北部，行政區(qū)劃涉及?？?、文昌等9個(gè)市、縣，是海南省重要的經(jīng)濟(jì)中心、工業(yè)基地和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地。然而，現(xiàn)有對(duì)南渡江流域的研究，多集中在生態(tài)環(huán)境方面[2-6]。如2018年，余梵冬等基于魚類生物完整性指數(shù)IBI構(gòu)建了兩套評(píng)價(jià)體系，分別評(píng)價(jià)了南渡江的局部健康狀況及其與歷史的差異[7]；2016年，許棟等在求解河流二維淺水方程的基礎(chǔ)上，構(gòu)建水生態(tài)動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，探討浮游植物、浮游動(dòng)物等生物量信息隨空間和流量的變化趨勢(shì)[8]；2014年，劉賢詞等通過對(duì)南渡江的生態(tài)環(huán)境調(diào)查，提出流域管理和保護(hù)對(duì)策[9]。而對(duì)南渡江徑流特征分析和時(shí)序變化研究的成果少有報(bào)道。本文在海南省實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的背景下，對(duì)南渡江干流的徑流特征及變化趨勢(shì)進(jìn)行分析研究，為南渡江流域的經(jīng)濟(jì)中心、工農(nóng)業(yè)基地的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源的需求及南渡江流域綜合規(guī)劃提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 流域概況

南渡江是海南島第一大河流，流域位于東經(jīng)109°12′～110°35′、北緯18°56′～20°05′之間，呈狹長(zhǎng)形。干流發(fā)源于白沙縣南峰山，地勢(shì)西南高東北低，流經(jīng)白沙、瓊中、儋州、澄邁、屯昌、定安、瓊山至海口市三聯(lián)村匯入瓊州海峽，支流伸展到臨高、文昌等市縣。干流全長(zhǎng)334 km，流域面積7 033 km2，占海南島總面積的20.6%。干流總落差703 m，平均坡降0.72‰，流域平均寬度21 km。流域內(nèi)氣候溫和，雨量充沛，臺(tái)風(fēng)頻繁。降雨量自上游向下游遞減，南部多于北部。5—10月為雨季，降雨量占全年降雨量的85%，臺(tái)風(fēng)帶來暴雨致使中下游兩岸平原地區(qū)洪水泛濫；11月至次年4月為旱季，降雨量?jī)H占全年的15%，常發(fā)生春旱。

1.2 水文測(cè)站分布情況

1954年，南渡江干流上設(shè)立龍?zhí)琳?，興建松濤水庫后，1959年先后在入庫的干流上設(shè)立福才水文站及庫區(qū)南豐水文站，至2015年設(shè)立邁灣水利樞紐工程臨時(shí)水文觀測(cè)站。各站點(diǎn)信息見表1，分布情況見圖1。

1.3 數(shù)據(jù)選用

本次研究，選用南渡江干流上水文站點(diǎn)的徑流長(zhǎng)序列資料?？紤]到南渡江邁灣站為工程臨時(shí)觀測(cè)站，設(shè)站時(shí)間短，水文序列不足30 a，不具有代表性，不足以支撐研究成果；而松濤水庫(南豐)站整理成冊(cè)的僅有1966、1987、1993年3 a的徑流資料，故本次研究不采用以上兩站點(diǎn)數(shù)據(jù)，僅選用福才及龍?zhí)琳?個(gè)站點(diǎn)。且福才站與龍?zhí)琳痉謱倌隙山闪鞯纳舷掠危?個(gè)站點(diǎn)間的徑流變化，可大致表征變化環(huán)境下南渡江流域的徑流演變情況。

表1 南渡江干流各水文站點(diǎn)信息

圖1 南渡江干流水文站點(diǎn)分布

綜上，本次研究選取福才及龍?zhí)?個(gè)站點(diǎn)1959—2018年逐月的實(shí)測(cè)徑流資料，經(jīng)整理后形成1959—2018年共計(jì)60 a的年均徑流長(zhǎng)序列。

2 研究方法

本次研究采用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)南渡江干流福才、龍?zhí)?站點(diǎn)的徑流年內(nèi)分配、年際變化及不同年代年均徑流的變化進(jìn)行分析，選用皮爾遜Ⅲ型(P-Ⅲ型)分布[10-12]適配經(jīng)驗(yàn)頻率曲線，并計(jì)算極值概率。最后選用Mann-Kendall法[13-17]對(duì)年均徑流變化的趨勢(shì)和突變進(jìn)行研究分析，并用滑動(dòng)t-檢驗(yàn)[13,17,20]對(duì)突變結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.1 皮爾遜Ⅲ型(P-Ⅲ型)分布

