近60年來長江大通站徑流量變化特征分析

楊先成, 徐光來, 董昌明

(1.安徽師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院， 安徽 蕪湖 241002；2.安徽師范大學(xué) 自然災(zāi)害過程與防控研究安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 蕪湖 241002；3.南京信息工程大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院， 江蘇 南京 210044)

0 引言

長江流域干支流水系發(fā)達(dá)，水文情況復(fù)雜多變，其水文水資源系統(tǒng)是具有多尺度演變特征的復(fù)雜系統(tǒng)，具有尺度特征和混沌特征，且不同時(shí)間尺度下具有不同的變化規(guī)律[1-2]. 隨著氣候變化和人類活動(dòng)的綜合影響，長江流域愈來愈成為水文水資源變化研究的熱點(diǎn)區(qū)域. 近年來長江流域的研究尤為廣泛，主要研究集中于流域的氣候變化、水沙變化、人類活動(dòng)影響以及水資源利用等方面. 特別是在長江流域徑流變化的研究上，更是進(jìn)行了深入的探討，并對(duì)流域徑流變化和主要因素進(jìn)行了分析. 諸多研究集中于長江流域水沙特性及徑流變化的宏觀趨勢(shì)、周期和突變等[7-8]. 但隨著觀測數(shù)據(jù)的延展以及變化環(huán)境下區(qū)域水文響應(yīng)的改變，對(duì)長江流域典型站點(diǎn)的徑流特征進(jìn)行系統(tǒng)分析仍顯十分必要.

本文選擇長江下游大通水文站為研究對(duì)象，對(duì)大通站長序列徑流變化特征進(jìn)行分析，以獲得其徑流年內(nèi)分配特征、年際變化特征、徑流趨勢(shì)及周期變化特征，以期在不同時(shí)間尺度上分析該站的徑流變化規(guī)律，為長江流域水資源利用以及可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐.

1 研究區(qū)概況

大通站是長江中下游一個(gè)重要水文站點(diǎn)，位于安徽省池州市貴池區(qū)梅埂鎮(zhèn)，距離長江入?？?42 km，控制流域面積占長江流域的94%. 該站是長江下游干流距離入海口最近一個(gè)具有長期觀測資料的水文控制站，其水沙變化直接影響著長江流域下游的水沙通量變化、河口三角洲地貌的發(fā)育、水資源利用以及洪澇災(zāi)害的變化等.

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

采用長江大通站實(shí)測流量資料，主要來自長江流域水文年鑒及水資源公報(bào)，數(shù)據(jù)時(shí)段為1956-2016年間的逐月徑流數(shù)據(jù).

2.2 分析方法

采用年內(nèi)分配系數(shù)、集中度和年內(nèi)分配形式等方法分析徑流的年內(nèi)變化特征，Mann-Kendall檢驗(yàn)法檢測徑流變化趨勢(shì)，小波分析法分析徑流變化的周期特征.

2.2.1 年內(nèi)分配系數(shù)和集中度

年內(nèi)分配系數(shù)Cu用來描述徑流量在一年內(nèi)的均勻性，Cu數(shù)值越大表示徑流量分配越不均勻，其計(jì)算方法如下:

(1)

集中度反映了集中期徑流值占年總徑流的比例，集中期則表示1年中最大月徑流量出現(xiàn)的月份. 集中度和集中期的計(jì)算是將1年內(nèi)各月的徑流量作向量看待，月徑流量為向量的長度，所處的月份為向量的方向. 從1月到12月各月的方位角為θ，分別為0,30,60,…,360度，并把每個(gè)月的徑流量分解為x和y兩個(gè)方向上的分量，則x和y方向上的向量合成分別為：

(2)

于是徑流合成：

(3)

定義集中度Cd和集中期D如下式：

(4)

年內(nèi)分配系數(shù)和集中度以1 a為尺度，年際分配系數(shù)和年內(nèi)分配形式以1年代為尺度[9]. 此外，年內(nèi)分配形式可分為單峰和雙峰，即12個(gè)月內(nèi)徑流量出現(xiàn)幾次峰值.

2.2.2 Mann-Kendall檢驗(yàn)法

Mann-Kendall檢驗(yàn)進(jìn)一步用于檢驗(yàn)序列突變時(shí)，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量通過構(gòu)造一秩序列：

(5)

其中

(6)

定義統(tǒng)計(jì)變量

(7)

式中

E(Sk)=k(K+1)/4;Vαr(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72

(8)

UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，給定顯著性水平α，若|UFk|>Uα/2,則表明序列存在明顯的趨勢(shì)變化，將時(shí)間序列x按逆序排列，再按照上式計(jì)算，同時(shí)使

(9)

通過分析統(tǒng)計(jì)序列UFk和UBk可以進(jìn)一步分析序列x的趨勢(shì)變化，而且可以明確突變的時(shí)間，指出突變的區(qū)域. 若UFk值大于0，則表明序列呈上升趨勢(shì)；小于0則表明呈下降趨勢(shì)；當(dāng)它們超過臨界直線時(shí)，表明上升或下降趨勢(shì)顯著. 如果UFk和UBk這兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界直線之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻就是突變開始的時(shí)刻[10-12].

2.2.3 連續(xù)小波變換

通過連續(xù)小波分析方法來研究徑流量的周期性. 在給定小波函數(shù)Ψ(x)下，函數(shù)f(x)由不同尺度和位置的小波函數(shù)組合而成，即連續(xù)小波逆變換(ICWT)：

(10)

其中

(11)

Wφ(s,t)為尺度s、位置偏移為t的小波函數(shù)的系數(shù)，表征該小波函數(shù)所占原函數(shù)的數(shù)值.

