近20年鑒江干流徑流量變化分析

張義宇

（廣東省水文局茂名水文分局，廣東 茂名 525000）

鑒江流域是廣東第三大水系，多年平均年徑流量為52.1×108m3。近年來，廣東省水利廳開展粵西水資源配置工程，特別是高嶺攔河壩的建設(shè)為茂名、湛江的水資源調(diào)度起了積極作用。鑒江自90 年代起由于水資源開發(fā)利用程度較高造成河床下切，2000 年后河床基本穩(wěn)定，但目前對鑒江干流徑流趨勢的分析缺乏專門研究，加強該方面研究對鑒江流域的生態(tài)和環(huán)境治理具有重要的理論和現(xiàn)實意義。本研究對2000～2019 年的徑流量、年降雨量的變化特點及演變趨勢進行分析，可為鑒江生態(tài)保護和資源開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

鑒江流域集雨面積6 914km2，地處北回歸線以南，為亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，常年受海洋性和大陸性氣候影響，雨量充沛，平均降水量1 820.0mm，年降水量多在1 600.0mm 以上，但年內(nèi)分布不均、地區(qū)差異大。降水多集中在汛期4～10 月，約占年降水量的88%，11 月至次年3 月降水量占年降水量的12% ；降水量受地形影響變化明顯，平均變幅在1 400.0mm～2 800.0mm，降水量年際變化也較大，豐水年與枯水年降水量比值可達(dá)2～4 倍。

羅江是鑒江最大的一級支流，發(fā)源于茂名市信宜旺將，先入廣西北流勾髻頂西南，后經(jīng)高州荷花、石板，化州播揚、寶圩、那務(wù)至合江與平定水匯合后，經(jīng)江湖、林塵、中垌等地在化州市區(qū)匯入鑒江，全長143km，縱貫化州境內(nèi)110 km。全流域集雨面積2 618km2，茂名市境內(nèi)集雨面積1 943km2，羅江床平均坡降0.64‰（見圖1）。

化州站為鑒江干流控制站，控制集雨面積占鑒江流域89.0%；高州站為鑒江干流中上游控制站，控制集雨面積占鑒江流域42.0%。根據(jù)鑒江流域水文站的分布情況，選用化州、高州站2000～2019年徑流量和降雨量資料，該資料經(jīng)水文整編刊印，準(zhǔn)確可靠。

圖1 鑒江流域水系

2.1 Mann-Kendall 方法

Mann-Kendall 趨勢檢驗法（以下簡稱“M-K法”），是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，其特點是不用遵從樣本的規(guī)律分布，不受少數(shù)異常值的干擾，人為性少，較適用于類型變量、順序變量分析。M-K法趨勢檢驗統(tǒng)計量如下[1]：

式（1）、（2）中：xj為時間序列的第j 個數(shù)據(jù)值；n 為數(shù)據(jù)樣本的長度；Sgn 為符號函數(shù)。

當(dāng)S 為正態(tài)分布，平均值為0，且 n ≥8 時方差為：

式（3）、（4）中：ti為第i 組數(shù)據(jù)點的數(shù)目；Z為標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計量。

Z ＜0 時，序列存在下降趨勢；Z ＞0 時，序列存在上升趨勢；Z 絕對值≥1.28、1.64、2.32 時，分別表明序列通過置信度為90%、95%、99%的顯著性檢驗。

當(dāng)M-K 法進一步用于序列突變檢驗時，統(tǒng)計量和前面的Z 存在差異，Z 服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布M-K法突變檢驗的原理對于時間序列X（含有n 個樣本），構(gòu)造一個秩序列：

式（5）、（6）中：E(sk)=k(k+1)/4；Vac(sk)=k (k-1)(2k+5)/72。

UFk 為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，給定一個顯著性水平a=0.05，那么臨界值U0.05= ±1.96，將UFk和UBk兩個統(tǒng)計量序列曲線和±1.96 兩條直線均繪在一張圖。當(dāng)UFk和UBk值大于0，表明序列呈上升趨勢，小于0 表明呈下降趨勢。當(dāng)它們超過臨界直線時，表明上升或下降趨勢顯著，超過臨界線的范圍為出現(xiàn)突變的時間區(qū)域。UFk 和UBk 線出現(xiàn)交點，交點在臨界直線之間，突變開始的時刻即交點對應(yīng)的時刻。