英國生物學(xué)家皮爾遜通過很多資料的分析研究，提出一種概括性的曲線族，包括13種分布曲線，其中第Ⅲ型曲線被引入水文計(jì)算中，成為當(dāng)前水文計(jì)算中常用的頻率曲線。

皮爾遜Ⅲ型(P-Ⅲ型)曲線是一條一端有限一端無限的不對(duì)稱單封曲線，數(shù)學(xué)上稱為三參數(shù)伽瑪分布，其概率密度函數(shù)為：

(1)

式中Γ(α)——α的伽瑪函數(shù)；α、β、a0——P-Ⅲ型分布的形狀、尺度和位置參數(shù)，α>0，β>0。

(2)

(3)

(4)

2.2 Mann-Kendall法[17-18]

在時(shí)間序列趨勢(shì)分析中,Mann-Kendall法是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法, 最初由Mann 和Kendall 提出。近年來，Mann-Kendall法不斷被越來越多的學(xué)者應(yīng)用在降水、徑流、氣溫和水質(zhì)等要素時(shí)間序列的趨勢(shì)變化分析中，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，檢測(cè)范圍廣，定量化程度高，適用于水文、氣象等非正態(tài)分布的類型變量和順序變量，計(jì)算也比較簡(jiǎn)便。

2.3 滑動(dòng)t-檢驗(yàn)

計(jì)算過程中采用滑動(dòng)的方法連續(xù)設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)，依次按上式計(jì)算統(tǒng)計(jì)量t值。由于進(jìn)行滑動(dòng)的連續(xù)計(jì)算，可得到統(tǒng)計(jì)量序列ti,i=1,2,…,n-(n1+n2)+1。

其中

(6)

計(jì)算得到的t值服從ν=n1+n2-2的t分布。

基準(zhǔn)點(diǎn)前后兩子序列的長(zhǎng)度一般取相同長(zhǎng)度，即n1=n2。給定顯著性水平α，查t分布表得到臨界值tα,若|ti|

3 研究成果

3.1 徑流特征分析

3.1.1徑流的年內(nèi)分配

受季風(fēng)氣候影響，南渡江流域全年徑流相對(duì)集中，出現(xiàn)顯著的干、濕兩季。由圖2可知，最大月平均流量出現(xiàn)在10月，其徑流量占全年徑流總量的23.72%(福才站)、21.65%(龍?zhí)琳?；最小月平均流量出現(xiàn)在3月，其徑流量占全年徑流總量的1.12%(福才站)、2.34%(龍?zhí)琳?。兩站最大月及最小月徑流量占全年徑流總量的比重基本一致。

圖2 福才、龍?zhí)琳驹缕骄髁?/p>

月平均流量的豐枯比為21.09(福才站)、9.25(龍?zhí)琳?。由此可見，在年內(nèi)分配方面，龍?zhí)琳镜脑戮髁糠植驾^福才站更均勻，變化幅度更小。汛期(5—10月)，福才站徑流量占全年徑流總量的82.85%，與南渡江雨季(5—10月)降雨量占全年降雨量的85%的分配趨勢(shì)基本相符。龍?zhí)琳?—10月的徑流量占全年徑流總量的76.29%，與福才站的雨季降雨量比重稍有差異。

3.1.2徑流的年際變化

由圖3可知，整體來看，福才、龍?zhí)羶烧军c(diǎn)自1959年以來年均流量均有微略下降趨勢(shì)。其中，福才站年均流量趨勢(shì)線y=-0.0184x+16.112，龍?zhí)琳灸昃髁口厔?shì)線y=-0.1316x+182.92，可見福才站的年均流量下降趨勢(shì)大于龍?zhí)琳尽?/p>

圖3 福才、龍?zhí)琳?959—2018年均流量

在年際分布方面，福才站年均流量的最大值出現(xiàn)在1964年，為34.39 m3/s；最小值出現(xiàn)在1969年，為3.73 m3/s；年均流量豐枯比為9.22。龍?zhí)琳灸昃髁康淖畲笾党霈F(xiàn)在1973年，為294.33 m3/s；最小值出現(xiàn)在2015年，為70.49 m3/s；年均流量豐枯比為4.18。由此可知，受福才-龍?zhí)羺^(qū)間變化環(huán)境及人類活動(dòng)的影響，龍?zhí)琳玖髁康哪觌H分布較福才站更均勻，變化幅度更小。

