張 倩, 張正棟, 楊傳訓(xùn)
(華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,廣州 510631)
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梅江流域1958
—2000年徑流量變化特征分析
張倩, 張正棟*, 楊傳訓(xùn)
(華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,廣州 510631)
摘要:基于梅江流域尖山、水口、橫山水文站1958—2000年實(shí)測(cè)徑流量數(shù)據(jù),運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析法分析梅江流域徑流量的年內(nèi)變化特征,采用Mann-Kendall(M-K)法、R/S分析法和Morlet小波分析法分析其年際變化特征.研究表明:(1)1958—2000年,梅江流域徑流主要集中于5— 9月,最大月徑流量在6月,最小月徑流量在1月,且越往下游9月份的徑流峰值越明顯;(2)梅江徑流量整體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),從上游到下游徑流增長(zhǎng)趨勢(shì)越來(lái)越明顯,除了秋季外,春夏冬三季增長(zhǎng)率從上游往下游不斷下降;(3)流域徑流在1972—1978年之間發(fā)生突變;(4)梅江流域年徑流有4、9、18 a準(zhǔn)周期,且主要表現(xiàn)為大尺度上的周期性,根據(jù)徑流的主周期18 a推測(cè),梅江流域整個(gè)時(shí)間序列上的年徑流呈現(xiàn)多-少-多-少-多-少的循環(huán)交替特征,推測(cè)2000—2018年將一直處于少?gòu)搅髌冢琑/S分析法檢測(cè)結(jié)果也表明在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)徑流可能會(huì)減少.
關(guān)鍵詞:徑流; 變化特征; 突變; 周期性; 梅江流域
伴隨著全球變暖和人類(lèi)活動(dòng)影響的加劇,河川徑流發(fā)生了顯著的時(shí)空變化.徑流的變化影響著流域水資源的發(fā)展,進(jìn)而影響著人類(lèi)的生產(chǎn)生活.研究變化環(huán)境下的徑流特征,認(rèn)識(shí)其演化特征和趨勢(shì),有助于深入了解流域水循環(huán)與水平衡以及流域的結(jié)構(gòu)和功能,對(duì)流域內(nèi)水資源合理開(kāi)發(fā)與利用等有重要意義[1-2].TUSET等[3]分別研究降雨、徑流、泥沙的特征來(lái)分析三者之間的轉(zhuǎn)移關(guān)系;HAGG等[4]通過(guò)研究冰川和徑流的特征對(duì)2050年的變化進(jìn)行了預(yù)測(cè);GOTTSCHALK等[5]從經(jīng)驗(yàn)正交方程角度對(duì)月徑流進(jìn)行插值,進(jìn)而研究徑流的特征;舒媛媛等[6]利用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)方法對(duì)灞河近50年的徑流特征進(jìn)行了分析;張曉曉等[7]通過(guò)對(duì)白龍江年均溫、年降水和年徑流變化的特征進(jìn)行分析,進(jìn)而研究了三者之間的關(guān)系;張敬平等[8]對(duì)漳澤水庫(kù)的徑流進(jìn)行了時(shí)間序列變化特征分析和突變分析.目前國(guó)內(nèi)研究主要側(cè)重于T檢驗(yàn)、M-K突變分析、Morlet小波分析、Lepage法和Pettitt法等,國(guó)外研究更加側(cè)重于使用統(tǒng)計(jì)方法.
梅江位于南方濕熱區(qū),是韓江一級(jí)支流,目前關(guān)于梅江流域的研究主要集中在泥沙和水質(zhì)方面[9-10],而關(guān)于徑流量的年內(nèi)分配特征,年際、汛期和非汛期的變化趨勢(shì)、突變性和周期性的研究較少.本文采用多種方法系統(tǒng)完整地對(duì)梅江流域徑流進(jìn)行趨勢(shì)性、突變性、周期性、年際變化特性和年內(nèi)分配特性的研究,以期為南方濕熱區(qū)流域水資源的合理利用提供重要依據(jù).
