沭河流域季節(jié)實(shí)測徑流變化特性分析

陸建宇，張育德，杜 娟

（中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

河川徑流是一種重要的水資源，徑流量的變化將直接影響水資源的開發(fā)利用［1］。在氣候與人類影響下，近些年來，我國各大流域河川徑流特性均已發(fā)生了不同程度的改變［2］，這不僅會(huì)影響到人類社會(huì)的健康發(fā)展，還會(huì)給區(qū)域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源管理及生態(tài)環(huán)境等帶來諸多不利影響［3］。因此，分析實(shí)測徑流變化特性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

沭河屬淮河流域沂沭泗水系，汛期雨強(qiáng)較大，易發(fā)生區(qū)域性洪澇災(zāi)害［4］。目前，關(guān)于沭河徑流方面的研究成果已有一些報(bào)道。其中，郝敏［5］等研究了沭河徑流年際變化規(guī)律及年內(nèi)分配特征，發(fā)現(xiàn)年徑流量存在減小趨勢，徑流年內(nèi)分配漸漸趨于平均；張魯［6］探討了沂沭河流域洪水管理措施和洪水資源開發(fā)利用方案，擬定了經(jīng)大官莊水利樞紐向外流域的引水規(guī)模與調(diào)水方案；陸建宇［7］等采用多種生態(tài)徑流計(jì)算方法，估算了沭河流域生態(tài)徑流與生態(tài)需水，發(fā)現(xiàn)多數(shù)時(shí)段內(nèi)的河流生態(tài)需水都可被滿足。此外，盡管還有一些其他方面的研究成果［8，9］，但涉及徑流變化特性分析的成果仍然很少。鑒于此，筆者嘗試以流域控制站——大官莊站為研究對象，借助多種時(shí)間統(tǒng)計(jì)及分析方法，著重研究該流域春、夏、秋、冬季實(shí)測徑流變化特性，以期為合理規(guī)劃與利用流域水資源提供一定的科學(xué)指導(dǎo)。

1 沭河流域概況

沭河流域位于山東省南部及江蘇省北部，是山東省臨沂市的母親河［7］。大官莊水文站位于沭河流域上游，是流域主要控制性站點(diǎn)，控制流域面積4 529 km2，干流河長 205.5 km［5］。沭河在大官莊站以下分為2 支，即新沭河、老沭河，其中新沭河上建有節(jié)制閘、老沭河上筑有人民勝利堰，所以大官莊站處流量為以上2處閘堰流量之和［7］；大官莊站以上基本是山丘區(qū)，流域汛期洪水經(jīng)常表現(xiàn)出漲落迅速、量大峰高的特征；大官莊站以下為狹長平坦的帶狀河谷平原。

沭河流域?yàn)榈湫捅睖貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，四季特征明顯，春季風(fēng)大干燥，夏季濕熱多雨，秋季舒適涼爽，冬季寒冷少雨。該流域常年降水比較豐富，年均降水量806.0 mm，主要分布在6—9 月，占全年的70%以上，7 月是年內(nèi)最大暴雨易發(fā)月份，其月降水量占到全年的30%左右［6］；降水是沭河河川徑流的主要來源，降水時(shí)空分布和地形起伏變化直接決定了流域水資源的年際、年內(nèi)的豐枯變化，同時(shí)山洪極易暴發(fā)在夏、秋兩季，這十分不利于流域水資源綜合規(guī)劃、有序開發(fā)和高效利用［5］。

2 資料及方法

本次搜集并整理了沭河流域內(nèi)新沭河節(jié)制閘、老沭河人民勝利堰的實(shí)測徑流數(shù)據(jù)，匯總得到沭河流域主要控制站大官莊站逐月實(shí)測徑流系列，研究時(shí)段為1958—2016年，總計(jì)59 a。

2.1 累積濾波器法

累積濾波器法的關(guān)鍵在于累積均值，該方法能夠定性地反映實(shí)測徑流序列的變化趨勢［10］，其原理如下：

式中：Sk為第k年累積均值；xi為第i年值；xˉ為多年均值；k為序列長度，k=1，2，3，…，n。

2.2 Man-Kendall突變檢驗(yàn)法

Man-Kendall 法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)與分析方法［11］，該方法不需要樣本數(shù)據(jù)服從一定的分布特征，可用于徑流序列的定量化趨勢分析和突變點(diǎn)檢驗(yàn)。在檢測徑流序列突變點(diǎn)時(shí)，需構(gòu)造ri（i=1，2，···，n），統(tǒng)計(jì)量Sn、UFn

