香溪河流域1965—2010年徑流的變化趨勢及突變分析

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(1.南昌工程學院 水利與生態(tài)學院，南昌 330099；2.河海大學 水電學院，南京 210098；3.長江科學院 水土保持研究所，武漢 430012)

隨著氣候變化和人類活動的影響，世界上一些河流的徑流量發(fā)生了明顯的減小趨勢[1-2]。河流的徑流量減小會導致生產生活用水缺乏，使流域內部的水量分配出現(xiàn)矛盾。三峽工程自蓄水以來，通過跟蹤監(jiān)測，認為庫區(qū)水質總體良好，但香溪河、大寧河等部分支流庫灣回水區(qū)段出現(xiàn)了春季藻華，引起了各方關注[3-5]。三峽庫區(qū)支流面積約為水庫總面積的1/3，支流水體變化對庫區(qū)水體環(huán)境將產生直接的影響。在全球變暖的背景下，研究香溪河流域徑流變化特征，認識其演化規(guī)律和趨勢，為香溪河流域的綜合治理、水資源合理開發(fā)提供理論參考，以期為進一步研究流域水資源合理規(guī)劃和利用、河道綜合治理對策提供科學依據。

1 區(qū)域概況

香溪河流域地處長江流域上游,系長江三峽大壩壩首第1條支流，位于湖北省西北部，流域總面積2 247 km2。興山境內流長78 km，秭歸境內流11.1 km，為峽谷型河流。香溪河有東西2個源頭：東源于神農架林區(qū)螺馬店，名為東河；西源于大神農架山南的紅河，名為西河。東西兩河流至響淮相匯為香溪河，于香溪鎮(zhèn)東注入長江，下泄至三峽大壩[5]。

流域內有興山水文站，徑流始測于1958年，泥沙觀測始于1973年，最早的日降雨量可追溯到1935年。測站位于興山縣高陽鎮(zhèn)，地理位置：東徑110°45′，北緯31°13′，屬二類精度國家重要站，是三峽水文分區(qū)1 000～3 000 km2區(qū)域代表站。興山站位置從建站至今多次搬遷，控制面積變化較大。1958—1964年和1965年后匯流面積相比變化較大，徑流按比例放大后誤差較大，故將1958—1964年這段數(shù)據舍棄。

2 資料和方法

2.1 數(shù)據來源

本文所用1965—1990，2001—2010年徑流數(shù)據來自長江水利委員會編撰的水文年鑒；1992—2000年徑流數(shù)據由同行獲得；1991年徑流數(shù)據由降雨徑流關系插補獲得。資料為興山水文站的逐日徑流資料。對徑流數(shù)據進行預處理后，分別組成以4—9月份為汛期，10—3月份為非汛期；3—5月份為春季、6—8月份為夏季、9—11月份為秋季、12月份及次年1—2月份為冬季的徑流序列，同時對其平均值、最大值、最小值、變異系數(shù)等進行統(tǒng)計分析，得到徑流特征量。

2.2 數(shù)據處理方法

采用的方法包括：線性趨勢法、累積距平法、Mann-Kendall趨勢分析法、Mann-Kendall突變檢測和Theil-Sen’s估計法。

2.2.1 Mann-Kendall趨勢檢驗

Mann-Kendall趨勢檢驗法是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數(shù)檢驗方法。非參數(shù)檢驗亦稱為無分布檢驗，其優(yōu)點是樣本不需要遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適合用于類型變量和順序變量，廣泛應用于水文和氣象時間序列的變化趨勢分析[2，6]。

2.2.2 累積距平

累積距平也是一種常用的、由曲線直觀判斷變化趨勢的方法，方法的核心是判斷離散數(shù)據對其均值的離散幅度。若累積距平值增大，表明離散數(shù)據大于其平均值，反之則小于其平均值；如果曲線由上述2個部分組成，則可確定變化趨勢的拐點。從曲線明顯的上下起伏，可以判斷其長期顯著的演變趨勢及持續(xù)性變化，甚至還可以診斷出發(fā)生突變的大致時間[6]。

2.2.3 Mann-Kendall突變分析

突變監(jiān)測有很多種方法：如低通濾波法、滑動T檢驗法(MTT)、Cramer法、Yamarnot法、Mann-Kendall法。Mann-Kendall法在研究突變時不僅能明確突變發(fā)生的時間，還能檢測突變發(fā)生的區(qū)域[6-7]。

