梅江上游流域徑流變化特征及其影響因子分析

楊寶林

(贛州市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，江西 贛州 341000)

徑流是由大氣降雨所產(chǎn)生的，并經(jīng)由流域的各種途徑流入河川、湖泊以及海洋。徑流的產(chǎn)生是所有自然地理因素綜合影響的結(jié)果，直接影響徑流的各種因素一般有天氣、下墊面和人為因素。而國(guó)際氣候變化和人類活動(dòng)干預(yù)對(duì)流域徑流演變產(chǎn)生的正、負(fù)面影響歷來(lái)倍受重視，在不同尺度流域、不同地域及不同時(shí)期下研究結(jié)果均存在一定的差異。高敏華[1]在對(duì)西江下游流域高要段水沙規(guī)律的研究結(jié)論指出，上游水利工程的建設(shè)影響水文站的徑流變化；王彥君等[2]研究提出松花江流域徑流量趨勢(shì)的主要影響原因是人類活動(dòng)；付曉花等[3]在研究灤河流域不同階段時(shí)提出，人類活動(dòng)和降水對(duì)徑流變化存在不同程度影響；葉許春等[4]認(rèn)為不同時(shí)期氣候因素始終對(duì)贛江流域徑流變化的影響起著主導(dǎo)作用；黃鋒華等[5]研究結(jié)論中顯示，引起榕江流域徑流變化的主導(dǎo)因子為氣候變化，其貢獻(xiàn)率占85%以上。

近年來(lái)，對(duì)贛江流域內(nèi)大中尺度的流域徑流變化及其影響因子方面，學(xué)者進(jìn)行了大量的深入研究，由于規(guī)模較大的流域，下墊面情況更加復(fù)雜多變，可能會(huì)低估人類活動(dòng)的影響，為此，本文選取贛江上游梅江上游流域?yàn)檠芯糠秶?，進(jìn)一步深入地研究該流域徑流變化特征和影響因子，定量比較不同時(shí)期驅(qū)動(dòng)因素對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率大小，以期為當(dāng)?shù)貙?duì)梅江流域的水資源可持續(xù)利用和科學(xué)管理提供支撐。

1 流域簡(jiǎn)介

梅江為贛江支流，位于江西省東南部,發(fā)源于寧都縣肖田鄉(xiāng)北境黃陡山，流經(jīng)寧都、石城、于都及瑞金市，至于都縣白口塘匯入貢水。梅江流域范圍為北緯27°10′～25°59′，東經(jīng)116°40′～東經(jīng)115°30′，流域總面積為7 099 km2，河長(zhǎng)為208 km。流域呈芭蕉葉形、山丘地貌，地勢(shì)由東、西、北三面向南部?jī)A斜，流域內(nèi)植被良好，主峰凌華山海拔為1 455 m。氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候，氣候溫和、雨量充沛、光照充足，四季分明，無(wú)霜期較長(zhǎng)，多年平均氣溫為18.3℃，多年平均降雨量為1 667.7 mm，雨量充沛，但年際之間、年內(nèi)各月雨量分配極不均勻。本次研究區(qū)域?yàn)榍俳瓍R合口以上梅江上游流域(3 010 km2)，主要在寧都縣境內(nèi)。

梅江上游已建有一座大(2)型水庫(kù)團(tuán)結(jié)水庫(kù)，壩址以上流域面積為412 km2，水庫(kù)控制集水面積較小，對(duì)徑流調(diào)節(jié)影響作用較小。

寧都水文站為梅江干流上游控制站，位于寧都縣城，地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°01′，北緯26°29′，控制集水面積為2 372 km2，1958年設(shè)立，自1959年始有水位、流量、降雨量資料，歷年資料均經(jīng)省水文部門審查、整編或刊印，資料可靠(見圖1所示)。

圖1 梅江上游流域水系及站點(diǎn)分布示意

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本次使用的寧都水文站1959—2019 年的實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)來(lái)源于贛州市寧都縣水文局。寧都水文站以上流域有肖田、東韶、東山壩、璜陂、寧都5個(gè)雨量站，采用泰森多邊形法計(jì)算寧都水文站以上流域的面降雨量。

2.2 研究方法

2.2.1Manna-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法

Manna-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法是目前廣泛應(yīng)用的一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法。該種方法樣本值自由度高，不必遵循一定分布，高水平定量化，覆蓋范圍較廣，統(tǒng)計(jì)分析方法簡(jiǎn)單，更適合用于順序變量和類型變量[6]。對(duì)于樣本個(gè)數(shù)為n的時(shí)間序列，構(gòu)造一秩序列：

(1)

式中ri取值如下：

(2)

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)

UF1=0，E(Sk)和var(Sk)是Sk的均值和方差。

在x1，x2，…xn相互獨(dú)立，且具有相同連續(xù)分布時(shí)，可由下式計(jì)算(k=2,3,…,n)：

(4)

