瀏陽河流域徑流變化趨勢及水文情勢變異研究

（湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院，湖南長沙 410007）

引言

瀏陽河是湘江的一級(jí)支流，發(fā)源于羅霄山脈大圍山北麓。近年以來，由于氣候變化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展等原因，導(dǎo)致了瀏陽河流域水資源的變異，使得流域年徑流量受到了一定程度的影響。研究分析瀏陽河流域徑流量的變化趨勢和水文情勢變異，對(duì)于水資源生態(tài)調(diào)度、流域生態(tài)環(huán)境的改善具有十分重要的意義[1～2]。

本文選取瀏陽河干流沿程主要水文站，雙江口水文站和榔梨水文站的歷年降雨量和徑流量資料，統(tǒng)計(jì)年份為2000—2016 年。由于MK 檢驗(yàn)法的樣本對(duì)分布規(guī)律的要求不高，而且可以避免少數(shù)異常值的干擾[3]，因此選用MK 檢驗(yàn)法來分析瀏陽河流域徑流量的變化趨勢。

1 基本情況

1.1 流域概況

瀏陽河位于湖南省東部，是湘江的一級(jí)支流，水系發(fā)源于羅霄山脈的大圍山北麓。瀏陽河流域范圍介于東經(jīng)112°58′～114°15′，北緯27°5′～28°34′之間，總流域面積4 665 km2，干流全長222 km，總落差252 m，平均坡降1.16%，年降水量1 550 mm，年平均氣溫17.5℃，流域范圍涉及瀏陽市、醴陵市、長沙縣以及長沙市的雨花區(qū)、芙蓉區(qū)、開福區(qū)（圖1）[4～5]。

1.2 流域開發(fā)

瀏陽河水資源豐富，為瀏陽的發(fā)展提供了基礎(chǔ)支撐，但上游大型水利工程的修建和頻繁的人類活動(dòng)改變了瀏陽河流域的水資源分配特性和瀏陽河下游河道的天然水文情勢。瀏陽河干流已建成雙江口、大栗坪、宏源、槽門灘、萬家莊和百步灘6 個(gè)梯級(jí)電站，己建電站的裝機(jī)容量22.42 MW，占可開發(fā)裝機(jī)容量的44%。瀏陽河流域內(nèi)有榔梨水文站、雙江口水文站，其中榔梨站控制流域面積3 815 km2，占全流域面積的81.8%，多年平均流量103.5 m3/s，是瀏陽河流域重要的控制站。本次研究選取榔梨站和雙江口站來開展瀏陽河干流河道水文變異研究。其中雙江口水文站的數(shù)據(jù)結(jié)果主要反映雙江口電站的影響。

2 研究方法

圖1 瀏陽河流域

本文采用Mann-Kendall（MK）秩次相關(guān)檢驗(yàn)分析瀏陽河干流2000—2016 年水位的年際變化規(guī)律。通過MK 檢驗(yàn)法可以得到變量時(shí)間序列的變化趨勢和該序列的突變點(diǎn)。具體見文獻(xiàn)[6～8]。在MK 檢驗(yàn)圖中，若UFk曲線高出臨界線，則表示時(shí)間序列呈顯著上升趨勢，反之，呈顯著下降趨勢。如果UFk曲線和UBk曲線存在交點(diǎn)，并且該交點(diǎn)位于臨界直線之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻就是突變開始的時(shí)刻[6～7]。

3 基于Mann-Kendall（MK）法的瀏陽河干流水文情勢變異分析

本次收集了瀏陽河干流雙江口水文站和榔梨水文站2000—2016 年的月均流量數(shù)據(jù)（2004 年雙江口流量數(shù)據(jù)缺失）。采用MK 分析方法檢驗(yàn)雙江口和榔梨水文站流量序列的變異點(diǎn)。其中雙江口水文站的數(shù)據(jù)結(jié)果主要反映雙江口電站的影響。

3.1 基于Mann-Kendall（MK）法的雙江口水文站流量變異現(xiàn)狀及分析

雙江口水文站2000—2016 年流量年際變化趨勢和突變點(diǎn)可以通過MK 檢驗(yàn)分析得到，分析結(jié)果見圖2。流量變化趨勢可以通過UF 統(tǒng)計(jì)曲線反映出來。從圖2 可以看出，2000—2002 年期間雙江口水文站的流量在0 刻度線上下波動(dòng)，2003—2008 年期間呈現(xiàn)上升趨勢，2008 年后整體呈現(xiàn)下降趨勢。UF 和UB 兩條曲線在臨界線內(nèi)的交點(diǎn)即為流量序列的突變點(diǎn)。從MK分析圖中可以見，雙江口站流量在2008 年附近發(fā)生顯著變化，而雙江口電站建于2008 年。