2.2.4 Theil-Sen’s估計

Theil-Sen’s法是Theil和Sen提出的一種粗略估計系列趨勢變化幅度的一種方法，被廣泛地應用在氣象水文時間序列數(shù)據中[2，7-8]。該方法通過對時間序列X,計算傾斜度指標β，得到單調趨勢度量因子。β>0表示趨勢上升；β<0表示趨勢下降。β值的大小反映了趨勢的斜率，其是否顯著,一定要通過給定顯著性水平下的檢驗。

3 結果及分析

3.1 流域徑流特征

3.1.1 流域年徑流特征

圖1 香溪河流域降雨和徑流的年內分配特征

興山站多年平均流量為36.58 m3/s，年內分配很不均勻，最大月7月份為65.5 m3/s，最小的1月份為13.12 m3/s，變化幅度達到500%；最大實測流量1 970 m3/s，最小實測流量1.06 m3/s。1965—2010年間各月均降水量和徑流量的年內分配如圖1所示，從圖中可以看出降水和徑流主要集中在5—9月份。最大降水和徑流都出現(xiàn)在7月份，分別占全年的16%和15.15%，最小降水和徑流皆出現(xiàn)在1月份，占全年的2%和3%。

表1為流域統(tǒng)計特征值，顯示香溪河流域在46 a間的平均徑流量為11.59億m3，變差系數(shù)Cv為0.29。汛期降水量和徑流量占全年的76%和71%，Cv分別為0.21和0.33，表明汛期降水量和徑流所占比重大，汛期徑流量較降雨量而言變化更大。

3.1.2 徑流的年代際特征

圖2為香溪河流域降水量和徑流量的年代際變化特征。20世紀60至80年代流域內的降水較豐沛并且平穩(wěn)，都超過了1 150 mm/a，徑流都穩(wěn)定在10億m3/a以上，徑流量和降水量的變化趨勢基本保持一致。但從20世紀90年代開始至今徑流量持續(xù)減小，降水和徑流關系也發(fā)生了變化。流域徑流量由80年代的13.2億m3/a銳減到90年代的9.77億m3/a，到了21世紀更是減小到9.63億m3/a 。

圖2 香溪河流域降水和徑流的年代際變化特征

3.1.3 徑流的季節(jié)特征

香溪河流域徑流在季節(jié)上分配不均，徑流主要集中在夏季，占全年的39%，秋、春、冬3季依次減小(見表1)。夏、秋2季的徑流不僅所占比重大，而且變差系數(shù)也大，分別為0.42和0.56，但同期降雨的變差系數(shù)只為0.29和0.32。徑流變化強度大于降雨，說明夏秋季人類活動(如水庫)對流域徑流進行了干預，人為地對流域徑流進行調整。

表1 香溪河流域1965—2010年降雨和徑流的變化特征

冬季降雨和徑流分別占全年的7%和10%，變差系數(shù)Cv為0.45和0.23。香溪河流域冬季降雨所占比重小但變化較大，徑流量所占比重雖小，但變幅不大。冬季徑流最為穩(wěn)定，說明在冬季徑流主要是由地下基流補給。

3.2 徑流的變化趨勢分析

3.2.1 年變化趨勢

46 a來流域徑流表現(xiàn)為下降趨勢。線性趨勢顯示流域徑流以0.089億m3/a的速度減?。粡睦鄯e距平曲線(圖3)上可以發(fā)現(xiàn)1966—1975，1980—1985年是徑流量上升階段；1989—2010年處在下降階段。表2是1965—2010年流域的年、季徑流序列的變化趨勢檢測和Theil-Sen’s斜率估計結果。顯示年、汛期、非汛期徑流下降趨勢顯著，下降速度分別達到0.087億，0.055億，0.028億m3/a。不同的方法均表明流域年徑流減少超過了0.08億m3/a。和文獻[9-10]結果一致。就整個研究時段來說，持續(xù)下降的時段明顯長于上升的時段。

圖3 香溪河流域年均和四季徑流值累積距平趨勢分析

流域徑流下降，一是因為降雨總體上呈減小趨勢，另一方面是流域下墊面條件的變化。據資料統(tǒng)計[5]，香溪河流域的林草覆被率在1988—1999年間由76.27%提高到77.9%，坡地墾殖率由7.89%降為6.58%。林草覆被率的提高攔蓄了地表徑流，良好的植被覆蓋能涵養(yǎng)水源,調節(jié)徑流,緩沖雨能,保護土壤,有效地防止土壤侵蝕。