1數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法
1.1研究區(qū)概況
梅江流域位于廣東省東部,流域地理坐標(biāo)范圍為東經(jīng)115°13′~116°33′、北緯23°15′~25°18′.發(fā)源于廣東紫金縣的七星崠,經(jīng)五華、興寧、梅縣,于大埔三河壩與汀江、梅潭河匯合形成韓江.流域集水面積為13 929 km2,東西寬136.5 km,南北長(zhǎng)172 km,梅江干流全長(zhǎng)307 km[11].梅江流域流經(jīng)廣東省河源市的紫金縣、梅州市的五華縣、興寧市、梅江區(qū)、梅縣區(qū)、大埔縣、蕉嶺縣和平遠(yuǎn)縣,梅江水系及水文站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1.
圖1 梅江水系及水文站點(diǎn)分布
Figure 1The Meijiang River system and its distribution of hydrological stations
1.2數(shù)據(jù)來(lái)源
根據(jù)梅江流域內(nèi)水文站點(diǎn)的分布,兼顧上游、中游和下游,考慮到觀測(cè)資料的精確性、持久性和資料的完整性[12],選用1958—2000年尖山、水口、橫山水文站的逐月實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)來(lái)研究梅江流域的徑流變化狀況,其中尖山水文站監(jiān)測(cè)流域上游,水口水文站監(jiān)測(cè)中游,橫山水文站位于梅江下游接近三江匯流處,監(jiān)測(cè)下游.本文所采用的水文站點(diǎn)地理坐標(biāo)見(jiàn)表1.
表1 梅江流域代表站點(diǎn)
1.3研究方法
用統(tǒng)計(jì)分析方法分析梅江流域徑流年內(nèi)分配,用徑流量變化趨勢(shì)的計(jì)算方法和Mann-Kendall(M-K)方法[13]研究年徑流變化的趨勢(shì)性和突變性(Mann-Kendall方法是提取序列變化趨勢(shì)的有效工具,被廣泛應(yīng)用于氣候參數(shù)和水文序列的分析),其中將3—5月、6—8月、9—11月、12月—次年2月分別劃為春、夏、秋和冬季.利用R/S分析法[14]預(yù)測(cè)了未來(lái)年徑流可能的變化趨勢(shì).運(yùn)用Morlet小波分析[15]1003研究年徑流的周期性變化,并通過(guò)0.05信度紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜[16]對(duì)準(zhǔn)周期進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn),以確定主周期.小波分析具有多分辨率分析和對(duì)信號(hào)的自適應(yīng)性的特點(diǎn),可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)空多尺度分析,特別適合將隱含在時(shí)間序列中各種隨時(shí)間變化的周期振蕩很清楚地表現(xiàn)出來(lái),并且能定性估計(jì)未來(lái)演變趨勢(shì)[15]1001.
2結(jié)果與分析
2.1徑流年內(nèi)分配
梅江徑流補(bǔ)給的主要來(lái)源是降水補(bǔ)給.受降水季節(jié)分布的影響,梅江徑流的年內(nèi)分配差異很大,夏季和秋季的降水量較為豐富和集中.從圖2和表2看出,流域徑流主要集中于5— 9月,約占年徑流總量的65%左右,其余月份河流徑流量較?。桓髡咀畲笤聫搅髁烤霈F(xiàn)在6月份,占年徑流總量的14.16%~17.11%,最小月徑流量均出現(xiàn)在1月份,占3.12%~3.19%,其中越往下游9月份的徑流峰值越明顯,可能與9月份梅江流域受季風(fēng)影響、降雨量增大、河流上中游植被覆蓋較下游更好、對(duì)降水的截留能力更強(qiáng)有關(guān).
2.2徑流年際變化
根據(jù)1958—2000年梅江干流3個(gè)水文站的年均徑流量變化(圖3),發(fā)現(xiàn)梅江流域1983年的徑流量最大,1963年的徑流量最??;從年均線性趨勢(shì)來(lái)看,尖山站的增長(zhǎng)率(本文所指增長(zhǎng)率均為線性趨勢(shì)的斜率)為0.180 5,水口站的增長(zhǎng)率為0.260 1,橫山站的增長(zhǎng)率為0.906 0,可見(jiàn)梅江流域徑流在1958—2000年整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì),其中徑流增長(zhǎng)率從上游到下游不斷變大,說(shuō)明中上游涵養(yǎng)水土較好且受人類(lèi)活動(dòng)的影響較小,而下游受影響較大;從5點(diǎn)滑動(dòng)平均可以看到,梅江流域整體上在1988年之前變化比較明顯,徑流變化波動(dòng)較大,1988年之后變化趨于平穩(wěn),無(wú)明顯波動(dòng).
