水利工程影響下錦江流域水文情勢(shì)變化研究

林偉平

(廣東省水文局韶關(guān)水文分局，廣東 韶關(guān) 512028)

水庫、大壩等水利工程對(duì)人類創(chuàng)造了重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)價(jià)值，但不少社會(huì)組織和個(gè)人認(rèn)為大壩等水利工程對(duì)生態(tài)環(huán)境甚至地質(zhì)活動(dòng)造成很大負(fù)面影響，一些研究表明：人類的水土利用實(shí)際上已經(jīng)改變了很多流域的水文情勢(shì)[1]，而很大程度上決定了流域生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的生物組成，結(jié)構(gòu)及功能，影響了流域內(nèi)農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)，而在地質(zhì)活動(dòng)方面并沒有研究成果[2]。徑流的變化通常包括“量”和“結(jié)構(gòu)”的變化[3]。前者通常是指徑流總量、流量等數(shù)值上的變化[4]。后者則注重從徑流過程線的“形狀”上進(jìn)行分析，它反映不同時(shí)段內(nèi)徑流的比例[5-8]。錦江流域水文情勢(shì)密切影響流域內(nèi)生產(chǎn)、生活和生態(tài)環(huán)境，隨著流域內(nèi)水利工程建設(shè)，錦江的水文情勢(shì)一定程度上因人類行為而改變[9]。

1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

錦江屬珠江流域北江水系，是北江上游主源湞江的一級(jí)支流。流域地理坐標(biāo)為東經(jīng)113°30′～114°02′，北緯24°54′～25°29′。流域集水面積為1 913 km2，河長(zhǎng)為108 km，坡降為1.71‰,總落差為1 061 m。錦江水庫壩址集水面積為1 410 km2，約占錦江流域總面積的74%。

錦江水庫總庫容為1.89億m3，調(diào)洪庫容為 0.44億m3，調(diào)節(jié)庫容為0.68億m3，調(diào)節(jié)特性為季調(diào)節(jié)。該工程1990年6月1日開始施工。1993年8月一號(hào)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，同年12月30日二號(hào)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，錦江水電站主體工程完工，進(jìn)入試運(yùn)行階段。1997年8月13日，仁化縣錦江水電站工程竣工驗(yàn)收委員會(huì)對(duì)工程進(jìn)行了竣工驗(yàn)收。仁化水文站為錦江流域控制站(流域站點(diǎn)分布如圖1所示)。

圖1 錦江流域各站點(diǎn)位置示意

本文的基礎(chǔ)資料如下：長(zhǎng)壩水文站1959—2009年50 a降水量、蒸發(fā)量及流量資料;仁化、犁市水文站1958—2008年50 a降水量及流量資料;整理后的50 a年徑流量、豐水期徑流量、枯水期徑流量和年降水量資料用于年際變化研究的M-K秩次相關(guān)檢驗(yàn)的趨勢(shì)性分析及突變?cè)\斷；月徑流量資料用于年內(nèi)分配變化分析。

2 研究方法

2.1 M-K秩次相關(guān)檢驗(yàn)

Mann-Kendall法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，亦稱無分布檢驗(yàn)，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值得干擾，更適用于類型變量和順序變量，計(jì)算也比較簡(jiǎn)便[10]。由于最初由H.B.Mann和M.G.kendall提出了原理并發(fā)展了這一方法，故稱其為Mann-Kendall法。但是，當(dāng)時(shí)這一方法僅用于檢測(cè)序列的變化趨勢(shì)。后經(jīng)進(jìn)一步完善和改進(jìn)，才形成目前的計(jì)算格式[11-12]。

對(duì)于具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列x，構(gòu)造一秩序列：

(1)

其中：

(2)

可見，秩序列sk是第i時(shí)刻數(shù)值大于j時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)。

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，定義統(tǒng)計(jì)量:

(3)

式中:

UF1=0,E(sk),var(sk)——累計(jì)數(shù)sk的均值和方差，在x1,x2,…,xn相互獨(dú)立，且有相同連續(xù)分布時(shí)，可由下式算出：

(4)

UFi為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，是按時(shí)間序列x順序x1,x2,…,xn計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列，給定顯著性水平α，查正態(tài)分布表，若|UFi|

按時(shí)間序列x逆序xn,xn-1,…,x1，再重復(fù)上一步驟求得UBi。

這一方法的優(yōu)點(diǎn)在于不僅計(jì)算簡(jiǎn)便，而且可以明確突變開始的時(shí)間，并指出突變區(qū)域。因此，是一種常用的突變檢測(cè)方法。在本文中計(jì)算步驟及分析方法如下：

1)計(jì)算順序時(shí)間序列的秩序列sk，并按公式(3)計(jì)算UFk。

2)計(jì)算逆序時(shí)間序列的秩序列sk，并按公式(3)計(jì)算UBk。

3)給定顯著性水平，本文取α=0.05，那么臨界值u0.05=±1.96。將UFk和UBk兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量序列曲線和±1.96兩條直線均繪制在同一張圖上。

4)分析繪制出的UFk和UBk曲線圖。若UFk或UBk的值大于0，則表明系列呈上升趨勢(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。超過臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域。如果UFk和UBk兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，那么焦點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變開始的時(shí)間。

2.2 月徑流量分配比較

取錦江水庫建成運(yùn)營的1993年作為分界，將仁化站、長(zhǎng)壩站和犁市站1958—2009年的月流量系列分為1958—1993年、1993—2009年兩個(gè)時(shí)段，計(jì)算各時(shí)段各月份的流量均值，以及各時(shí)段各月流量占該年年徑流量比例的均值，作圖以比較分析，錦江水庫對(duì)仁化站、長(zhǎng)壩站和犁市站月徑流量分配的影響，以此推斷錦江水庫對(duì)流域徑流年內(nèi)分配的影響。

3 水文情勢(shì)變化分析

3.1 年內(nèi)變化

對(duì)以下11項(xiàng)資料進(jìn)行M-K秩次相關(guān)檢驗(yàn)的趨勢(shì)性分析及突變?cè)\斷：長(zhǎng)壩站50 a年蒸發(fā)量系列；長(zhǎng)壩站50 a年降水量系列；仁化站、長(zhǎng)壩站和犁市站50 a年徑流量系列；仁化站、長(zhǎng)壩站和犁市站50 a豐水期徑流量系列；仁化站、長(zhǎng)壩站和犁市站50 a枯水期徑流量系列。

檢驗(yàn)結(jié)果見表1，年蒸發(fā)量20世紀(jì)90年代起有顯著上升趨勢(shì)；年降水量無顯著趨勢(shì)；年徑流量方面，仁化站和長(zhǎng)壩站90年代均有較顯著下降趨勢(shì)，突變點(diǎn)未檢測(cè)出，犁市站無顯著趨勢(shì)；豐水期徑流量方面，仁化站和長(zhǎng)壩站90年代初均有較較弱的顯著下降趨勢(shì)，突變皆從1991年開始，犁市站無顯著趨勢(shì)；枯水期徑流量方面，犁市站從80年代起有很顯著的上升趨勢(shì)，突變從1967年開始，長(zhǎng)壩站從80年代起有較顯著的下降趨勢(shì)，突變從1972年開始，仁化站80年代初有較弱的顯著下降趨勢(shì)，突變從1970年開始。

表1 M-K檢驗(yàn)結(jié)果分析匯總

以長(zhǎng)壩站年蒸發(fā)系列、仁化站年徑流量系列、仁化站豐水期徑流量系列檢驗(yàn)過程為例，介紹M-K秩次相關(guān)檢驗(yàn)的趨勢(shì)性分析及突變?cè)\斷。

1)長(zhǎng)壩站年蒸發(fā)量系列檢驗(yàn)