的計(jì)算公式為：

式中：mi為rj＞ri（2 ≤i≤j）的累積數(shù)；n為檢驗(yàn)樣本系列長度；N為樣本系列總長度。

同時(shí)，逆序排列ri（i=1，2，···n），按式（3）重復(fù)上述步驟，即得UBn'：

在檢測突變點(diǎn)時(shí)，若UFn和UBn'

在a=0.01置信區(qū)間內(nèi)有交點(diǎn)，則交點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)間即為實(shí)測徑流序列的突變點(diǎn)［12］。

2.3 Morlet小波分析法

Morlet 小波是高斯包絡(luò)下的單頻率復(fù)正弦函數(shù)［13］，其波形與徑流序列變化過程相近，因而常借助Morlet 小波識別徑流序列的多時(shí)間尺度特征。Mor?let小波函數(shù)形式如下：

式中：?(t)為子小波；i為虛數(shù)；w0為常數(shù)，常取6.2。

同時(shí)，小波方差圖中Var(a)的峰值對應(yīng)時(shí)間尺度b的數(shù)值，可確定徑流序列的主周期［13］，相應(yīng)函數(shù)形式如下：

式中：Wf(a,b)為小波變換系數(shù)；a,b分別為尺度參數(shù)，時(shí)間參數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 季節(jié)徑流年際過程

沭河流域季節(jié)實(shí)測徑流量年際過程（如圖1 所示）及其年代均值過程（見表1）顯示：①年際變化上，大官莊站春、夏、秋、冬季實(shí)測徑流量年際波動(dòng)較大，多年平均徑流量依次為6 718 萬、61 922 萬、23 291 萬和7 883 萬m3，對應(yīng)徑流量極值比分別為1 021.4、41.1、95.3 和 51.6。同時(shí)，各季徑流量分別以445.86萬、-8 960.9萬、793.58萬、1 301.9萬m3/10 a的線性速度呈增加、減少、增加、增加變化，其中夏季徑流減少、冬季徑流變幅較顯著。②年代變化上，大官莊站春季各年代實(shí)測徑流量在波動(dòng)中總體呈增加態(tài)勢，由1950 s的4 511萬m3增加到2 010 s的9 962萬m3；與1960、1970 s相比，夏季1980—2010 s實(shí)測徑流量年代均值大幅減少，其中1980 s最小，僅為29 472萬m3；秋季實(shí)測徑流量年代變化上為“增-減-增-減”過程，其中1980 s最小僅為10 322萬m3，2000 s最大達(dá)37 474 萬m3，各年代時(shí)段徑流量極值比為3.63；1960—1980 s，冬季徑流年代均值由10 415 萬m3一直持續(xù)減少到1 910萬m3，而在1980 s以后又持續(xù)增加，增至2010 s的16 110萬m3。整體上，沭河流域各季節(jié)年際、年代實(shí)測徑流量相差較大，現(xiàn)階段春、冬季實(shí)測徑流較多年均值偏豐，夏季偏枯，秋季則與多年均值持平，各季徑流總體變化不平穩(wěn)。

表1 沭河流域季節(jié)實(shí)測徑流量年代均值統(tǒng)計(jì) 萬m3

圖1 沭河流域季節(jié)實(shí)測徑流量年際變化過程

3.2 季節(jié)徑流變化趨勢分析

基于沭河大官莊站1958—2016 年逐月實(shí)測徑流資料，繪制各季實(shí)測徑流量的累積均值過程線，如圖2 所示。由圖2 可看出：①春季實(shí)測徑流量總體表現(xiàn)為增加過程，1958—1964 年急劇增加，1965—1971 年大幅減少，之后在連續(xù)波動(dòng)中維持小幅增加，但增加趨勢相對較弱；②夏季實(shí)測徑流量在1960—1966 年間不斷增加，雖然經(jīng)歷了1967—1971 年的短期減少和1972—1975 年的暫時(shí)增加，但1975 年以后又保持顯著減少變化；③秋季實(shí)測徑流量總體表現(xiàn)為增加變化，其中1958—1965 年為增加過程、1966—1970 和 1971—1992 年分別為增加和減少變化、1993 年以來總體為增加態(tài)勢；4 冬季實(shí)測徑流量總體呈增加趨勢，1958—1962 年急劇增加，1963—1968 年大幅減少，之后在小幅突增后持續(xù)減少，但2003 年以后轉(zhuǎn)為明顯增加態(tài)勢。總體上，沭河流域季節(jié)徑流量具有明顯的豐枯階段性變化特征，同時(shí)其累積均值過程能較好地體現(xiàn)各季徑流量年際變化趨勢和階段性特征。