圖2 梅江干流各站點(diǎn)徑流量年內(nèi)變化
Figure 2Runoff variations of all sites of Meijiang River in one year
表2 站點(diǎn)各月徑流量占年徑流總量的百分比
圖3 梅江流域1958—2000年間徑流量變化
Figure 3Runoff variation of Meijiang River basin from 1958 to 2000
多年汛期與非汛期年徑流量的變化(圖4)表明,汛期最大徑流量集中在1958—1964年,非汛期最大徑流量集中在1984年,汛期非汛期最小徑流量均集中在1963年.從汛期線性趨勢(shì)來(lái)看,尖山站的增長(zhǎng)率為1.253 2,水口站的增長(zhǎng)率為-1.147 1,橫山站的增長(zhǎng)率為0.004 4,汛期流域上下游呈現(xiàn)上升趨勢(shì),中游呈現(xiàn)下降趨勢(shì),汛期流域整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì).從非汛期線性趨勢(shì)來(lái)看,尖山站的增長(zhǎng)率為0.912 6,水口站的增長(zhǎng)率為4.270 6,橫山站的增長(zhǎng)率為8.683 1,非汛期徑流增長(zhǎng)率從上游到下游不斷變大,可見(jiàn)梅江流域非汛期徑流在1958—2000年整體上也呈現(xiàn)上升趨勢(shì).從汛期和非汛期的5點(diǎn)滑動(dòng)平均來(lái)看,在1988年之前均呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)變化,1988年之后均無(wú)明顯波動(dòng).綜合圖3和圖4可知梅江流域汛期徑流變化趨勢(shì)與年平均徑流的變化趨勢(shì)基本一致,說(shuō)明梅江流域汛期的徑流變化可以代表全年的變化趨勢(shì),且在非汛期時(shí)相關(guān)系數(shù)R較汛期時(shí)大,表明在研究時(shí)段內(nèi)非汛期的徑流變化幅度較汛期時(shí)段大.
2.3徑流趨勢(shì)分析
為了研究梅江流域徑流量的年際變化特征,首先選取尖山、水口、橫山3個(gè)水文觀測(cè)站,以代表流域上中下游自南向北的基本徑流特征,在分析過(guò)程中將3—5月、6—8月、9—11月、12月—次年2月分別劃為春、夏、秋和冬季,4—9月為汛期,10月—次年3月劃為非汛期,其徑流變化趨勢(shì)檢驗(yàn)見(jiàn)表3.從表中可知:(1)梅江流域上游徑流量年均Zc值(即Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量)為1.005,表明上游徑流呈增長(zhǎng)趨勢(shì),但不顯著,其中春冬季節(jié)的Zc均大于1.96,通過(guò)θ=0.05的顯著性檢驗(yàn),呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì),此外非汛期相對(duì)汛期增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯;(2)流域中游徑流量年均Zc值為0.997,增長(zhǎng)趨勢(shì)不明顯,冬季增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著,秋季下降趨勢(shì)顯著,汛期與非汛期增長(zhǎng)趨勢(shì)相當(dāng);(3)流域下游冬季、非汛期增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著,夏季無(wú)變化.總體而言,在1958—2000年,梅江流域下游較中上游徑流增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯,非汛期較汛期增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著,這與流域徑流年變化相一致.此外,冬季的增長(zhǎng)較其余3個(gè)季節(jié)顯著,且除了秋季外,春夏冬三季增長(zhǎng)率從上游往下游不斷下降,可能與流域年份降水季節(jié)不同相關(guān).采用R/S分析法預(yù)測(cè)未來(lái)年徑流可能的變化趨勢(shì),其Hurst指數(shù)均小于0.5,表明未來(lái)年徑流可能呈現(xiàn)減少趨勢(shì).
圖4 梅江流域多年汛期與非汛期年徑流量變化
注:“*”和“**”分別表示通過(guò)95%和99%的置信度檢驗(yàn)水平.