對(duì)兩站點(diǎn)年均徑流資料由大至小進(jìn)行排頻。在福才站年均徑流最大值的1964年，龍?zhí)琳鞠鄳?yīng)年均流量為292.59 m3/s，頻率為3.28%，屬長(zhǎng)系列資料中第二大值。在龍?zhí)琳灸昃髁孔畲笾档?973年，福才站相應(yīng)年均流量為31.84 m3/s，頻率為3.28%，屬長(zhǎng)系列資料中第二大值?？梢娫谧畲笾捣矫妫２耪九c龍?zhí)琳净驹谙嗤哪攴堇锍尸F(xiàn)相同的徑流極值變化規(guī)律。這是由于在豐水年，上游來水多，上游來水與福才-龍?zhí)羺^(qū)間的來水總量能充分滿足區(qū)間內(nèi)的用水需求，故留在河道里的沒有被利用的水量，隨著上游來水的增多而增多。而在福才站年均流量最小值出現(xiàn)的1969年，龍?zhí)琳鞠鄳?yīng)年均流量為91.19 m3/s，頻率為90.16%。在龍?zhí)琳灸昃髁孔钚≈档?015年，福才站相應(yīng)年均流量為4.70 m3/s，頻率為96.72%。這是由于在枯水年，上游來水少，上游來水與福才-龍?zhí)羺^(qū)間的來水總量無法滿足區(qū)間的用水需求，需要用區(qū)間水庫進(jìn)行用水調(diào)蓄，因而在留在河道里沒有被利用的水量與上游來水的水量變化存在差異。

3.1.3不同年代年均流量的變化

將福才、龍?zhí)羶烧镜拈L(zhǎng)序列資料按1959—1969、1970—1979、1980—1989、1990—1999、2000—2009、2010—2018年劃分為6個(gè)年代，分別統(tǒng)計(jì)各年代年均流量，得到圖4，并分別與兩站多年平均(1959—2018年)流量相比較。

圖4 不同年代福才、龍?zhí)琳灸昃髁?/p>

在6個(gè)年代中，福才站與龍?zhí)琳境尸F(xiàn)了完全一致的徑流變化規(guī)律。年均流量的最大值均出現(xiàn)在1970—1979年，福才站為18.55 m3/s，龍?zhí)琳緸?95.89 m3/s；最小值出現(xiàn)在1990—1999年，福才站為13.97 m3/s，龍?zhí)琳緸?69.40 m3/s。由此可推證，自1959年來，20世紀(jì)70年代南渡江流域徑流最為豐沛，而20世紀(jì)90年代南渡江流域徑流最為枯少。

將福才、龍?zhí)羶烧静煌甏哪昃髁颗c多年平均(1959—2018年)流量進(jìn)行比較，計(jì)算各站點(diǎn)不同年代年均流量距平值，得到圖5。

圖5 不同年代福才、龍?zhí)琳灸昃髁烤嗥街?/p>

除1970—1979、2010—2018年外，在1959—2018年的6個(gè)年代中，福才、龍?zhí)羶烧酒溆?個(gè)年代的年均流量均較多年平均流量小。除出現(xiàn)年均流量最大值的20世紀(jì)70年代及出現(xiàn)年均流量最小值的90年代外，其余年代福才、龍?zhí)羶烧镜哪昃髁烤c多年平均流量較為接近。

3.2 流量長(zhǎng)期分布與變化趨勢(shì)

3.2.1P-Ⅲ型分布

采用矩法對(duì)福才、龍?zhí)羶烧?959—2018年的徑流長(zhǎng)序列資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)參數(shù)估計(jì)，計(jì)算得到福才站Ex值為15.75 m3/s，Cv值為0.43；龍?zhí)琳綞x值為180.75 m3/s，Cv值為0.33。由此可見，福才站值較龍?zhí)琳敬?，表明福才站的徑流長(zhǎng)序列資料較龍?zhí)琳倦x散程度大，徑流變化更明顯。這也與前文根據(jù)兩站點(diǎn)月平均流量豐枯比及年均流量豐枯比的研究結(jié)果相符。

