武水流域水文資料“三性”及徑流特性趨勢分析

張英智

（湘西水文水資源勘測中心，湖南 吉首 416000）

1 基本情況

1.1 河流概況

武水上游稱峒河（河溪以上干流稱峒河，于河溪納入沱江后稱武水），是沅江中游一級支流，流域在東經(jīng)109°20′～109°55′，北緯28°01′～28°29′之間，發(fā)源于花垣縣雅酉鎮(zhèn)坡腳村老人山，流經(jīng)禾排、大興寨、矮寨、寨陽、吉首市區(qū)、河溪、潭溪、洗溪，于瀘溪縣武溪鎮(zhèn)城北社區(qū)匯入沅江，左岸主要支流有小龍洞河、德夯溪、洽比河、文溪河(分為浪頭河和龍舞河)、司馬河、丹青河等；右岸主要支流有萬溶江、沱江、能溪河等，河流總長150 km，干流平均坡降1.95‰，流域面積為3 691 km2（其中湖南省占3 614 km2）。流域內(nèi)植被良好，流域內(nèi)最高點(diǎn)為花垣蓮花山，海拔高1 179 m。武水流域水系情況見圖1。

圖1 武水流域水系及水文站網(wǎng)分布圖

1.2 地形地貌

流域地貌屬中低山峽谷地貌，地勢西南高、東北低，山勢起伏險(xiǎn)峻，群峰連綿，若干條峽谷縱橫其間，兩岸山峰聳立，溪河沿山環(huán)繞，形成溝壑萬千、山高谷深，地面被切割成大小不等的小盆地、臺地、高峰、溝谷和陡坡、相互交錯(cuò)、千姿百態(tài)的奇特地勢。

1.3 徑流洪水

流域地處亞熱帶季風(fēng)濕潤區(qū)，產(chǎn)流方式以蓄滿產(chǎn)流為主；多年平均降水量1 400 mm左右，多年平均降雨日數(shù)在160天左右；多年平均徑流深787 mm。

洪水主要源于暴雨，暴雨和洪水在時(shí)空分布上基本一致，大暴雨洪水的主要天氣系統(tǒng)高空是低渦、切變線，地面是冷鋒或靜止鋒。根據(jù)吉首、河溪站50多年實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)，洪水一般發(fā)生在4—9月，尤以5—8月較多，武水屬典型的山溪性河流，河道坡降大，洪水陡漲陡落，一次洪水過程多為2～5天，單峰多于復(fù)峰。

1.4 站網(wǎng)布置

武水流域干流主要布設(shè)有吉首、鳳凰、河溪3個(gè)國家基本水文站；有雅酉等13個(gè)國家基本雨量站。

鳳凰水文站位于鳳凰縣沱江鎮(zhèn)沙灣社區(qū)，設(shè)立于1962年1月，1966年1月上遷1 100 m改為鳳凰（二）水文站，是武水一級支流沱江中游的重要控制站。現(xiàn)測驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量、降水量。

吉首水文站位于吉首市峒河街道新橋路，設(shè)立于1953年8月，屬省級重要水文站，為武水上游峒河區(qū)域代表站，處在沅江水系一級支流武水上游。測驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量、降水量。

河溪水文站位于吉首市河溪鎮(zhèn)河溪村，設(shè)立于1956年11月，1957年1月開始觀測，屬于沅江一級支流武水控制站，在峒河與沱江匯合口下游1.3 km處，現(xiàn)測驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量、泥沙、降水量和蒸發(fā)量。武水流域站網(wǎng)情況見圖1和表1。

表1 武水流域國家基本水文站情況表

2 流域水文資料“三性”分析

水文資料是水文分析計(jì)算的依據(jù)和基礎(chǔ)，資料的質(zhì)量好壞關(guān)乎水文信息預(yù)報(bào)、水文分析計(jì)算、水利工程設(shè)計(jì)的合理性，因此，在使用水文資料之前，必須進(jìn)行水文資料的可靠性、一致性、代表性分析。本文重點(diǎn)對徑流資料的“三性”進(jìn)行分析。

2.1 可靠性分析

水文資料的可靠性，其實(shí)就是指水文資料的正確與否；對于徑流資料來說主要應(yīng)從徑流資料的來源、測驗(yàn)方法、整編精度和水量平衡等方面進(jìn)行檢查。主要檢查洪水沿河長演進(jìn)是否相應(yīng)，洪峰流量沿河長變化及其發(fā)生時(shí)間是否相應(yīng)合理，洪水總量是否平衡；河槽蓄水量與出水量是否大致相等等。檢查上下游日平均流量變化是否相應(yīng)；檢查上下游水量是否平衡、徑流模數(shù)是否合理，以及降水徑流關(guān)系的檢查與對照。