圖2 雙江口流量變化趨勢

3.2 基于Mann-Kendall（MK）法的榔梨水文站流量變異現(xiàn)狀及分析

榔梨水文站2000—2016 年流量年際變化趨勢和突變點(diǎn)可以通過MK 檢驗(yàn)分析得到，分析結(jié)果見圖3。流量變化趨勢可以通過UF 統(tǒng)計(jì)曲線反映出來。從圖3可以看出，2000—2004 年期間榔梨水文站的流量在0刻度線上下波動(dòng)，2004—2016 年期間呈現(xiàn)下降趨勢，僅在2006 年部分月份呈現(xiàn)上升趨勢，并且2008 年、2009 年期間MK 檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量UFk的值均超過顯著性ɑ=0.05 時(shí)的臨界值1.96（U0.05=1.96），減少趨勢異常顯著。UF 和UB 兩條曲線在臨界線內(nèi)的交點(diǎn)即為流量序列的突變點(diǎn)。結(jié)合MK 分析圖以及瀏陽河干流的實(shí)際情況（包括洪澇干旱、建壩等因素）發(fā)現(xiàn)，榔梨水文站徑流量變化并不明顯。

圖3 榔梨流量變化趨勢

4 徑流量變化的影響因素

自然因素和人類活動(dòng)是引起瀏陽河干流徑流量變化的眾多因素之一。氣候變化是引起河流徑流量變化最重要的自然因素，包括降水量以及氣溫，這些因素的變化將直接影響天然徑流；水利工程建設(shè)、土地利用等是引起瀏陽河徑流量變化的主要人類活動(dòng)。本文根據(jù)檢驗(yàn)分析的結(jié)果分析，就上述因素的影響分別進(jìn)行探討。

4.1 降雨量和氣候變化的影響

經(jīng)分析，雙江口水文站降雨和徑流的相關(guān)系數(shù)是0.83。雙江口水文站2002—2016 年降雨量年際變化趨勢可以通過MK 檢驗(yàn)分析得到，分析結(jié)果見圖4。通過分析UF 統(tǒng)計(jì)曲線，可以得出降雨量的變化趨勢。從圖4 可以看出，選取與徑流量相對(duì)應(yīng)的時(shí)間段，2003 年之前雙江口水文站的降雨量在0 刻度線上下波動(dòng)，2003—2008 年期間呈現(xiàn)下降趨勢，2009—2016 年期間，呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。與2003 年之前相比，2004—2008 年、2009—2016 年年降雨量減幅分別約為21.8%、11.56%，年徑流量在2004—2008 年的減幅為15.35%，在2009—2016 年增幅2.4%。盡管徑流量存在隨著降雨量減少而減少的現(xiàn)象，并且降雨量的減幅與徑流量相差不大，但是在2009—2016 年徑流量有小幅度的增加?？梢哉J(rèn)為，降雨量的變化是引起雙江口水文站徑流量減少的重要因素，但是減幅并不相同，因此還有其他因素的共同作用而導(dǎo)致徑流量的變化。

經(jīng)分析，榔梨水文站降雨和徑流的相關(guān)系數(shù)是0.79。榔梨水文站2007—2016 年降雨量年際變化趨勢可以通過MK 檢驗(yàn)分析得到，分析結(jié)果見圖5。降雨量變化趨勢可以通過UF 統(tǒng)計(jì)曲線反映出來。從圖5 可以看出，2007—2009 年期間榔梨水文站的降雨量在0刻度線上下波動(dòng)，2010—2016 年期間整體呈現(xiàn)上升趨勢，僅在2010 年、2012 年部分月份呈現(xiàn)下降趨勢。調(diào)查年間年徑流量與降雨量整體的變化趨勢相反，可以認(rèn)為，降雨量的變化固然是引起榔梨水文站徑流量減少的重要因素，但是由于變化趨勢并不完全相同，因此造成徑流量減少的原因也可能是人類大規(guī)模的取水開發(fā)活動(dòng)。并且近年來，大規(guī)模實(shí)施的水土保持措施，改變了下墊面條件，從而改變了降雨和徑流的關(guān)系，這也是導(dǎo)致降雨徑流關(guān)系出現(xiàn)不一致性的原因[9]。

圖4 雙江口降雨量變化趨勢

圖5 榔梨降雨量變化趨勢

氣溫是最重要的氣候變化因素之一。研究表明，自1960 年以來，湘江流域的多年平均氣溫在全流域內(nèi)呈現(xiàn)顯著上升趨勢，但是湘江流域1960—2008 年實(shí)測的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈顯著的下降趨勢[10]，因此可推斷，由于氣溫升高對(duì)瀏陽河流域徑流量的變化影響不大。