同理，可算出逆序的統(tǒng)計(jì)量UBk，通過(guò)UFk值可以判斷曲線變化的趨勢(shì)，UFk線在臨界線內(nèi)變化則表明變化不明顯，當(dāng)UFk線超過(guò)臨界線時(shí)表明變化趨于顯著。UFk和UBk2條曲線在臨界線之間的交線所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為變量的突變時(shí)間；但若交點(diǎn)發(fā)生在臨界點(diǎn)線外或出現(xiàn)多個(gè)交叉點(diǎn)，則需根據(jù)其他檢驗(yàn)方法進(jìn)一步確認(rèn)突變點(diǎn)[7]。

2.2.2累積距平法

累積距平法，可以通過(guò)曲線走勢(shì)直觀判斷要素變化趨勢(shì)。對(duì)樣本數(shù)量為n的變量x(t)，其某一時(shí)間內(nèi)t的累積距平值cm可以表述為：

(5)

該分析方法的關(guān)鍵點(diǎn)在于當(dāng)數(shù)值連續(xù)超過(guò)平均數(shù)后，累計(jì)距平值增加，曲線呈現(xiàn)上漲走勢(shì)，反之則呈現(xiàn)下滑走勢(shì)[8]。根據(jù)曲線的起伏變化，有助于確定研究因子的長(zhǎng)期發(fā)展態(tài)勢(shì)和突變點(diǎn)。

2.2.3雙累積曲線法

雙累積曲線是檢驗(yàn)兩個(gè)參數(shù)趨勢(shì)變化的一致性及其變化程度的常用方法。降雨量與徑流量的雙累積曲線是以累積降雨量為參照變量的關(guān)系曲線，可用來(lái)分析降雨量和人類活動(dòng)對(duì)河流徑流量的趨勢(shì)性變動(dòng)所起的作用，確定出現(xiàn)趨勢(shì)變動(dòng)的年份和變動(dòng)的嚴(yán)重程度，分辨氣候變化和人類活動(dòng)的作用[9-10]。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域降雨量、徑流量變化特征

1) 年內(nèi)變化

梅江上游流域多年平均降雨量為1 667 mm，年內(nèi)降雨分布很不均勻，入汛初期4—6月降雨量占全年降水總量的47.6%，其中6 月多年平均降雨量最大(寧都站為306.1 mm)，達(dá)全年降雨量的18.35%；枯水期9月—次年3月的降雨量?jī)H占全年總量的32.9%，而12 月多年平均降雨量最小(寧都站為43.8 mm)，僅占全年降雨量的2.62%(見圖2)。

圖2 寧都站1959—2019年降雨量和徑流量年內(nèi)分布特征示意

梅江上游流域多年平均徑流量為24.1億m3，年內(nèi)徑流分配也不均勻，入汛初期4—6月徑流量占全年徑流總量的47.8%，其中又以6月最大，占全年徑流量的20.0%，枯水期9月—次年3月的徑流量?jī)H占全年總量的34.3%，其中1月徑流量最小，占全年徑流量的3.5%。徑流量與降雨量年內(nèi)變化趨勢(shì)基本一致。

2) 年際變化

梅江上游流域1959—2019 年平均降雨量為1 667.7 mm，Cv值為0.236，變異程度中等。降雨年際間變化差異較大，年降雨量最大為2015 年的2 841.0 mm，為多年平均降雨量的1.7倍，而年降雨量最小為2003年的929.2 mm，為多年平均降雨量的55.7%，豐、枯水年年平均降雨量相差3.06倍。M-K 趨勢(shì)檢驗(yàn)的結(jié)果表明，總體上1959—2019 年流域降雨量隨時(shí)間呈不顯著的波動(dòng)增加(Z=0.18且|Z|<1.96)趨勢(shì)(見圖3)。

圖3 寧都站年降雨量的M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果示意

流域1959—2019年平均徑流量為24.1億m3，Cv值為0.345，變異程度中等。徑流的年際間變化差異也較大，年徑流量最大為2016年的44.7億m3，為多年平均徑流量的1.85倍,而徑流量最小的為1963年的9.26億m3，為多年平均流量的38.4%，豐、枯水年年平均徑量相差4.83倍。M-K趨勢(shì)分析的結(jié)果表明，總體上1959—2019 年流域徑流量隨時(shí)間呈不顯著的波動(dòng)增加(Z=0.34且|Z|<1.96)趨勢(shì)(見圖4)，與降雨量變化特征一致。

圖4 寧都站年徑流量的M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果示意

3.2 突變年份分析

綜上可知，寧都站降雨量和徑流量M-K趨勢(shì)線均存在著多個(gè)交點(diǎn)，因此，本次結(jié)合累積距平法進(jìn)一步判定突變點(diǎn)，結(jié)果表明:降雨量和徑流量均在1962年、1991年、2002年和2011年4個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了突變，其中，1959—1962年、1992—2002年和2012—2019年3個(gè)時(shí)間段降雨量和徑流量的累積距平線總體呈上升態(tài)勢(shì)(見圖5)，表明3個(gè)時(shí)間段內(nèi)降雨量和徑流量在累年增加；1963—1991年和2003—2011年2個(gè)時(shí)間段降雨量和徑流量的累積距平線整體呈下降趨勢(shì)(見圖6)，表明2個(gè)時(shí)間段內(nèi)降雨量和徑流量在累年減少。

