漢口水文站流量演變特性分析

范嘉澤

摘要：在變化環(huán)境以及上游梯級水庫調(diào)蓄影響下，分析長江中下游地區(qū)流量的演變規(guī)律，對流域管理、規(guī)劃和治理均具有重要參考意義。選取長江中下游重要控制站漢口水文站1952～2019年的年均流量序列，分析了該站降水趨勢特征、豐枯性以及周期特征。結(jié)果表明：漢口站年均流量序列主周期為28 a，次周期分別為12 a和5 a;汛期平均流量序列的主周期為27 a，次周期分別為13 a，5 a和3 a;非汛期平均流量序列的主周期為28 a，次周期分別為12 a和6 a;與三峽水庫蓄水前相比，漢口站汛期流量總體以減小為主，8，9月份減幅分別為9.02%和8.96%。在上游水庫聯(lián)合調(diào)度條件下，漢口站汛期流量進(jìn)一步減少，8，9月份減幅分別達(dá)到12.47%和26.01%。與三峽水庫蓄水前相比，漢口站非汛期流量總體以增加為主，1，2月增幅分別為22.57%和23.22%。在長江上游水庫聯(lián)合調(diào)度條件下，漢口站非汛期流量進(jìn)一步增加，1，2月增幅分別達(dá)到50.49%，39.81%。

關(guān)鍵詞：流量變化; 豐枯性; 周期性; 三峽水庫; 漢口水文站; 長江中下游

中圖法分類號：TV121 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.005

文章編號：1006 - 0081（2022）06 - 0025 - 05

0 引 言

長江是中國水量最豐富的河流，流域內(nèi)氣候溫和、雨量充沛。2016～2020年，長江流域水資源總量平均值為11 068.446億m3，約占全國水資源總量的37.1%[1]。截至2021年，長江流域已建成各類水庫5萬多座，總庫容近3 600億m3，已建成大型水庫300余座，總調(diào)節(jié)庫容1 800余億m3，防洪庫容約800億m3。其中，納入2020年度長江流域聯(lián)合調(diào)度范圍的控制性水庫41座[2]。長江流域水資源狀況不僅影響著流域的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和發(fā)展，還影響著國家水安全戰(zhàn)略。

近年來，在變化環(huán)境和人類活動綜合影響下，水循環(huán)演變規(guī)律已成為水文學(xué)研究的國際性熱點問題，尤其是徑流演變分析。鑒于長江流域水資源的重要戰(zhàn)略意義，應(yīng)重點分析研究長江中下游徑流量的演變規(guī)律和變化趨勢。國內(nèi)外學(xué)者采用多種方法對不同流域徑流量序列的趨勢性、突變性和周期性開展了分析[3-5]。趨勢分析方面，采用的方法主要包括聚類分析法、線性趨勢回歸檢驗、坎德爾秩次檢驗（M-K）、斯波曼秩次檢驗（Spearman）以及IPTA方法等[6-8];突變分析方面，采用的方法主要包括坎德爾法（M-K）、水文變異診斷系統(tǒng)等[9-12];周期分析方面，則主要采用小波分析法[10-12]。序列的時域組成主要包括年際、年代際、年內(nèi)（汛期及非汛期）、季度等[8-12]。

漢口水文站是有著完備水文資料的百年老站、是國家重要基本站，同時也是長江中下游典型控制站，其流量序列規(guī)律極具代表性。本文利用多種分析方法，對漢口水文站1952～2019年流量序列進(jìn)行分析，為長江流域水資源演變規(guī)律分析提供參考。

1 研究區(qū)概況

漢口水文站始建于1865年，位于湖北省武漢市武漢關(guān)，是收集長江中游干流水沙資料的國家基本水文站。漢口站基本水尺位于左岸武漢關(guān)，上游4 800 m有武漢長江大橋，下游3 900 m有長江二橋，上游左岸約3 200 m處有漢江匯入。流量測驗斷面位于基本水尺下游約5 400 m，測驗斷面呈單式河床，左淺右深。左岸河床由細(xì)沙組成，沖淤變化較大，右岸河床由粗沙組成，河底不平順，主槽偏右較穩(wěn)定，左岸坡度平緩，有寬灘。下游左岸有府河入?yún)R，其量微小，入?yún)R處有天興洲橫亙江心。河段順直，下游呈喇叭型，兩岸均筑有砌石護(hù)坡，大堤腳有防浪林。

2 數(shù)據(jù)與方法

漢口站水文年鑒資料從1952年開始刊印，1952年以前的流量資料精度不高、連續(xù)性差，且沒有經(jīng)過資料整編或復(fù)查。2003年6月，三峽水庫開始蓄水。三峽水庫建成運行后，受其調(diào)度影響，漢口站徑流年內(nèi)分配較三峽水庫建成前有所均化。為了保證水文資料的一致性，本文選取該站1952～2002年的實測流量資料，組成年均、汛期和非汛期3個流量時間序列，采用線性回歸、距平分析、小波分析等方法，分析了漢口站流量的演變特性、豐枯性以及周期特征。此外，采用三峽水庫蓄水后漢口站2003～2019年流量序列，對比分析了三峽水庫調(diào)蓄影響下漢口站洪枯流量的變化趨勢。