4.2 水利工程設(shè)施的影響

自20 世紀(jì)60 年代以來，瀏陽河流域內(nèi)已建大型水庫2 座，中型水庫6 座。其中，兩座大型水庫分別為株樹橋水庫和官莊水庫，對(duì)瀏陽河流域徑流量的調(diào)節(jié)起著重要作用。株樹橋水庫控制流域面積564 km2，總庫容2.783 億m3，屬多年調(diào)節(jié)水庫。官莊水庫控制流域面積201 km2，總庫容1.21 億m3。流域內(nèi)已建梅田、仙人造、道源、板貝、富嶺、烏川中型水庫6 座，控制流域面積204.1 km2，庫容0.912 3 億m3，均以灌溉、供水為主。已建大、中型水庫基本情況見表1。

目前，瀏陽河干流雙江口至榔梨區(qū)間建有雙江口、大栗坪、宏源、槽門灘、萬家莊、百步灘6 座梯級(jí)電站，正常蓄水位時(shí)相應(yīng)庫容200～700 萬m3。各電站的基本情況見表2。雙江口電站建成及運(yùn)營年份與瀏陽河徑流發(fā)生跳躍的年份有很大的關(guān)聯(lián)。由于電站建設(shè)年份和完全投入運(yùn)營有一段時(shí)間間隔，造成電站并未及時(shí)產(chǎn)生截流效果，綜合考慮，選取自電站建成之日起近一兩年的月均數(shù)據(jù)作為變異分析的節(jié)點(diǎn)，估算流量變異分析的電站截流量。雙江口流量水文序列的變異點(diǎn)發(fā)生在2008 年左右，雙江口電站建于2008 年，根據(jù)雙江口電站的流量數(shù)據(jù)可以計(jì)算出雙江口電站在枯水期截流的流量。雙江口電站的平均截流能力約為1.85 m3/s。宏源電站、大栗坪電站、萬家莊電站和槽門灘電站分別建于1969 年、1979 年、2004 年和2007 年，這些電站均截留了部分流量。宏源電站于1969 年前后截流1.0 m3/s，大栗坪電站于1979 年前后截流5.7 m3/s，萬家莊電站于2004 年前后截流3.3 m3/s，槽門灘電站于2008 年前后截流1.25 m3/s。因此，梯級(jí)電站的開發(fā)截留了瀏陽河干流的部分流量，造成了瀏陽河干流徑流量的減少。

表1 瀏陽河流域已建大、中型水庫主要指標(biāo)表

表2 雙江口電站、大栗坪電站主要指標(biāo)表

綜上所述，自然因素和人類活動(dòng)是導(dǎo)致瀏陽河流域徑流量變化的主要原因。氣候變化對(duì)流域徑流量的影響是長期和持續(xù)的，其中降雨量和氣溫對(duì)瀏陽河徑流量有較明顯的影響，而人類活動(dòng)的影響在瀏陽河徑流量變化中則起到了直接的、決定性的作用，其中水利工程的建設(shè)是引起流域徑流量減少的重要因素，瀏陽河流域大中型水庫的建成，以及雙江口電站的建成與運(yùn)營，對(duì)年徑流量的突變有直接影響。

5 結(jié)論

1）運(yùn)用Mann-Kendall 秩相關(guān)檢驗(yàn)法對(duì)瀏陽河干流雙江口站和榔梨站2000—2016 年的徑流量序列進(jìn)行綜合分析，分析得出雙江口水文站年徑流量呈現(xiàn)先增后減的趨勢，榔梨水文站年徑流量整體呈現(xiàn)下降趨勢，并且2008年、2009 年期間MK 檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量UFk的值均超過顯著性ɑ=0.05 時(shí)的臨界值。

2）運(yùn)用Mann-Kendall 秩相關(guān)檢驗(yàn)法對(duì)瀏陽河干流雙江口水文站和榔梨水文站徑流量進(jìn)行變異診斷，雙江口水文站的突變年份為2008 年，與雙江口電站的建成有關(guān)，而榔梨水文站的流量則變化不明顯。

3）對(duì)影響瀏陽河徑流量的因素進(jìn)行綜合分析可知，降雨量和氣溫對(duì)瀏陽河徑流量有較明顯的影響，水利工程建設(shè)是引起流域徑流量減少的重要因素，瀏陽河流域大中型水庫的建成，以及雙江口電站的建成與運(yùn)營，對(duì)年徑流量的突變有直接影響。