圖5 寧都站年降雨量累積距平曲線示意

圖6 寧都站年徑流量累積距平曲線示意

同時(shí)，梅江上游流域降雨量和徑流量的累積距平值在1959—1966 年基本大于0(除1960年、1965年和1966年累積徑流量小于0)，表明該時(shí)段內(nèi)流域的降水和徑流為豐水期；而在1967—2019 年的累積距平值基本小于0(除1970年和1976年累積徑流量、2002年和2016年累積降雨量、徑流量大于0)，表明該時(shí)段內(nèi)流域的降水和徑流為枯水期。根據(jù)累積距平曲線結(jié)果可知，近50 a來(lái)，梅江上游流域主要為相對(duì)枯水期。

3.3 貢獻(xiàn)率分析

基于流域降雨量和徑流量累積距平法分析的結(jié)果，降雨量和徑流量均在1962年、1991年、2002年和2011年出現(xiàn)突變，因此，將研究區(qū)間劃分為1959—1962年、1963—1991年、1992—2002年、2003—2011年和2012—2019年5個(gè)時(shí)間段，1962年以前，建國(guó)初期人類活動(dòng)相對(duì)較少，徑流量變化主要受到氣候變化(降雨量)的影響，1959—1962年可看作基準(zhǔn)期，1962年以后，生產(chǎn)建設(shè)快速發(fā)展，人類活動(dòng)逐漸頻繁作用到徑流的形成，徑流量的變化除了受到降雨量等自然因素的影響外，還疊加了人類活動(dòng)的影響，因此，將后4個(gè)時(shí)間段與基準(zhǔn)期作比較，建立流域年降雨量和年徑流量的雙累積曲線，分析流域徑流量變化的影響因子及其貢獻(xiàn)率[11-13]。

根據(jù)上文劃分的5個(gè)時(shí)間段，各時(shí)段內(nèi)累積降雨量和徑流量的擬合方程和相關(guān)系數(shù)如圖7 所示。結(jié)果表明，與基準(zhǔn)期1959—1962年相比，1963—1991 年流域的年徑流量減小了7.33億m3/a，其中降水對(duì)徑流量減小的貢獻(xiàn)率占82.7%，人類活動(dòng)對(duì)徑流量減小的貢獻(xiàn)率占17.3%；1992—2002 年流域年徑流量增加了7.3億m3/a，其中降水對(duì)徑流量增加的貢獻(xiàn)率占72.6%，人類活動(dòng)對(duì)徑流量增加的貢獻(xiàn)率占27.4%； 2003—2011年流域的年徑流量減小了9.18億m3/a，其中降水對(duì)徑流量減小的貢獻(xiàn)率占77.8%，人類活動(dòng)對(duì)徑流量減小的貢獻(xiàn)率占22.2%；2012—2019年流域的年徑流量增加了7.48億m3/a，其中降水對(duì)徑流量增加的貢獻(xiàn)率占91.33%，人類活動(dòng)對(duì)徑流量增加的貢獻(xiàn)率占8.67%(見表1)，4個(gè)比較期的降水對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率均占70%以上，表明梅江上游流域徑流量的變化主要影響因子為降水，人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的影響一直都不明顯[14]，與當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)際相符。

圖7 寧都站1959—2019年年降雨量和年徑流量雙累積曲線示意

表1 梅江上游流域降水和人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率分析億m3/a

4 結(jié)論與討論

本文根據(jù)梅江上游流域近60 a(1959—2019年)的逐年、逐月降雨量和徑流量數(shù)據(jù)，采用累計(jì)距平法、線性趨勢(shì)法等分析了該流域降雨量和徑流量的年內(nèi)、年際分布特征和變化規(guī)律，并采用雙累積曲線法分析了氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流量影響的貢獻(xiàn)率，主要結(jié)論如下：

1) 梅江上游流域多年平均降雨量為1 667 mm、多年平均徑流量為24.1億m3，流域降水、徑流在年內(nèi)分布很不均勻，入汛初期4—6月降雨量和徑流量約占全年總降水量和總徑流量的一半。

2) 不同年際間降雨量、徑流量差異較大，總體上1959—2019 年流域降雨量、徑流量隨時(shí)間呈不顯著的波動(dòng)增加趨勢(shì)。

3) 降雨量和徑流量均在1962年、1991年、2002年和2011年發(fā)生突變，因此，降雨和徑流量變化可據(jù)此劃分為5個(gè)變化階段。在過(guò)去50 a，梅江上游流域主要為相對(duì)枯水期。

4) 以第一個(gè)變化階段1959—1962年為基準(zhǔn)期，在不考慮其他變化條件的影響下，與基準(zhǔn)期相比，降雨量對(duì)梅江上游流域徑流量的變化貢獻(xiàn)較大，人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的影響則一直都不明顯。

5) 本文只考慮了氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響，未考慮下墊面的變化對(duì)徑流的影響，且探討的人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響是各種人類活動(dòng)作用的綜合體現(xiàn)，若要更加細(xì)化徑流變化的因素，還需做進(jìn)一步的研究。