2.4徑流突變分析
應(yīng)用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)方法對(duì)1958—2000年梅江干流徑流進(jìn)行突變分析,圖5顯示了0.05顯著性水平下流域干流主要水文站年徑流的變化趨勢(shì)及突變特征.梅江干流主要水文監(jiān)測(cè)站徑流UF值絕大多數(shù)大于0且徑流變化趨勢(shì)的各序列均存在交叉點(diǎn).尖山水文站(圖5A)、水口水文站(圖5B)徑流變化表現(xiàn)出高度的一致性,其突變點(diǎn)基本相同,約在1972—1973年間,表明在這之前上中游徑流并無(wú)明顯變化趨勢(shì),之后增幅明顯增大.
圖5 Mann-Kendall檢測(cè)法對(duì)梅江流域徑流突變的分析
在1972年之前也有交叉點(diǎn),但是變化不明顯.同樣橫山水文站(圖5C)于1978年附近出現(xiàn)明顯交點(diǎn),表明序列在1978年發(fā)生了突變.總體而言,梅江流域徑流在1972—1978年發(fā)生突變.
2.5徑流周期變化
1958—2000年,梅江流域徑流具有周期性變化特征,且在大尺度上周期性顯著(圖6).梅江流域上、中、下游均有4、9、18 a準(zhǔn)周期,在30~35 a時(shí)間尺度上,小波系數(shù)實(shí)部值呈不斷上升的趨勢(shì),預(yù)測(cè)在35 a之后會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)準(zhǔn)周期.
圖6A表明,在1~4 a尺度上,周期越來(lái)越明顯,4 a尺度上達(dá)到第1個(gè)峰值,在靠近4 a的尺度上,呈現(xiàn)為多-少的14個(gè)循環(huán)交替.在靠近9 a的尺度上,震蕩劇烈,達(dá)到第2個(gè)峰值,呈現(xiàn)為多-少的5.5個(gè)循環(huán)交替,且到2000年徑流減少的等值線還未閉合,說(shuō)明在9 a尺度上徑流減少的趨勢(shì)還有可能繼續(xù).在18 a主尺度上周期現(xiàn)象明顯,表現(xiàn)為多-少的3.5個(gè)循環(huán)交替,且1958—1959、1966—1970、1977—1982、1988—1993、2000年徑流偏枯;1960—1965、1971—1976、1983—1987、1994—1999年徑流偏豐.
在1~4 a尺度上,周期性較明顯,在靠近4 a尺度上表現(xiàn)為多-少的12個(gè)循環(huán)交替.在靠近9 a的尺度上,震蕩劇烈,周期性不明顯(圖6B).在18 a主尺度上恢復(fù)了周期性,表現(xiàn)為多-少3.5個(gè)循環(huán)交替.
由圖6C可見(jiàn),在1~4 a尺度上,周期性不明顯.在靠近9 a的尺度上,震蕩劇烈,周期性明顯,表現(xiàn)為多-少的5.5個(gè)循環(huán)交替.在18 a主尺度上,周期性明顯,表現(xiàn)為多-少3.5個(gè)循環(huán)交替.從中、下游18a主周期變化看出,1958、1964—1969、1977—1981、1988—1993、2000年徑流偏枯;1959—1963、1970—1976、1982—1987年、1994—1999年徑流偏豐.
總之,梅江流域在20世紀(jì)60、70年代初與80、90年代中后期徑流量偏豐,且在1959—1967年期間表現(xiàn)出比較強(qiáng)的9年左右的時(shí)間震蕩.該流域徑流在小尺度上表現(xiàn)為不規(guī)律性,周期性不明顯,主要表現(xiàn)為大尺度上的周期性,根據(jù)徑流的主周期18 a推測(cè),梅江流域整個(gè)時(shí)間序列上的年徑流呈現(xiàn)多-少-多-少的循環(huán)交替特征,可以推測(cè)在2000—2018年將一直處于少?gòu)搅髌冢@與R/S分析法的結(jié)果相一致.
