淮河干流徑流變化特征及影響因素分析

王園欣

（信陽(yáng)市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南 信陽(yáng) 464000）

0 概述

淮河流域位于我國(guó)中部，是我國(guó)洪澇災(zāi)害的高發(fā)區(qū)之一，隨著淮河流域環(huán)境的變化，流域內(nèi)極端水文事件出現(xiàn)的頻率增加，洪澇災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)增加，同時(shí)流域內(nèi)徑流特性也在不斷地改變，對(duì)區(qū)域水資源開發(fā)利用造成了不利的影響，影響河流生態(tài)系統(tǒng)，不利于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。在過(guò)去的50 多年間，淮河流域多數(shù)雨量站年最大日降水量有不明顯的增加趨勢(shì)，雖然徑流量的變化與降雨量的時(shí)空分布有緊密聯(lián)系，但是受閘、壩等水利工程調(diào)蓄的影響，流域內(nèi)河道流量與降水之間的線性關(guān)系擬合不是很理想[1]。針對(duì)淮河流域的水文特征，分析徑流演變規(guī)律、變化特征及其影響因素，是合理利用區(qū)域水資源的基礎(chǔ)。

淮河流域閘、壩等水利設(shè)施眾多，改變了河道徑流特征，對(duì)河流生態(tài)及環(huán)境影響較大，同時(shí)淮河流域是我國(guó)人口密度最大的區(qū)域之一，流域內(nèi)的水環(huán)境及安全問(wèn)題突出[2]。該文以王家壩、魯臺(tái)子、蚌埠作為典型站，從徑流的變化趨勢(shì)、突變特性及周期特征等幾個(gè)方面，對(duì)淮河干流的徑流特征進(jìn)行分析，從氣候變化、人類活動(dòng)等方面對(duì)產(chǎn)匯流變化的機(jī)理及影響進(jìn)行探討，為流域閘壩調(diào)度、水資源綜合利用等提供參考。

1 研究區(qū)域

淮河水系流域面積約為19 萬(wàn)km2，干流流經(jīng)河南、湖北、安徽、江蘇四省，以洪河口、三河閘作為上游-中游、中游-下游的分界點(diǎn)，在江蘇三江營(yíng)匯長(zhǎng)江入海[3]。流域多年平均降水量約為920 mm，降水時(shí)空分布不均勻，大致是由南向北遞減，南部大別山區(qū)降水量超過(guò)1400 mm，北部降水量低于700 mm；最大年降水量與最小年降水量相差3~4 倍，汛期（6-9 月）汛期降水量占全年降水量的50%~80%。根據(jù)《淮河片水資源公報(bào)》（2018 年），淮河流域多年平均地表水資源量為594.9 億m3，地下水資源量為338.1 億m3，水資源總量為887.0 億m3。2018 年，總用水量為549.1 億m3，其中地表水源供水為411.3 億m3，占總供水量的74.9%，地表水資源開發(fā)程度較高；2018 年淮河流域全年期評(píng)價(jià)河長(zhǎng)20991.8km，水質(zhì)低于Ⅴ類水質(zhì)（含Ⅴ類）河道長(zhǎng)度為956.3km，占比27.9%，水污染問(wèn)題依然嚴(yán)峻。

該文選取王家壩、魯臺(tái)子和蚌埠作為淮河干流不同區(qū)域的典型代表站，分析徑流的變化趨勢(shì)。所選典型站點(diǎn)在淮河干流上的位置、重要性等方面有各自的特點(diǎn)，其中，王家壩站位于淮河上中游結(jié)合部，控制流域面積為3.1 萬(wàn)km2，水位流量受王家壩蓄滯洪區(qū)消峰影響較大；魯臺(tái)子站位于淮河干流中游，控制流域面積為8.9 萬(wàn)km2，水位流量受臨淮崗洪水控制工程、淮河中游行蓄洪區(qū)的影響較大；蚌埠站位于淮河干流中下游、洪澤湖上游，控制流域面積12.1 萬(wàn)km2，所處河段水流平緩，受上游閘壩影響較大，河流的自凈能力較弱，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，是開展水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度的重點(diǎn)區(qū)域。