3 結(jié)果分析

3.1 流量歷史演變規(guī)律

水文現(xiàn)象的變化具有一定規(guī)律性，流量序列的歷史演變規(guī)律是定量分析水文現(xiàn)象、總結(jié)變化規(guī)律并預(yù)測未來趨勢的重要手段。本文采用小波分析法研究漢口站流量的歷史演變規(guī)律。小波函數(shù)選擇Morlet函數(shù)，通過不同時間尺度之下的Wf （a， b）數(shù)值變化分析歷史流量序列的豐枯變化和突變發(fā)生時間點。

3.1.1 年均流量周期變化

由漢口站年平均流量Morlet小波實部圖與小波方差圖（圖1）可知：①該站年平均流量19～31 a尺度的周期震蕩信號最為明顯，1977年后震蕩信號最明顯尺度范圍縮小到24～31 a;在19～31 a尺度的周期上，流量震蕩信號正負(fù)交替，存在7個豐、枯交替循環(huán)特征和7個震蕩中心，震蕩中心依次位于1950年代初和末期、1960年代中后期、1970年代中期、1980年代初和末期、1990年代初期。②年平均流量的小波方差存在3個極大值，分別對應(yīng)著5，12 a和28 a的周期尺度，其中以28 a為周期峰值最大，以12 a為周期峰值居次，以5 a為周期峰值最小。因此，漢口站年均流量存在28 a的主變化周期，次周期為12 a和5 a。

3.1.2 汛期和非汛期流量周期變化

由漢口站汛期（5～10月）和非汛期（11月至次年4月）平均流量Morlet小波實部圖（圖2）可知：① 汛期平均流量以10～15 a尺度的周期震蕩最為明顯，25～30 a尺度的小波實部高度閉合，存在7個豐枯循環(huán)交替特征;② 非汛期以20～30 a尺度為周期，存在7個豐枯交替循環(huán)特征和7個震蕩中心（1958，1963，1968，1974，1979，1985年和1991年）。

由上述序列的小波方差圖（圖3）可知：① 汛期的小波方差存在4個極大值，分別對應(yīng)著3，5，13 a和27 a的周期尺度，其中以27 a為周期峰值最大;② 非汛期的小波方差存在3個極大值，以28 a為周期峰值最大，非汛期平均流量的主周期為28 a，次周期為12 a和6 a。

3.2 流量未來變化趨勢

3.2.1 年均流量豐枯變化

1952～2019年間（圖4），漢口水文站多年平均流量為22 300 m3/s，最大年平均流量為32 000 m3/s（1954年），最小年平均流量是16 900 m3/s（2006年），變差系數(shù)為0.12。線性回歸分析法表明：該序列呈現(xiàn)減少趨勢，傾向率為-1.01 s。為進(jìn)一步量化分析其變化趨勢，選取不受三峽水庫調(diào)蓄影響的1952～2002年作為分析對象，M-K趨勢檢驗法統(tǒng)計量Z=0.54<1.96（即顯著性α=0.05的臨界值）。因此，綜合回歸分析和趨勢檢驗結(jié)果表明，漢口站年均流量呈現(xiàn)不顯著的減少趨勢。

由3.1節(jié)分析可知，漢口站歷史年均流量存在5 a的變化周期，因此將該站年平均流量距平值年際變化過程繪制于圖5，圖中虛線部分為流量距平的5 a滑動均值線。由圖可知，流量距平值總體正負(fù)持平，即總體而言漢口站流量年際枯豐交替頻繁。2002年之前，流量“豐年”較少，但流量距平絕對值大，1954年距平值達(dá)到9700m3/s;2002年以后，年均流量整體處于偏枯期。綜合圖4和圖5可知，三峽水庫建成運行后，受水庫調(diào)蓄影響，漢口站年均流量較蓄水前總體呈進(jìn)一步減小趨勢。

3.2.2 汛期與非汛期平均流量豐枯變化

為進(jìn)一步分析漢口站的年內(nèi)變化規(guī)律，汛期和非汛期流量年際變化過程如圖6所示。采用M-K趨勢檢驗法對該站1952～2002年汛期與非汛期流量序列開展趨勢分析。汛期和非汛期的M-K統(tǒng)計量Z分別為0.02和1.29，均未達(dá)到顯著性α=0.05的臨界值，不具有顯著變化趨勢。因此，由綜合變化趨勢圖和趨勢檢驗結(jié)果可知，漢口站汛期流量呈減少趨勢，非汛期流量呈增加趨勢。此外，受三峽水庫調(diào)蓄影響，年內(nèi)分配較水庫建成前有所均化，致使汛期流量均值減小、非汛期流量均值增大。