經(jīng)檢查分析，本次采用的武水流域干支流各代表站資料，均來源于水文機(jī)構(gòu)經(jīng)過整理、校核、復(fù)核、整編、復(fù)審、驗(yàn)收并統(tǒng)一進(jìn)行刊印后的《水文年鑒》成果；其資料均進(jìn)行了單站和綜合合理性檢查；本次分析檢查，鳳凰、吉首、河溪站的徑流模數(shù)分別為0.022 m3/s·km2、0.031 m3/s·km2、0.026 m3/s·km2，由于各站控制斷面以上多年平均面降雨、下墊面、產(chǎn)匯流條件等差異，徑流模數(shù)相差較大（如吉首站以上多年平均面降雨及流域坡降較大，致使徑流模數(shù)較鳳凰站偏大40.9%）；河溪站多年平均年徑流量大于吉首站與鳳凰站的多年平均年徑流量之和，即上下游水量平衡；檢查年最大洪水（取典型年2014年7月14—17日洪水）過程，洪峰流量分別是鳳凰站984 m3/s（7月15日）、吉首站1 500 m3/s（7月16日）、河溪站5 060 m3/s（7月16日），洪水沿河長演進(jìn)、洪峰流量沿河長變化及其發(fā)生時(shí)間是相應(yīng)且合理的，且洪水總量平衡；各水文站多年平均流量與集水面積關(guān)系合理（見圖2）；流域各站歷年斷面變化較小，水位流量關(guān)系較穩(wěn)定；因此，武水流域徑流資料可靠性較高。

圖2 武水各站年平均流量與集雨面積關(guān)系圖

2.2 一致性分析

水文資料的一致性分析，是水文水資源的基礎(chǔ)性工作內(nèi)容。對于某些資料，從年際來看，一是由于受觀測、測驗(yàn)方法的改變導(dǎo)致所觀測量的相應(yīng)改變；二是因?yàn)樵谙盗袝r(shí)間范圍內(nèi)有人類活動(dòng)影響（如歷史上測站斷面位置發(fā)生遷移、存在有跨流域引水和上游建有影響較大的水利工程等），也就是說表征產(chǎn)流條件下墊面發(fā)生變化（或下墊面條件改變不在容許范圍內(nèi)），且變化影響很大時(shí)，系列的一致性受到影響。這些變化通常在水文刊印的資料中難以發(fā)現(xiàn)，因此，在使用水文資料時(shí)，必須檢查歷年資料的一致性。對存在明顯的某些不合理的變化成分，應(yīng)進(jìn)行物理成因分析和統(tǒng)計(jì)分析，查明原因，加以排除；對有人類活動(dòng)影響的情況，要根據(jù)情況進(jìn)行還原或修正。對于徑流量資料一致性分析，一般采用有序聚類法、降雨徑流相關(guān)法進(jìn)行檢查分析。

有序聚類法，就是以有序分類來推估最可能的突變點(diǎn)，實(shí)質(zhì)是尋求最優(yōu)分割點(diǎn)，使同類間的離差平方和較小而類與類之間的離差平方和較大。一般地，若序列有兩個(gè)明顯的階段性過程，則總離差平方和的時(shí)序變化呈現(xiàn)單谷底現(xiàn)象；若有幾個(gè)明顯的階段性過程，則總離差平方和的時(shí)序變化會(huì)有幾個(gè)谷底，這樣可以根據(jù)谷底發(fā)生的時(shí)間劃分序列變化的階段。本次分析，將武水流域鳳凰、吉首、河溪3個(gè)站1957—2020年水文序列采用有序聚類法分析流域年徑流序列發(fā)生變化的突變點(diǎn)，詳見圖3、圖4、圖5。由圖3、圖4、圖5可知，3個(gè)站年徑流離差平方和總體趨于平穩(wěn)狀態(tài)，雖然在2012年吉首、河溪站年徑流離差平方和達(dá)到最小值，但兩站徑流序列沒有出現(xiàn)顯著變化。

圖3 鳳凰站年徑流量離差平方和變化過程

圖4 吉首站年徑流量離差平方和變化過程

圖5 河溪站年徑流量離差平方和變化過程

由此可知，武水流域雖建有長潭崗水庫等水利工程，但經(jīng)分析，水利工程建設(shè)對武水年徑流系列一致性的影響不大。

降雨徑流相關(guān)法檢查。本文將1957—2020年鳳凰、吉首、河溪站年降雨量與年徑流量進(jìn)行相關(guān)分析，如圖6～圖8。鳳凰站降雨徑流關(guān)系點(diǎn)據(jù)稍顯散亂，相關(guān)系數(shù)0.687 3；吉首站、河溪站降雨徑流關(guān)系點(diǎn)據(jù)稍好，吉首站降雨徑流相關(guān)系數(shù)0.861 2；河溪站降雨徑流相關(guān)系數(shù)0.7993；3站降雨徑流關(guān)系無明顯系統(tǒng)偏離；關(guān)系點(diǎn)據(jù)的偏離大小呈隨機(jī)變化，無明顯趨勢性。