3.2.2 季變化趨勢

從徑流的季節(jié)性變化趨勢(見表2)可以看到，四季趨勢表現(xiàn)不盡相同：春季、秋季徑流下降趨勢顯著，下降速率分別為0.027億～0.031億，0.042億～0.062億m3/a；夏季徑流下降趨勢不顯著；冬季徑流上升趨勢不顯著。春秋2季徑流下降趨勢顯著一方面是因為降雨減少；另一方面為水利工程的修建蓄水，改變降雨徑流過程所致。春秋季降雨占全年的49%，同時這兩季降雨一般強度不大，這種降雨強度和量不大的降雨產生的徑流正好為森林植被憑借自身巨大蓄水能力所貯存。夏季徑流下降不顯著的原因在于夏季降雨量大且集中，水庫攔蓄能力有限，徑流基本體現(xiàn)降雨的特點。冬季徑流增加是因為冬季降雨有增加趨勢，不顯著是因為冬季降雨量小。

表2 香溪河流域1965—2010年徑流量趨勢分析參數(shù)統(tǒng)計

注：Z為Mann-Kendall趨勢檢驗統(tǒng)計值；β為Theil-Sen’s統(tǒng)計值。

3.3 徑流的突變分析

3.3.1 年突變

根據Mann-Kendall突變檢測的定義可知，徑流序列的突變點是順時秩序列統(tǒng)計量UF和逆時秩序列統(tǒng)計量UB的交點。由圖4(a)可知，香溪河流域年徑流突變出現(xiàn)的年份為1989年，1989—2010年為突變時段。由UF曲線可見，自1989年流域徑流有一明顯的減小趨勢，在1995—2010年減小趨勢均超過0.05臨界線，2000年后甚至超過0.001顯著性水平(U0.001為2.56)，表明香溪河流域的徑流減小趨勢是十分顯著的。同時發(fā)現(xiàn)流域年徑流的突變發(fā)生時間是和流域降雨的突變時間一致。但降雨的突變并不顯著，而徑流突變顯著。

圖4 香溪河流域1965—2010年均徑流量突變點檢驗分析圖

3.3.2 季突變

香溪河流域徑流季節(jié)突變結果顯示，春季徑流突變開始年份為1978年，突變時段為1978—2010年。春季徑流減小顯著，在1983—1989年和1994—2010年超過顯著性水平0.05的顯著性檢驗，并在1999—2010年超過0.001的顯著性檢驗，見圖4(b)。

夏季徑流突變從M-K值圖上來看，在1966，1995，1998，2003，2005，2006，2008年共有7個突變點，見圖4(c)。通過對夏季降雨分析，1966,2006,2008年是夏季降雨突變；其余年份突變可能是人類活動導致。香溪河流域自90年代實施了大規(guī)模的水土保持措施后導致流域林草覆被提高，增大了植被對徑流的攔截和延緩所致。同時流域內修建了一些水庫等蓄水設施對徑流進行了調節(jié)。

秋季徑流突變年份發(fā)生在1989年，和年徑流突變年份一致。1989—2010年為突變區(qū)域，其中1994—2010年突變的顯著性通過了0.05的顯著性檢驗，并且1998—2010年的顯著性超過了0.001的顯著性檢驗，見圖4(d)。

冬季徑流突變年份為1988年，以1991年為界，前段徑流為下降趨勢，后段為上升態(tài)勢。1998—2002年冬季徑流的增長通過了0.05的顯著性檢驗，見圖4(e)。

4 結 論

通過對香溪河流域興山站1965—2010年徑流量變化的研究，得到了以下結論：

(1) 香溪河流域興山站46 a來實測平均徑流為11.59億m3/a，總體上年徑流量以0.089億m3/a速率下降。從季系列來看：春季和秋季徑流下降趨勢顯著；夏季徑流下降趨勢不顯著；冬季徑流上升趨勢不顯著。

(2) 從年徑流量的突變來看，興山站徑流出現(xiàn)突變的年份1989年，此后徑流有一明顯的減小趨勢。在1995—2010年時段減小趨勢超過0.05臨界線，2000年后甚至超過0.001顯著性水平。季徑流系列的突變時間分別是：春季在1978年；夏季共7個突變點，情況復雜；秋季徑流突變年份在1989年，而冬季為1988年。

(3) 徑流下降趨勢顯著一方面是因為降雨減少，另一方面為水利水保工程的修建實施。從整個研究時段來看：1990年前年徑流和降水有較好的一致性，表明這個階段人類活動對徑流擾動不大；但1990年后兩者變化不一致，徑流除受降雨的影響外還受到人類活動的強烈干預。

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