2 研究方法

該文采用Mann-kendall 秩次相關(guān)檢驗(yàn)方法[4]（以下簡(jiǎn)稱M-K 方法）來(lái)分析徑流隨時(shí)間序列的變化特征，該方法不需要樣本遵循一定的分布規(guī)律，也不受少數(shù)異常值的干擾，是一種簡(jiǎn)便有效的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，在趨勢(shì)分析中應(yīng)用較為廣泛。方法如下：在對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行M-K 檢驗(yàn)時(shí)，定義統(tǒng)計(jì)量τ，樣本方差στ2以及標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)量Zc，如公式（1）~公式（3）所示。

式中：P為序列中所有對(duì)偶觀測(cè)值（Xi，Xj，i＜j）中Xi＜Xj出現(xiàn)的次數(shù)；n為序列樣本長(zhǎng)度。給定置信水平α，如果|ZC|≥Z（1-α/2），就拒絕零假設(shè)，時(shí)間序列存在明顯上升或下降的趨勢(shì)。當(dāng)ZC＞0 時(shí)為上升趨勢(shì)，反之為下降趨勢(shì)。該研究中采用置信度α=0.05，對(duì)應(yīng)的臨界值Z（1-α/2）為1.96。

M-K 方法也可對(duì)序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)，大致分析序列發(fā)生突變的位置。假定時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立，定下統(tǒng)計(jì)量：

式中：ri為第i個(gè)樣本Xi大于Xj（2≤ j≤ i）的累計(jì)數(shù)。對(duì)dk標(biāo)準(zhǔn)化后得到UFk，給定顯著水平α，當(dāng)|UFk|＞U（1-α/2）時(shí)，表示存在一個(gè)上升或下降趨勢(shì)。將該方法引用到反序列中，得到UFk'（k'=n+1-k），并使UBk=-UFk'，如果UFk曲線與UBk曲線在置信線之間存在交點(diǎn)，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻即為突變發(fā)生的時(shí)刻。

3 流域徑流演變特征分析

3.1 整體特征

為了解淮河干流徑流量變化的整體特征，統(tǒng)計(jì)分析站點(diǎn)的徑流變化規(guī)律，如圖1 所示。1960—1966 年、1984—1986年和2001—2007 年3 個(gè)階段的徑流量年際變化比較劇烈，年徑流量偏大，處于波動(dòng)的偏高年；1967—1984 年、1987—2000年的年徑流量則處在較平穩(wěn)的波動(dòng)期，年徑流量相對(duì)偏小。同時(shí)，各站點(diǎn)徑流量的大小變化同流域位置分布基本一致，呈上游至下游增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

圖1 1956—2008 年典型站年徑流變化過(guò)程

根據(jù)站點(diǎn)徑流年代際分配情況，1971—1980年和1991—2000 年的平均徑流量相對(duì)較小，整體上同樣存在上下游之間的增長(zhǎng)變化規(guī)律，見(jiàn)表1。

表1 典型站徑流年代際平均徑流量分配統(tǒng)計(jì)（單位：108m3)

典型站各月平均徑流量占年徑流量的比例見(jiàn)表2，5—9月各站徑流量占全年徑流量的比例較大，上下游站點(diǎn)之間的分配比例基本相同，均占到年徑流量的70%以上，與降水量年內(nèi)分布規(guī)律基本一致。

表2 典型站徑流年內(nèi)分配統(tǒng)計(jì)（單位：%）

3.2 趨勢(shì)分析

采用M-K 方法對(duì)各站徑流時(shí)間序列進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。結(jié)果顯示，站點(diǎn)年徑流量序列的M-K檢驗(yàn)值Zc分別為0.68，-0.27 和-0.13，|Zc|＜1.96，均未通過(guò)95%的顯著性檢驗(yàn)，表明典型站點(diǎn)1956—2008 年的徑流量變化趨勢(shì)并不明顯。其中，王家壩站的檢驗(yàn)值為正，表明徑流量呈不明顯上升趨勢(shì)，魯臺(tái)子和蚌埠站的統(tǒng)計(jì)值為負(fù)，表明年徑流量呈不明顯下降趨勢(shì)。蚌埠站1 月徑流量具有顯著上升趨勢(shì)，4 月和5 月徑流量具有較明顯下降趨勢(shì)，8 月和9 月具有較明顯上升趨勢(shì)；魯臺(tái)子站徑流量在4—6 月、10—12 月均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；蚌埠站在4—6 月、10 月—次年1 月徑流量均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