圖2 沭河流域季節(jié)實(shí)測徑流量累積均值過程

為定量分析流域季節(jié)實(shí)測徑流量變化趨勢的顯著水平，借助Man-Kendall 趨勢檢驗(yàn)法［14］對各季徑流量做趨勢檢驗(yàn)，并將其檢驗(yàn)結(jié)果與累積濾波器法分析對比，結(jié)果見表2。

表2 沭河流域季節(jié)實(shí)測徑流量變化趨勢分析

從表2 可以看出，大官莊站季節(jié)徑流量年際波動(dòng)十分顯著，Cv值均維持在0.72 以上，同時(shí)Man-Kendall 趨勢檢驗(yàn)法的檢驗(yàn)結(jié)果與累積濾波器法的分析結(jié)果一致。其中，春季徑流量的統(tǒng)計(jì)量Z值為1.007，表現(xiàn)為不顯著增加變化；夏季徑流量的Z值為-1.936，存在顯著減少變化（90%顯著性水平）；秋季徑流量的Z值為0.209，呈不顯著增加趨勢；冬季徑流量的Z值為2.001，表現(xiàn)為十分顯著的增加態(tài)勢（95%顯著性水平）。

3.3 季節(jié)徑流Man-Kendall法突變分析

沭河流域季節(jié)徑流量Man-Kendall 法突變檢驗(yàn)結(jié)果，如圖3所示。由圖3可以看出：①在a=0.05臨界區(qū)間內(nèi)，大官莊站季節(jié)實(shí)測徑流量的UF、UB存在多個(gè)相交點(diǎn)，即徑流突變點(diǎn)，部分位于1980年以前，這主要是由在沭河流域內(nèi)實(shí)施“導(dǎo)沭整沂”工程和“蓄泄兼籌”工程期間在流域上游修筑大量水庫及其他引水、分洪、調(diào)水等水利工程和水土保持工程引起的［15］。②春季徑流量突變點(diǎn)位于1959、1961、1963、2004 年，夏季位于1966、1969、1971、2006、2009 年，秋季位于1962、1964、1999、2002 年，冬季位于2003年；沭河上游已建成大型水庫4座，其中沂水縣沙溝水庫總庫容1.04 億m3、1959 年蓄水，莒縣青峰嶺水庫總庫容4.101億m3、1960年蓄水，莒縣小仕陽水庫總庫容1.254億m3、1958—1959年蓄水，莒南縣陡山水庫總庫容 2.92 億 m3、1959 年 7 月竣工；結(jié)合文獻(xiàn)［16］可知，各雨量站的長系列實(shí)測年降水中，年最大、年最小降水量多出現(xiàn)在2001—2003年。③1951—1966年，春季徑流量的UF＞0，說明該時(shí)段徑流量有增加趨勢，1967—1977年短暫為負(fù)值，1972—1980年轉(zhuǎn)為正值，之后持續(xù)保持負(fù)值，2008 年以后以正值持續(xù)至2016 年，說明春季徑流量增減變化十分頻繁；1960—1966年，夏季的UF＞0，說明該時(shí)段徑流量呈短暫增加變化，之后一直為負(fù)值，持續(xù)至2016年，說明夏季徑流量又持續(xù)減少；1960—1965年，秋、冬季的UF＞0，說明該時(shí)段徑流量暫時(shí)呈增加趨勢，之后一直為負(fù)值，持續(xù)至2007年，說明秋、冬季徑流量又持續(xù)減少，2007 年以后以正值持續(xù)至2016 年，說明秋、冬季徑流量近期持續(xù)增加。整體上，沭河流域?qū)崪y徑流突變特征受水利工程、降水變化共同影響，各季徑流量的UF的正、負(fù)變化相對頻繁，但僅夏冬季實(shí)測徑流量的UF長期超出a=0.05的臨界區(qū)間，說明夏冬季實(shí)測徑流量波動(dòng)較大、趨勢特征較為顯著，這也與前述趨勢分析結(jié)果是相符的。

圖3 沭河流域季節(jié)實(shí)測徑流量Man-Kendall法突變檢驗(yàn)