輸入長(zhǎng)壩站50 a年蒸發(fā)資料，經(jīng)過計(jì)算得到UF和UB系列(如圖2所示)；添加表示95%置信區(qū)間的縱坐標(biāo)為±1.96的2條虛線。1990年后UF一直小于-1.96，說明長(zhǎng)壩站年蒸發(fā)量系列存在明顯的上升趨勢(shì)，UF和UB存在位于置信區(qū)間內(nèi)的交點(diǎn)，因此認(rèn)為1987年為年蒸發(fā)量系列的突變點(diǎn)。

圖2 長(zhǎng)壩站年蒸發(fā)量系列MK檢驗(yàn)示意

2)仁化站年徑流量系列檢驗(yàn)

輸入仁化站50 a年徑流量資料，經(jīng)過計(jì)算得到UF和UB系列(如圖3所示)；添加表示95%置信區(qū)間的縱坐標(biāo)為±1.96的2條虛線。UF曲線在90年代低于-1.96，表示長(zhǎng)壩站流量在90年代有明顯的下降趨勢(shì)，雖然在60年代出現(xiàn)了幾處UF曲線和UB曲線交點(diǎn)，但其距離90年代較久遠(yuǎn)，因此60年代的交點(diǎn)不視為90年代顯著下降趨勢(shì)的突變點(diǎn)，只可以視為60年代出現(xiàn)了不顯著的突變。

圖3 仁化站年徑流量系列MK檢驗(yàn)示意

3)仁化站豐水期徑流量系列檢驗(yàn)

輸入仁化站50 a豐水期徑流量資料，經(jīng)過計(jì)算得到UF和UB系列(如圖4所示)；添加表示95%置信區(qū)間的縱坐標(biāo)為±1.96的2條虛線。UF曲線在90年代初期低于-1.96，表示長(zhǎng)壩站豐水期徑流流量在90年代初期有明顯的下降趨勢(shì)，1991年UF曲線和UB曲線相交，雖然略微超過置信區(qū)間，但仍可說明1991年仁化站豐水期徑流量開始突變。

圖4 仁化站豐水期徑流量系列MK檢驗(yàn)示意

根據(jù)圖1的各站點(diǎn)位置，并考慮錦江水庫1990年開始施工，得出如下結(jié)論：錦江水庫的興建導(dǎo)致壩下年徑流量下降，豐水期徑流量下降；導(dǎo)致下游干流年徑流量下降，豐水期徑流量下降；對(duì)下游支流處基本無影響；南水水庫的建成導(dǎo)致下游較近處枯水期徑流量顯著增加，導(dǎo)致下游較遠(yuǎn)處枯水期徑流量下降(可能是同時(shí)興建的其他水利工程導(dǎo)致)。

3.2 年內(nèi)分配

將仁化站、長(zhǎng)壩站和犁市站50 a逐日平均流量資料整理成月徑流量資料，分為水庫建成前和水庫建成后兩個(gè)時(shí)段，計(jì)算各站兩個(gè)時(shí)段的平均年內(nèi)月徑流過程(見表2)；計(jì)算各站兩個(gè)時(shí)段月徑流量占年徑流量比例均值(見表3)。僅僅從表2、表3中觀察，很難發(fā)現(xiàn)水庫建設(shè)對(duì)流量影響的內(nèi)在規(guī)律，需要繪制各站月徑流分配圖輔助分析(以仁化站為例，見圖5～圖10)。

圖5 仁化站各時(shí)段月徑流分配示意

圖6 仁化站各時(shí)段月徑流分配示意

圖7 長(zhǎng)壩站各時(shí)段月徑流分配示意

圖8 長(zhǎng)壩站各時(shí)段月徑流分配示意

圖9 犁市站各時(shí)段月徑流分配示意

圖10 犁市站各時(shí)段月徑流分配示意

表2 各站建壩前后各月徑流量均值 萬m3/s

表3 各站建壩前后月徑流量占年徑流量比例均值 %

分析前需要說明的是，根據(jù)長(zhǎng)壩站資料代表的流域降水及蒸發(fā)年際資料M-K檢驗(yàn)，隨著年際增長(zhǎng)，該流域降水量在95%置信區(qū)間內(nèi)沒有出現(xiàn)顯著趨勢(shì)變化，蒸發(fā)量出現(xiàn)了顯著地減少趨勢(shì)，在進(jìn)行工程影響分析時(shí)需考慮以上兩個(gè)因素。

