渠水通道水文站年徑流變化特性和趨勢分析

莫遠筠

（懷化水文水資源勘測局，湖南 懷化 418000）

1 流域概況

渠水是沅江水系上游的一級支流，發(fā)源于貴州黎平縣境內，自西南向北流經(jīng)貴州黎平、湖南通道、靖州、會同、洪江，于洪江托口鎮(zhèn)匯入沅江，全長285 km，流域面積6 774 km2，河流坡降0.919‰。

通道水文站位于湖南省通道縣縣溪鎮(zhèn)，東經(jīng)109°38′，北緯26°19′，集雨面積3 784 km2，干流長度125 km，干流平均坡降1.25‰，距河口152.4 km。該站系國家基本水文站，主要為渠水流域的河道治理、水資源開發(fā)利用、社會公眾生活飲用水資源和當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展中生態(tài)環(huán)境建設等提供科學依據(jù)。

2 分析理論方法

本文采用渠水流域通道水文站1960～2018 年實測徑流、降水系列資料，應用線性回歸、Kendal 趨勢檢驗法、R/S 分析法的相關理論，對渠水通道水文站1960～2018 年豐、平、枯水變化規(guī)律、年徑流時序變化特性進行研究分析，并對未來時期的年徑流時序變化趨勢進行預測。

3 徑流變化分析

3.1 歷年變化特性

根據(jù)通道水文站1960～2018 年實測流量資料得出，多年平均流量為76.4 m3/s。該站歷年最大流量發(fā)生時間為2004 年7 月20 日，洪峰流量為5 020 m3/s，1996年洪峰流量為4 540 m3/s，1973 年洪峰流量為3 630 m3/s。根據(jù)實測資料系列得出，渠水流域徑流量時間分配不均衡，通道水文站多年年平均流量最大值為135 m3/s，出現(xiàn)在1994 年，較多年平均年徑流量偏大76.7%；年平均流量最小值為36.4 m3/s，出現(xiàn)在1963 年，較多年平均年徑流量偏小52.4%。最大月平均流量544 m3/s，為1996年7 月；最小月平均流量9.41 m3/s，為1992 年11 月。

3.1.1 年內分配

根據(jù)實測資料系列，5 月份、6 月份和7 月份出現(xiàn)最大月徑流量年數(shù)占系列總年數(shù)分別為23.7%、42.4%和20.3%。以連續(xù)4 個月為時間區(qū)間，對徑流總量進行分析，連續(xù)最大4 個月徑流主要出現(xiàn)在4～7 月，占系列總年數(shù)的49.2%。最枯月徑流量主要出現(xiàn)在1 月份和12 月份，1 月份出現(xiàn)最枯月徑流量年數(shù)約占系列總年數(shù)的33.9%，12 月份出現(xiàn)最枯月徑流量年數(shù)約占系列總年數(shù)的35.6%。以連續(xù)3 個月為時間區(qū)間，對徑流總量進行分析，主要集中在1～3 月和10～12 月，分別占系列總年數(shù)的35.6%、50.8%。

通過計算各年代月平均徑流并點繪年內分配過程線可知，通道水文站徑流年內分配不均衡，4～8 月徑流量所占權重較大，1～2 月徑流量相對較小，且變化較為平緩。自3 月份開始徑流量逐漸呈增加趨勢，至6月份徑流量達到最大，7～10 月份則逐漸呈減小趨勢，11 月比10 月稍有增加，12 月落平。結果表明：各年代平均較多年平均年內變化存在不一致性，各年代月徑流量年內分配曲線有單峰和雙峰形現(xiàn)象。如圖1。

根據(jù)對通道水文站1960～2018 年時期的各年最大洪峰流量出現(xiàn)月份進行統(tǒng)計，得出年最大洪峰流量發(fā)生的月份：5 月份有16 年，6 月份有26 年，7 月份有14 年，占系列總年數(shù)的94.9%；8 月出現(xiàn)的年份有2年，9 月有1 年，占系列總年數(shù)的5.1%。

3.1.2 年際、年代變化

統(tǒng)計系列資料，對各年代進行豐、平、枯水計算分析（見表1）。根據(jù)表1 可以看出，各年代平均流量不均衡，存在差距也各不相同，其中20 世紀70 年代平均流量與多年平均流量較為接近，60、80 年代及21世紀10 年代則偏小，20 世紀90 年代和21世紀00 年代則偏大。其中大于多年平均徑流量的有27年，小于多年平均徑流量的有32 年。即20 世紀60 年代為枯水期、70 年代為平水期、80 年代為枯水期、90 年代及21 世紀00 年代為豐水期，21 世紀10 年代為枯水期，其中20 世紀90 年代為最豐，21 世紀10 年代為最枯。