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流的年內(nèi)分配特征

1956-2016年間大通站徑流量年內(nèi)分配系數(shù)Cu呈下降的趨勢(shì)(圖1)，且下降趨勢(shì)顯著(R2=0.155，p=0.002)，即表明年內(nèi)分配越來越均勻.年內(nèi)分配系數(shù)最高為1996年(Cu=0.6087)，最低為2001年(Cu=0.3523). 集中度無明顯變化趨勢(shì)(R2=0.002，p=0.722)，集中期以7～8月為主. 集中度最高為1999年的0.184，最低為1960年的0.124.

圖1 徑流年內(nèi)分配系數(shù)和集中度

大通站徑流年內(nèi)分配形式存在單峰型和雙峰型兩種情況(表1). 20世紀(jì)70年代以前雙峰形式占主要比例，20世紀(jì)70年代以后以單峰形式為主.

表1 徑流各年代年內(nèi)分配形式

綜合來看，大通站年內(nèi)分配系數(shù)呈下降趨勢(shì)，20世紀(jì)70年代后呈單峰形式，單峰主要集中在7～8月即表明徑流量年內(nèi)分配越來越均勻，與已有類似研究結(jié)論一致，這可能與三峽大壩等重大水利工程的建設(shè)有關(guān)，大型水利工程對(duì)年內(nèi)徑流量的調(diào)節(jié)，使得年內(nèi)分配越來越均勻[13]. 經(jīng)各大水庫調(diào)節(jié)后，即20世紀(jì)70年代以來，年內(nèi)降水量變化均勻，呈典型的季風(fēng)型河流特征[14].

3.2 徑流的年際變化

從圖2中可知：年總徑流量無顯著的變化趨勢(shì)(p>0.05)(圖2a)；年汛期徑流量(圖2b)無明顯變化趨勢(shì)(p>0.05)；年非汛期徑流量呈顯著上升趨勢(shì)(p<0.05)(圖2c).

圖2 徑流量年際變化趨勢(shì)圖(a:年總徑流量；b:年汛期總徑流量；c:年非汛期總徑流量)

圖3 徑流量M-K檢驗(yàn)(a：年徑流總量；b：年汛期徑流總量；c：年非汛期徑流總量)

進(jìn)一步，通過Mann-Kendall檢測分析獲得年徑流總量、年汛期徑流總量和年非汛期徑流總量的突變分析曲線(圖3)，由圖3中可以看出：年徑流總量突變點(diǎn)為2004年，但未達(dá)到顯著性水平(圖3a)； 年汛期徑流總量突變點(diǎn)在2008年，但未達(dá)到顯著性水平(圖3b)； 年非汛期徑流總量突變點(diǎn)為1978年(圖3c)，且突變達(dá)到顯著性水平.

年際變化中年非汛期徑流流量呈顯著上升趨勢(shì)，這可能與非汛期降水變化的增加以及流域水利工程的調(diào)節(jié)作用有關(guān)，已有研究也表明長江中下游地區(qū)降水在非汛期時(shí)期也有明顯的上升趨勢(shì)[15-16].

3.3 徑流變化的周期特征

大通站近60年來年徑流總量、年汛期徑流總量和年非汛期徑流總量的連續(xù)小波變換譜見圖4.由圖4可見，在95%置信度下，年徑流總量在1974-1989年間存在約8 a左右的顯著周期(圖4a)，1995-2012間還存在一個(gè)約2 a左右的短周期；年汛期徑流總量在1969-1985年間有一個(gè)6～9 a左右的顯著周期(圖4b)；年非汛期徑流總量在1976-1990年間存在一個(gè)8 a左右的顯著周期和2～3 a左右的次周期(圖4c). 由此可見，1956-2016年的年徑流總量、年汛期徑流總量、年汛期徑流總量序列在時(shí)、域頻上均有顯著的周期變化，時(shí)頻結(jié)構(gòu)存在一定的相似性，尤其8 a左右的周期均在1976-1989年左右.

圖4 大通站徑流周期譜(a：年徑流總量，b：年汛期徑流總量，c：年非汛期徑流總量)

進(jìn)一步分析則可發(fā)現(xiàn)，年非汛期徑流流量突變點(diǎn)為1978年，且年徑流總量、年汛期徑流總量、年汛期徑流總量序列在時(shí)、域頻上均有顯著的周期變化，時(shí)頻結(jié)構(gòu)存在一定的相似性，尤其8 a左右的周期均在1976-1989年. 長江流域大型水利工程如葛洲壩、龔嘴、丹江口等水利工程都在1970-1990年間陸續(xù)使用，這些因素都對(duì)徑流量變化造成重大影響，這也表明長江流域中下游徑流變化較好的響應(yīng)了水利工程等人類活動(dòng)的影響[17-18].

4 結(jié)論

利用實(shí)測徑流量資料，從徑流年內(nèi)分配特征、年際分配特征、變化趨勢(shì)、突變和變周期等方面分析了大通站徑流序列變化特征，獲得以下結(jié)論：

1) 近60年徑流量年內(nèi)分配系數(shù)呈下降的趨勢(shì)，徑流年內(nèi)分配越來越均勻；集中度無明顯變化趨勢(shì)，集中期以7～8月為主；20世紀(jì)70年代以前雙峰形式占主要比例，其后以單峰形式為主.

2) 年徑流總量呈不顯著的上升趨勢(shì)，突變點(diǎn)為2004年；年汛期徑流量從1988年后有顯著上升的趨勢(shì)；年非汛期徑流流量呈顯著的上升趨勢(shì)，突變點(diǎn)為1978年.

3) 周期變化上，年徑流總量在1974-1989年存在顯著周期為8 a左右；年汛期徑流總量在1969-1985年間存在顯著周期為6～9 a左右；年非汛期徑流總量在1976-1990年間的顯著周期為8 a左右.