表3 典型測(cè)站徑流序列M-K 統(tǒng)計(jì)表（Zc）

3.3 突變性分析

從典型站的徑流整體變化特征來(lái)看，年徑流量具有十分明顯的波動(dòng)，其M-K 突變檢測(cè)曲線如圖2 所示。各站點(diǎn)的M-K 曲線基本處于臨界線之間，王家壩站UFk曲線多在0 以上，表明徑流量整體上呈增加趨勢(shì)，魯臺(tái)子站、蚌埠站的UFk曲線多為負(fù)值，表明兩站徑流呈減少的趨勢(shì)。UFk曲線與UBk曲線在2條信度線之間存在多個(gè)交點(diǎn)，但UFk沒(méi)有超過(guò)信度線，所以沒(méi)有突變點(diǎn)。因此，典型站徑流量出現(xiàn)階段性增加或減少趨勢(shì)，雖然出現(xiàn)多處變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)，但是并非突變現(xiàn)象。

圖2 典型站年徑流序列M-K 曲線

3.4 周期性分析

根據(jù)典型站的年徑流變化圖，其徑流量變化存在一定的周期性規(guī)律。該文采用傅里葉變換方法對(duì)徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜分析，確定徑流變化的周期性特征。以傅里葉變換為基礎(chǔ)的功率譜分析，可將時(shí)間序列的總能量分解到不同頻率的分量，然后用不同頻率的波動(dòng)方差貢獻(xiàn)得出序列的周期[5]。通過(guò)功率譜分析得出徑流時(shí)間序列的頻譜圖王家壩站徑流主要存在6 年、4 年的周期和2.5 年的顯著周期，魯臺(tái)子站存在20年、6 年、4 年的周期和2.5 年的顯著周期，蚌埠站的徑流量變化周期和魯臺(tái)子站基本相同，如圖3 所示。

圖3 典型站徑流時(shí)間序列的頻譜圖

4 徑流變化趨勢(shì)影響因素

4.1 人類活動(dòng)影響

淮河流域現(xiàn)有各類攔河閘5000 余座，河流開發(fā)程度較高，河流天然徑流量發(fā)生大幅改變，特別是淮河干流的閘壩工程，對(duì)沿線水文站徑流量的年內(nèi)變化影響較大。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，淮河各級(jí)支流水文形勢(shì)受人類活動(dòng)影響日益加劇，閘壩下游流量長(zhǎng)期得不到保障，甚至出現(xiàn)斷流的現(xiàn)象。以蚌埠閘為例，該閘建于1959 年，建閘前后水文情勢(shì)變化明顯，建閘后枯水季節(jié)的平均流量明顯大于建閘前，原因在于建閘后枯水季節(jié)人為調(diào)控能力增強(qiáng)。閘壩對(duì)河流的影響，除了對(duì)水量分配存在影響，對(duì)河流水質(zhì)的變化也有較大影響[6]。

4.2 氣候變化因素

河川徑流變化是區(qū)域氣候和自然地理?xiàng)l件等要素變化的綜合反映，與降水、蒸發(fā)等氣象要素關(guān)系密切。氣候的變化直觀地反應(yīng)在降水量的變化上，進(jìn)而導(dǎo)致河川徑流量改變。相關(guān)研究成果顯示，20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，淮河流域年降水量呈現(xiàn)略微下降的趨勢(shì)，但是下降程度并不明顯[7]，但多數(shù)雨量站的年最大日降水量呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，只有少部分站點(diǎn)有減少的趨勢(shì)，雖然增加和減少的趨勢(shì)均不顯著[8]，但是也可看出洪澇或干旱發(fā)生的概率增加。這和該文研究的徑流量的整體變化趨勢(shì)是一致的。

5 結(jié)語(yǔ)

該文以淮河流域干流王家壩站、魯臺(tái)子站及蚌埠站為典型站，采用M-K 分析方法對(duì)年徑流量及月徑流量的變化趨勢(shì)進(jìn)行了研究，分析了淮河流域的徑流的變化規(guī)律及演變特征。結(jié)果表明，淮河干流的年徑流量變化趨勢(shì)不明顯，不同站點(diǎn)的徑流量年內(nèi)分配趨勢(shì)有差別，月徑流量的增加和減少同年徑流量大小有關(guān)，上下游的徑流量變化趨勢(shì)基本相同?；春恿饔驈搅髂陜?nèi)分配的變化受到人類活動(dòng)、氣候變化等因素的影響，閘壩工程對(duì)區(qū)域徑流量變化具有很大的調(diào)節(jié)作用。因此，閘壩工程的科學(xué)合理調(diào)度，對(duì)流域的防洪控污、水資源高效開發(fā)利用具有重要意義。