1)比較圖5與圖6，圖7和圖8，圖9和圖10，都可以發(fā)現(xiàn)月徑流量分配系列的形狀與月經(jīng)流量占比系列的形狀相似。

2)觀察圖5和圖6中兩個(gè)時(shí)段系列的差別，可以直觀發(fā)現(xiàn)，水庫建成后月徑流量最大值顯著小于水庫建成前；最大值出現(xiàn)月份兩時(shí)段相似；各時(shí)段的月徑流量最小值差距不大；兩時(shí)段的徑流分配曲線形狀有較大差異，水庫建成后3、4、5月徑流量及其占比顯著低于水庫建成前，6、7、8、10月徑流量及其占比顯著高；可以說明，錦江水庫對(duì)仁化站徑流年內(nèi)分配有顯著影響，主要表現(xiàn)在最大月徑流量減小，且豐水期流量分配差別很大。

3)觀察圖7和圖8，與仁化站相似，錦江水庫對(duì)仁化站徑流年內(nèi)分配有顯著影響，主要表現(xiàn)在最大月徑流量減小，且豐水期流量分配差別很大。

4)觀察圖9和圖10，從徑流量的量值來看，水庫建成后月徑流量最大值大于水庫建成前，但從占比來看，兩時(shí)段差別不大，考慮到蒸發(fā)量顯著減小而降水量無減小趨勢(shì)，推測(cè)月經(jīng)流量最大值的增長(zhǎng)是自然因素導(dǎo)致；此外，兩時(shí)段4、5、7、8月流量及其占比差異較大，可以說明，錦江水庫對(duì)犁市站徑流年內(nèi)分配有影響但小于前兩站，主要表現(xiàn)在豐水期流量分配差異。

綜上所述，經(jīng)過月徑流分配的分析，并考慮年際降水和蒸發(fā)趨勢(shì)，可以推斷錦江水庫對(duì)仁化站、長(zhǎng)壩站、犁市站的年內(nèi)徑流分配有影響，距離越遠(yuǎn)影響越小。

4 結(jié)語

1)分別應(yīng)用M-K秩次相關(guān)檢驗(yàn)的趨勢(shì)性分析及突變?cè)\斷和月經(jīng)流量分配比較進(jìn)行錦江流域年際和年內(nèi)水文情勢(shì)分析，得到如下結(jié)論：年際方面，錦江水庫的興建導(dǎo)致壩下年徑流量下降，豐水期徑流量下降；并導(dǎo)致下游干流年徑流量下降，其豐水期徑流量下降；對(duì)下游支流處基本無影響；年內(nèi)方面，錦江水庫建成后，流域徑流年內(nèi)分配受顯著影響，主要表現(xiàn)在最大月徑流量減小，且豐水期流量分配改變，水庫下游距離越近影響越大。

2)流域水文情勢(shì)分析方法還有很多，年內(nèi)分配方面有不均勻性系數(shù)、集中度和集中期、IHA法和變化幅度等；年際變化方面有移動(dòng)平均趨勢(shì)分析和HURST指數(shù)分析等，這些方法各有何特點(diǎn)，有何作用，有待進(jìn)一步研究。此外，僅僅分析出水利工程對(duì)水文情勢(shì)的影響還不夠，這些影響對(duì)生態(tài)環(huán)境、社會(huì)生產(chǎn)有何負(fù)面影響，如何對(duì)這些負(fù)面影響應(yīng)對(duì)，都有待進(jìn)一步研究。