（1） 汛期流量變化趨勢。2003年三峽水庫建成蓄水，2012年溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫聯(lián)合蓄水，兩階段汛期流量變化情況統(tǒng)計見表1和圖7。由表1和圖7可知，不考慮聯(lián)合調(diào)度條件下，與1952～2002年多年平均相比，汛期流量總體以減小為主。主汛期8，9月份平均流量較1952～2002年同期月平均流量減少了3 400 m3/s和3 100 m3/s，減幅分別為9.02%和8.96%。上游水庫聯(lián)合調(diào)度條件下，受上游溪洛渡、向家壩等梯級水庫綜合調(diào)蓄作用，漢口站汛期流量進(jìn)一步減少，8，9月份平均流量較1952～2002年同期月平均流量進(jìn)一步減少為4 700 m3/s和9 000 m3/s，減幅分別達(dá)到12.47%和26.01%。

（2） 非汛期流量變化趨勢。兩階段非汛期流量變化情況統(tǒng)計見表2和圖8。由表2和圖8可知，不考慮聯(lián)合調(diào)度條件下，與1952～2002年多年平均相比，非汛期流量總體以增加為主。1，2月份平均流量較1952～2002年同期月平均流量增加了1 860 m3/s和1 960 m3/s，增幅分別為22.57%和23.22%。上游水庫聯(lián)合調(diào)度條件下，受上游溪洛渡、向家壩等梯級水庫綜合調(diào)蓄作用，漢口站枯水期流量大幅增加，1，2月份平均流量較1952～2002年同期月平均流量增加達(dá)到4 160 m3/s和3 360 m3/s，增幅分別達(dá)到50.49%和39.81%?？紤]納入聯(lián)合調(diào)度的水庫群數(shù)量進(jìn)一步增加，漢口站枯季流量將會進(jìn)一步增加。

4 結(jié) 論

本文以長江中下游典型控制站漢口站為分析對象，選取實測長序列實測流量資料?？紤]三峽水庫的調(diào)蓄影響，分1952～2002年（蓄水前）和2003～2019年（蓄水后）兩個時段，采用回歸分析、距平分析、小波分析等方法，分析了該站各代表時段的流量特征、豐枯性以及周期性，主要結(jié)論如下。

（1） 漢口站年均流量的主周期為28 a，次周期為12 a和5 a;汛期平均流量的主周期為27 a，次周期為13 a，5 a和3 a;非汛期平均流量的主周期為28 a，次周期為12 a和6 a。

（2） 較三峽水庫蓄水前，漢口站汛期流量總體以減小為主，8，9月份減幅分別為9.02%，8.96%。上游水庫聯(lián)合調(diào)度條件下，汛期流量進(jìn)一步減少，8，9月份減幅分別達(dá)到12.47%，26.01%。

（3） 較三峽水庫蓄水前，漢口站非汛期流量總體以增加為主，1，2月份增幅分別為22.57%，23.22%。上游水庫聯(lián)合調(diào)度條件下，非汛期流量進(jìn)一步增加，1，2月份增幅分別達(dá)到50.49%，39.81%。

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Analysis of flow evolution characteristics at Hankou Hydrological Station

FAN Jiaze

（College of Hydraulic&Environmental Engineering，China Three Gorges University， Yichang 443002， China）

Abstract： The analysis of flow evolution in the middle and lower reach of Yangtze River considering changing environment and the regulation and storage of cascade reservoir in the upstream of Yangtze River has important reference for the management， planning and governance of the basin. The annual average flow series of Hankou Hydrological Station from 1952 to 2002，a typical control station in the middle and lower reach of Yangtze River， was selected， and the precipitation trend， abundance and dryness and periodic characteristics were analyzed. The results showed that the main period of the annual average flow sequence of Hankou Station was 28 a， and the secondary periods were 12 a and 5 a; the main period of the average flow sequence in the flood season was 27 a， and the secondary periods were 13 a， 5 a， and 3 a; the main period of the average flow sequence in the non-flood season was 28 a， the secondary period was 12 a and 6 a; compared with the flow before the storage of Three Gorges Reservoir， the flood season flow at Hankou Station reduced in general， and the reduction rates in August and September were 9.02% and 8.96%， respectively. Under the joint operation of the upstream reservoirs， the flood season flow was further reduced， and the declines in August and September reached 12.47% and 26.01% respectively. Compared with the flow before the storage of Three Gorges Reservoir， the non-flood season flow at Hankou Station increased， and the increase rates in January and February were 22.57%， 23.22%. Under the joint operation of the upstream reservoirs， the flow in non-flood season further increased， and the growth rates in January and February reached 50.49% and 39.81% respectively.

Key words： flow variation; abundance and dryness characteristics; periodicity; Three Gorges Reservoir; Hankou Hydrological Station; middle and lower reach of Yangtze River