圖6 鳳凰站降雨徑流相關(guān)圖

圖7 吉首站降雨徑流相關(guān)圖

圖8 河溪站降雨徑流相關(guān)圖

綜上所述，武水流域徑流資料具有一致性，無需進(jìn)行一致性修正。

2.3 代表性分析

水文資料代表性，就是對資料的穩(wěn)定性、周期性和變化規(guī)律進(jìn)行分析，揭示系列的代表程度。本文選取武水控制站河溪水文站1957—2020年徑流系列進(jìn)行代表性分析；年徑流多年變化周期性和穩(wěn)定性，可以通過年徑流差積、累積流量過程進(jìn)行分析，如圖9。差積曲線隨時(shí)間出現(xiàn)多個(gè)峰谷交替，也就是說自1957年來河溪站存在多個(gè)豐、枯水年的交替循環(huán)現(xiàn)象。如圖10，隨著時(shí)間的增長，河溪站年徑流模比系數(shù)累積曲線趨近于1，因此，武水河溪站徑流資料代表性較好。

圖9 河溪站年徑流模比系數(shù)差積曲線圖

圖10 河溪站年徑流模比系數(shù)累積曲線圖

由以上分析表明，徑流系列中，豐、平、枯水分布較勻，基本上能反映徑流系列總體的特性，滿足規(guī)范要求，具有代表性。

3 徑流特征趨勢分析

3.1 徑流年際變化

從圖9可以看出，1958—2020年，河溪水文站年徑流量經(jīng)歷了幾個(gè)大的豐枯循環(huán)：1958—1966年，徑流量呈遞減趨勢；1967—1977年，徑流量總體呈遞增趨勢；1978—1988年，徑流量總體呈遞減趨勢；1994—1999年，徑流量呈遞增趨勢；2000—2011年，徑流量呈遞減趨勢；2012—2020年，徑流量呈遞增趨勢。點(diǎn)繪5年年徑流滑動(dòng)平均統(tǒng)計(jì)分析圖（圖11），由圖11可知，河溪水文站年徑流量的變化趨勢與圖9的變化趨勢是一致的，雖有豐枯交替，但總體上呈微弱上升的趨勢。

圖11 河溪站年徑流量5年滑動(dòng)平均曲線圖

3.2 Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)

采用Kendall法，對河溪水文站年徑流序列秩次相關(guān)檢驗(yàn)，當(dāng)n=64、置信度水平取α=0.05時(shí)，Uα/2=1.96。本文對河溪水文站1957—2020年年徑流量序列進(jìn)行Kendall法檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，其結(jié)果U=0.85，|U|＜Uα/2表示序列變化趨勢不顯著；且U＞0表示序列呈上升趨勢。也就是說河溪水文站年徑流量序列變化趨勢呈現(xiàn)出并不顯著的上升趨勢。

3.3 R/S法分析

根據(jù)該流域河溪水文站多年徑流資料的分析，將年徑流量時(shí)間序列:{X i}={1，2，3，……64}，應(yīng)用R/S分析法對河溪水文站年徑流量時(shí)序進(jìn)行分析。對所給序列進(jìn)行分析，并進(jìn)行直線擬合，得到年徑流量時(shí)間序列（圖12）的回歸方程為ln（R/S）=0.695 9ln i-0.325 6，計(jì)算結(jié)果H=0.695 9＞0.5，這表明河溪水文站年徑流量的變化具有長程相關(guān)性，存在正的持續(xù)性，意味著未來的總體趨勢將與過去相同，即年徑流量在未來一段時(shí)期有持續(xù)增加的趨勢。

圖12 河溪水文站年徑流量時(shí)間序列R/S分析結(jié)果

4 結(jié) 語

本文采用有序聚類法等方法對流域水文站徑流資料“三性”進(jìn)行分析，并利用Kendall趨勢檢驗(yàn)法、R/S分析法的理論對代表站河溪站年徑流量時(shí)序變化的趨勢特性及豐枯演化規(guī)律進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論:

1）經(jīng)采用有序聚類法、降雨徑流相關(guān)法等，對徑流資料“三性”分析得出，武水徑流資料具有較高的可靠性、明顯的一致性和較好的代表性。

2）由Kendall趨勢檢驗(yàn)法分析可知，武水控制站河溪水文站年徑流量呈增加趨勢，但并不顯著。

3）由R/S分析法分析，結(jié)果表明武水控制站河溪水文站年徑流量變化存在正的持續(xù)性，從平均的觀點(diǎn)而言，可以預(yù)測河溪水文站的年徑流量將繼續(xù)呈微弱增加的趨勢。