3小結(jié)
通過(guò)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、M-K突變分析、R/S分析法和Morlet小波分析方法對(duì)梅江流域1958—2000年的年徑流進(jìn)行年內(nèi)分配、年際變化、突變分析和周期性分析,得到如下變化特征:
圖6徑流小波系數(shù)實(shí)部實(shí)頻分布及小波方差變化
Figure 6Part time frequency distribution of wavelet transform and wavelet variances for runoff
(1)梅江流域在1983年的徑流量最大,1963年的徑流量最小,流域徑流主要集中在5—9月,最大月徑流量在6月,最小月徑流量在1月,且越往下游9月份的徑流峰值越明顯,這可能與9月份梅江流域受季風(fēng)影響、降雨量增大、河流上中游植被覆蓋較下游更好、對(duì)降水的截留能力更強(qiáng)有關(guān).
(2)從徑流年際變化和趨勢(shì)發(fā)展來(lái)看,梅江流域徑流整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì),從上游到下游徑流增長(zhǎng)趨勢(shì)更明顯,說(shuō)明中上游涵養(yǎng)水土較好且受人類(lèi)影響較小,但相比下游受人類(lèi)影響較大,此外非汛期較汛期增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著,在四季變化中,冬季增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著,且除了秋季外,春夏冬三季增長(zhǎng)率從上游往下游不斷下降,這可能與流域年份降水季節(jié)不同相關(guān),同時(shí)R/S法預(yù)測(cè)到未來(lái)年徑流量可能呈現(xiàn)減少趨勢(shì).
(3)根據(jù)M-K突變檢驗(yàn)法對(duì)徑流量進(jìn)行突變分析結(jié)果,梅江流域徑流在1972—1978年發(fā)生突變.
(4)根據(jù)小波分析來(lái)看,梅江流域徑流總體上在20世紀(jì)60、70年代初與80、90年代中后期徑流量偏豐,且在1959—1967年表現(xiàn)出較強(qiáng)的9年左右時(shí)間震蕩.該流域徑流具有周期性變化特征,呈現(xiàn)4、9、18 a準(zhǔn)周期,且主要表現(xiàn)為大尺度上的周期性,根據(jù)徑流的主周期18 a推測(cè),梅江流域整個(gè)時(shí)間序列上的年徑流呈現(xiàn)多-少-多-少-多-少的循環(huán)交替特征,可以推測(cè)在2000—2018年將一直處于少?gòu)搅髌冢?/p>
本研究通過(guò)分析梅江流域徑流特征,以期為南方濕熱區(qū)流域水資源的合理利用提供依據(jù),由于受觀測(cè)資料的限制,梅江流域徑流量中某些變化特征的成因尚不十分明確,在后續(xù)研究中,應(yīng)進(jìn)一步增加相關(guān)觀測(cè)資料,以便更加精確研究梅江流域徑流量的變化特征及對(duì)變化原因進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明.
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【中文責(zé)編:莊曉瓊英文責(zé)編:肖菁】
Analysis on Feature of Runoff Change in Meijiang River Basin from 1958 to 2000
ZHANG Qian, ZHANG Zhengdong*, YANG Chuanxun
(School of Geography, South China Normal University, Guangzhou 510631, China)
Abstract:Based on the runoff data measured by Jianshan、Shuikou、Hengshan hydrological stations in Meijiang River basin from 1958 to 2000, statistical analysis method is used to analyze inter-annual runoff change characteristics of Meijiang River basin. Based on the data, Mann-Kendall(M-K)test,R/S analysis and Morlet wavelet analysis are used to study its inter-annual variability. The results show that: (1)runoff is mainly focused in May to September from 1958 to 2000; the maximum runoff in June, the minimum runoff in January, and the peak of runoff becomes very obvious from upstream to downstream;(2)runoff of Meijiang River basin shows a trend of increase, in addition to the autumn, the rate of growth fall from upstream to downstream in spring、summer and winter;(3)the mutational site of whole Meijiang River is from 1972 to 1978;(4)quasi-periodic of Meijiang watershed is 4 years, 9 years and 18 years, and it shows in large scale. According to it, the basin has cycle features of much more to less, and there will be less runoff from 2000 to 2018. The results of R/S always show runoff may be reduced in the next period of time in the future.
Key words:runoff; variation characteristics; break; periodicity; Meijiang River basin
中圖分類(lèi)號(hào):TV121.2;P333.6
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1000-5463(2016)02-0074-07
*通訊作者:張正棟,教授,Email:zhangzdedu@163.com.
基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41471147)
收稿日期:2015-08-04《華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》網(wǎng)址:http://journal.scnu.edu.cn/n
華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2016年2期