選用計(jì)算得到的值，采用目估適線法估計(jì)頻率曲線，根據(jù)頻率曲線與經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)的配合情況選擇擬合程度最好的曲線，確定擬合度福才站0.95、龍?zhí)琳?.97，點(diǎn)線匹配效果較好，得到福才、龍?zhí)羶烧军c(diǎn)P-Ⅲ型頻率曲線見圖6、7。

圖6 福才站P-Ⅲ型頻率曲線

圖7 龍?zhí)琳綪-Ⅲ型頻率曲線

根據(jù)擬合得到的頻率曲線，計(jì)算福才、龍?zhí)羶烧静煌噩F(xiàn)期流量見表2，典型年流量見表3。

表2 福才、龍?zhí)琳静煌噩F(xiàn)期流量

表3 福才、龍?zhí)琳镜湫湍炅髁?m3/s

3.2.2趨勢(shì)研究及突變檢驗(yàn)

依據(jù)Mann-Kendall法計(jì)算福才、龍?zhí)羶烧?959—2018年徑流長(zhǎng)序列資料的UFk和UBk值，選取顯著性水平α=0.05，則臨界值u0.05=±1.96，見圖8、9。

圖8 福才站年均流量Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線

圖9 龍?zhí)琳灸昃髁縈ann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線

由圖8、9中的UF曲線可見，在1964年，福才、龍?zhí)羶烧镜闹稻笥?且超過了置信線，表明在1964年，兩站的年均流量呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)。在1959—1986年共計(jì)28 a中，除1969年的年均流量呈下降趨勢(shì)外，其余年份均呈上升趨勢(shì)，但僅在1964年有顯著上升趨勢(shì)。兩站在1986年后，年均流量基本保持不顯著的下降趨勢(shì)。相對(duì)來看，1986年后，龍?zhí)琳救杂袀€(gè)別年份的年均流量呈微略上升趨勢(shì)，故整體而言，福才站年均流量的下降趨勢(shì)較龍?zhí)琳靖语@著，這也與前文的趨勢(shì)分析結(jié)果相符。

根據(jù)圖8、9中福才、龍?zhí)羶烧灸昃髁康腢F與UB曲線，兩站在1959—2018年內(nèi)并未出現(xiàn)突變點(diǎn)。為提高突變檢驗(yàn)的精確度，引入滑動(dòng)-檢驗(yàn)對(duì)福才、龍?zhí)羶烧镜哪昃髁块L(zhǎng)序列資料進(jìn)行突變檢驗(yàn)。

選取子序列長(zhǎng)度n1=n2=10,給定顯著性水平α=0.5，按t分布自由度v=n1+n2-2=18，查表可知t0.05=±2.101。將計(jì)算得到的t統(tǒng)計(jì)量序列和t0.05=±2.101繪成圖10。

圖10 福才、龍?zhí)琳净瑒?dòng)統(tǒng)計(jì)量曲線

圖10所示，選取子序列長(zhǎng)度為10，則福才、龍?zhí)羶烧灸昃髁康幕瑒?dòng)t統(tǒng)計(jì)量在1968—2008年的基準(zhǔn)年內(nèi)呈現(xiàn)基本一致的變化趨勢(shì)，且并未出現(xiàn)突變。表明自1959年來，福才、龍?zhí)羶烧灸昃髁侩m稍顯下降趨勢(shì)，但未出現(xiàn)突變，徑流年均變化較為平緩。

4 結(jié)論

通過對(duì)南渡江干流福才、龍?zhí)羶烧?959—2018年的徑流長(zhǎng)序列資料進(jìn)行分析與研究，可以得出以下結(jié)論。

a) 南渡江流域系顯著的熱帶季風(fēng)氣候，有明顯的干濕兩季，徑流的年內(nèi)分布相對(duì)集中。汛期(5—10月)徑流量占全年徑流總量約80%，月均流量最大值出現(xiàn)在10月，最小值出現(xiàn)在3月。由此可知，南渡江流域汛期防洪任務(wù)重，做好臺(tái)風(fēng)季洪水預(yù)警預(yù)報(bào)及防御春旱是南渡江流域水文工作的重要內(nèi)容之一。

b) 在年際變化方面，整體而言，南渡江干流的流量在1964年出現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)，但自1986年后，流量稍有減少，呈現(xiàn)不顯著的下降趨勢(shì)。且自1959年來，徑流年均變化較為平緩，并未出現(xiàn)突變。由此可知，南渡江流域的流量維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，未出現(xiàn)較大變化，受人類活動(dòng)影響不大。