2.2 雙累積曲線

雙累積曲線是檢驗兩個參數(shù)關(guān)系變化的常用方法，在直角坐標(biāo)系中繪制同序列的兩個變量連續(xù)累積值關(guān)系線，被檢驗的變量為縱坐標(biāo)，參考變量為橫坐標(biāo)。它可用于水文氣象要素一致性的檢驗、缺值的插補或資料校正，以及水文氣象要素的趨勢性變化及其強度的分析[2]。

3.1 M-K 分析變化趨勢

按公式（4）計算，得到鑒江流域徑流量和降雨量的M-K 檢驗結(jié)果（見表1），各站點年徑流量趨勢不顯著，沒有明顯優(yōu)勢?；菡灸陱搅髁亢湍杲涤炅繘]有顯著變化趨勢。高州站年徑流量上升趨勢不明顯，年降雨量平穩(wěn)。

表1 M-K分析結(jié)果

3.1.1 各站M-K 顯著性檢驗

化州、高州M-K 顯著性檢驗（見圖2）得出，在徑流量無顯著增加情況下，化州站2013 年測得超20 年一遇流量，為化州站建站以來實測第二大流量。高州站2013 年測得建站以來第四大流量。

3.1.2 各站U 值突變檢驗

為進一步分析變化趨勢，由公式（6）、（7）分析并繪制U 值突變檢驗（見圖3），可知各站徑流量UF 值與UB 均在±1.96 內(nèi)?；菡?000～2005 年呈下降趨勢，2006～2013 年呈平穩(wěn)趨勢，2014～2019 年呈下降趨勢。高州站徑流量2000～2005 年呈下降趨勢，2006～2019 年呈平穩(wěn)上升趨勢，但趨勢不明顯。

化州站降雨量2003～2007 年呈下降趨勢，2008～2015 呈上升趨勢，2016～2019 年呈平穩(wěn)趨勢，2002、2008 年UF 值與UB 值有交點站為突變點，降雨量均超2 500mm。高州站2001～2007 年呈下降趨勢，2008～2019 年呈上升趨勢，在2008、2012、2013 年UF 值與UB 值有交點站為突變點，降雨量均超2 100mm。

圖2 各站年徑流量、年降雨量顯著性

圖3 各站年徑流量、年降雨量U值突變檢驗

圖4 年徑流量和年雨量雙累積曲線

3.2 雙累積曲線

為分析鑒江干流各站徑流量、降雨量的變化，結(jié)合高州、化州站集雨區(qū)域的面雨量，繪制了年徑流量和年降雨量雙累積曲線（見圖4），可得出：

（1）化州、高州站的雙累積曲線特點較為相似，基本呈直線關(guān)系，說明各站徑流量、降雨量的變化基本同步，變化不明顯。高州站為鑒江中上游，曲線呈45°；化州站為鑒江下游，曲線往右偏，為匯流流量總和。

（2）運用統(tǒng)計軟件SPSS 對各站2000～2019 年徑流量、降雨量進行Pearson 相關(guān)分析（見表2），各站都表現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系?；荨⒏咧菡鞠嚓P(guān)分析P 值為0.908、0.942，說明徑流量和降雨量年際關(guān)系相關(guān)性密切。

表2 鑒江流域主要控制站歷年徑流量與降雨量關(guān)系

據(jù)M-K 分析結(jié)果，各站年徑流量趨勢不顯著無明顯優(yōu)勢。2012～2013 年徑流量、年降雨量達(dá)到高峰，其他年份趨于平穩(wěn)；而U 值突變檢驗結(jié)果任務(wù)，各站徑流量UF 值與UB 均在±1.96 內(nèi)。各站變化趨勢呈穩(wěn)定狀態(tài)，大部分在多年平均徑流量、年降雨量范圍。2008、2012、2013 年存在突變點，為降雨造成徑流量增大[3]。鑒江干流各站年徑流量和降雨量長期變化趨勢穩(wěn)定?；貧w分析結(jié)果顯示，各站符合冪函數(shù)關(guān)系，Pearson 相關(guān)性顯著。

通過鑒江水資源分析以及水資源評價指標(biāo)體系構(gòu)建，開展鑒江地表水資源、地下水資源、水資源總量和水資源可利用量評價研究，對加快推進粵西水資源配置工程具有重要意義。