3.4 季節(jié)徑流Morlet小波周期分析

圖4—5 為沭河流域季節(jié)實(shí)測徑流量Morlet 小波實(shí)部等值線圖和小波方差圖。圖4中實(shí)線表示的小波實(shí)部系數(shù)為正，說明對應(yīng)徑流量屬偏多狀態(tài)；虛線表示的小波實(shí)部系數(shù)為負(fù)，說明對應(yīng)徑流量屬偏少狀態(tài)；黑色實(shí)線加粗部分對應(yīng)著徑流量正發(fā)生豐枯轉(zhuǎn)變［11］。由圖4—5可以看出：①春季徑流量存在4、12、17 a 3個(gè)震蕩周期，其中最劇烈的時(shí)間尺度為12 a，主要分布在1960—2000 年；夏季徑流量存在4、12 a 2 個(gè)周期特征，其中12 a 為最主要的震蕩周期；秋季徑流量存在2、5、11 a 3個(gè)層次的周期變化，其中11 a 尺度最穩(wěn)定，且經(jīng)歷了多個(gè)“枯—豐—枯”的循環(huán)交替過程；冬季徑流量存在7、20 a 2 個(gè)時(shí)間尺度，其中7 a為主周期。②各季徑流量具有十分明顯的階段性變化。在各季實(shí)測徑流主周期上，春季表現(xiàn)為 3 個(gè)豐水段即 1960—1964、1972—1978 和2006—2012 年，3 個(gè)枯水段即 1965—1971、1979—1985 和 2000—2005 年；夏季豐水段為 1960—1966、1972—1975 年，枯水期體現(xiàn)在1967—1971、1976—1982、2001—2005 年；秋季豐水段為 1962—1965、1971—1975、1993—1997 年，枯水段為1966—1970、1998—2003 年；冬季豐水段為1964—1967、1968—1971、1975—1977、2004—2006、2010—2013 年 ，枯 水 段 為 1958—1963、1972—1974、1977—1980、2000—2003、2007—2009 年。2016 年以后，春季實(shí)測徑流量較少，夏季徑流量相對偏枯，秋季徑流量較少，冬季徑流量相對偏枯，近期年徑流量也將處于偏少狀態(tài)。

圖4 沭河流域季節(jié)實(shí)測徑流量Morlet小波實(shí)部等值線

圖5 沭河流域季節(jié)實(shí)測徑流量Morlet小波方差

4 小結(jié)

基于多種時(shí)間序列分析方法，采用大官莊站1958—2016年逐月實(shí)測徑流資料，分析了沭河流域各季實(shí)測徑流量變化特性，得出主要結(jié)論如下。

（1）沭河流域春、夏、秋和冬季實(shí)測徑流主周期分別為12、12、11 和7 a，同時(shí)各季徑流量存在顯著階段性特征。其中，春季徑流量在1960—1964、1972—1978、2006—2012 年偏豐，在 1965—1971、1979—1985、2000—2005 年偏枯；夏季徑流量在1960—1966、1972—1975 年偏多，在 1967—1971、1976—1982、2001—2005 年偏少；秋季豐水段為1962—1965、1971—1975、1993—1997 年，枯水段為1966—1970、1998—2003 年；冬季徑流量在1964—1967、1968—1971、1975—1977、2004—2006、2010—2013 年豐沛，在 1958—1963、1972—1974、1977—1980、2000—2003、2007—2009年相對偏少。

（2）沭河流域春、夏、秋、冬季實(shí)測徑流量依次以445.86 萬、-8 960.9 萬、793.58 萬、1 301.9 萬 m3/10 a的速率呈增加、減少、增加、增加變化；春季實(shí)測徑流量突變點(diǎn)依次位于1959、1961、1963、2004 年，夏季位于 1966、1969、1971、2006、2009 年，秋季位于1962、1964、1999、2002年，冬季位于2003年；上述研究表明，流域各季實(shí)測徑流量變化十分復(fù)雜，現(xiàn)階段春、冬季實(shí)測徑流量較多年均值偏豐，夏季偏枯，秋季與多年均值持平；同時(shí)，夏季實(shí)測徑流量的減少雖然可能會(huì)降低流域山洪災(zāi)害沖擊強(qiáng)度及影響范圍，但也將在一定程度上增加流域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們生活的用水壓力，致使區(qū)域水資源供需矛盾更加尖銳和突出。