通過對年平均流量進行頻率計算，設頻率P＜25%為豐水年，頻率P＞75%為枯水年，頻率P 在25%～75%區(qū)間為平水年，通過計算分析得出：年平均流量＞87.5 m3/s 為豐水年，年平均流量＜62.5 m3/s 為枯水年，62.5 m3/s＜年平均流量＜87.5 m3/s 為平水年。各年年徑流系列豐、平、枯變化過程。見圖2。

由圖2 可知，1960～1967 年為平水年和枯水年。1984 ～1987 年、1995 年 及2010 ～2013 年 為 枯 水 年。1990～2009 年，豐水年和平水年較多。其它年份段豐、平、枯水年基本持平。

圖1 通道水文站各年代月平均徑流年內分配過程線

表1 渠水流域通道水文站各年代平均流量對比表

圖2 通道水文站年徑流系列豐、平、枯分類圖

3.2 線性回歸分析

為了分析渠水流域徑流一致性，點繪通道水文站1960～2018 年降水與徑流過程對照圖（圖3），可以看出，通道水文站降水和徑流過程基本相應，近60 年來，渠水降水和徑流均呈緩慢上升的趨勢。

多年降水量的線性回歸關系為：y=1.6815x-2105.6；

多年徑流量的線性回歸關系為：y=0.0308x-37.069。

降水增加幅度為16.9 mm/10 年，徑流量增加幅度為0.31 億m3/10 年。

由圖3 可以分析得出，降水與徑流關系式為：y=0.9704x+620.15。

3.3 徑流時序變化趨勢性的Kendal 檢驗

圖3 通道水文站年降水量和徑流量過程對照圖

通過計算點繪通道水文站1960～2018 年年徑流量距多年平均差值時序曲線（見圖4），可以看出，自20 世紀60 年代初期至21 世紀10 年代，年徑流量呈現(xiàn)不等時距的豐、枯循環(huán)過程。徑流量變化情況：自1960 年至1967 年，呈減少變化趨勢；自1968 年至1973 年，呈增長變化趨勢；自1974 年至1978 年，呈減少變化趨勢；自1979 年至1983 年，呈增長變化趨勢；自1984 年至1990 年，呈減少變化趨勢；1991 年至2009 年，呈增長變化趨勢；自2010年至2014 年，呈減少變化趨勢；自2015 年至2018 年，呈增長變化趨勢。

采用Kendal 法進行年徑流序列秩次相關檢驗：

圖4 通道水文站年徑流量距多年平均差值時序曲線

n=59，置信度水平取α=0.05 時，Uα/2=1.96

通過檢驗計算：U=1.45＞0，表明序列呈上升趨勢；且|U|＜Uα/2，表明序列變化趨勢不顯著。由此可以判斷，年徑流量呈微弱增長變化趨勢。

3.4 徑流時序變化持續(xù)性的R/S 分析

應用R/S 分析法對年徑流量時間序列:{Xi}={1，2，3，……59}進行研究分析，繪制ln（R/S）～lni 關系圖（見圖5），并進行直線擬合，得出直線回歸方程：ln（R/S）=0.6959Ini-0.3256

通過計算得出H=0.6959＞0.5，則時間序列存在正的持續(xù)性，說明年徑流量時序變化具有分形特性，即未來某段時期，年徑流量隨時間變化而呈逐漸增長趨勢，且徑流過程存在正持續(xù)性?？梢灶A測，年徑流時間序列在未來某段時期的趨勢無顯著變化，年徑流量可能呈現(xiàn)持續(xù)增加趨勢。

圖5 通道水文站年徑流量

4 結 語

1）通過點繪降水、徑流過程對照圖可知，渠水近60 年來，降水、徑流趨勢大體一致且呈微弱增加的趨勢，徑流變化基本保持相對穩(wěn)定態(tài)勢。

2）渠水歷年徑流主要集中在4～8 月份，年徑流最大、最小極值比為3.7，徑流年內分配不均衡，各年代平均徑流較多年平均徑流年內分配不一致，年最大洪峰流量出現(xiàn)月份也不盡然相同，且各年代月徑流量年內分配曲線具有單峰、雙峰形現(xiàn)象。

3）通過長期演化過程，通道水文站徑流量平水狀態(tài)的出現(xiàn)概率較大，豐水和枯水的出現(xiàn)概率基本一致。

4）通過應用上述三種分析法進行分析計算，驗證分析結果一致，即通道水文站年徑流量呈不顯著增長趨勢。

5）通道水文站年徑流時間序列未來的總體趨勢與過去基本相同，徑流具有正持續(xù)性，據(jù)此預測未來時期，該站的年徑流變化趨勢將繼續(xù)呈不顯著增加態(tài)勢，且年徑流量有持續(xù)增加的可能。