變化環(huán)境下岷江黑水河流域徑流演變特征分析

王 寧，王文圣，余思怡

(四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

全球及區(qū)域氣候變化顯著，受人類社會影響的流域下墊面變化劇烈，導(dǎo)致河川徑流在時空上都呈現(xiàn)出明顯的變異特征[1-4]。河川徑流是中國主要的水資源，關(guān)系著區(qū)域生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)灌溉以及社會經(jīng)濟發(fā)展和穩(wěn)定。因此，研究和明晰變化環(huán)境下的徑流演變特征，對水資源的合理開發(fā)、優(yōu)化配置及促進區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要的意義[5]。

水文學(xué)者對徑流演變特征開展了大量的研究。張建云等[6]研究表明，1956—2018年間中國主要江河徑流量均不同程度減少。王道席等[7]歸納了黃河源區(qū)徑流演變研究進展，黃河源區(qū)徑流總體呈下降趨勢，年徑流存在3個周期且在1990年左右發(fā)生突變。Chen等[8]研究了珠江流域徑流多尺度變化特征，指出年最小流量呈增加趨勢，年最大流量相比年最小流量的標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，這不利于珠江三角洲的洪水減緩，極端水事件如干旱或洪水，發(fā)生的可能性較高。王文圣等[9]探討了長江上游主要河流年徑流的變化特性，嘉陵江、岷江、沱江和涪江的年徑流呈下降趨勢，金沙江年徑流無明顯的趨勢變化，主要河流年徑流存在長度不等的周期震蕩特征，多數(shù)測站間的年徑流在空間上具有豐枯同步變化特點。梁淑琪等[10]研究表明岷江上游徑流年內(nèi)分配逐年由均勻向不均勻再向均勻轉(zhuǎn)變，年徑流總體呈顯著下降趨勢，且下降趨勢在未來具有持續(xù)性。趙軍凱等[11]分析了宜昌站徑流量年際變化、年內(nèi)變化及三峽工程運行對宜昌徑流變化的影響，宜昌汛期徑流呈顯著減少趨勢，枯季則呈不明顯增加趨勢，徑流年內(nèi)分配趨于均勻，三峽工程運行加劇了長江上游徑流汛期減少與枯季增加的趨勢，使年內(nèi)分配差異減小。近年來，環(huán)境變化特別是降水和水電開發(fā)的影響使得徑流的影響發(fā)生明顯變化[12-13]，進一步影響區(qū)域水資源的管理。

岷江上游是長江流域的重要生態(tài)屏障，也是成都平原的重要水源，岷江上游的水電開發(fā)進度在1990年之后逐漸加快，隨著岷江上游水電站數(shù)量的增加，該流域天然狀態(tài)下的徑流變化更加顯著[14-15]。黑水河為岷江上游典型流域，水能資源相對豐富，流域氣候變化敏感，其徑流的演變趨勢、變異特征、周期變化、環(huán)境變化特別是降水和水電開發(fā)影響下徑流突變前后年際、年內(nèi)變化特征研究，事關(guān)成都平原水資源開發(fā)利用與管理。研究成果為提高對岷江上游徑流變化規(guī)律的認(rèn)識水平，以期為區(qū)域水資源利用及水電開發(fā)決策提供理論依據(jù)。

1 研究流域概況與數(shù)據(jù)

黑水河是岷江上游右岸的一級支流，主要流經(jīng)阿壩州黑水縣和茂縣(31°42′～32°54′N，102°35′～103°41′E，見圖1)。黑水河上游有西、北兩源，西源發(fā)源于黑水縣西部的羊拱山麓，北源發(fā)源于毛爾蓋草原，干流長122 km，流域面積為7 240 km2，落差達(dá)1 048 m，平均比降8.6‰，河口多年平均流量為140 m3/s[16]。黑水河具有高山峽谷區(qū)的主要地貌，氣候變化敏感，徑流補給來源以降水為主。

圖1 黑水河流域水系

沙壩水文站為黑水河流域控制出口站，控制流域面積為7 218 km2，有1960—2015年實測徑流資料供研究使用。

2 研究方法

2.1 突變點診斷法

采用改進的啟發(fā)式分割算法對年徑流序列的突變點進行診斷，該方法基于雙重統(tǒng)計檢驗進行人工干預(yù)，能夠快速且準(zhǔn)確找到序列中的跳躍點。在啟發(fā)式分割算法的基礎(chǔ)上，引入Z檢驗和SNHT檢驗(標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)均一性檢驗)[17]，提出了改進的啟發(fā)式分割算法，并將其用于年徑流時間序列的突變點檢測。改進算法如下。

步驟一將序列x1,x2,…,xn標(biāo)準(zhǔn)化為Ri(i=2,3,…,n)。

步驟二將Ri分割為前后2個子序列，分割點記為i(3≤i≤n-3)，分割點前后序列記為Rt(i)、Rr(i)，對應(yīng)的均值分別為μt(i)、μr(i)，方差分別為st(i)、sr(i)。按照Z檢驗法構(gòu)建統(tǒng)計量Z0為

(1)

其中，nt、nr為前后兩子序列的長度。

步驟三給定顯著性水平α，若|Z0|>Zα/2，則表明序列x1,x2,…,xn可能在分割點i處發(fā)生突變。利用SNHT檢驗法對突變點進行顯著性檢驗，構(gòu)建統(tǒng)計量T0=nt×μt(i)2+nr×μr(i)2，根據(jù)顯著性水平α和序列長度，在文獻(xiàn)[18]中查找臨界值，若T0大于臨界值，則i點為序列的顯著突變點。

步驟四i=i+1，返回執(zhí)行步驟二。

2.2 趨勢性識別方法

利用線性傾向估計法、Mann-Kendall趨勢檢驗法、R/S分析法對徑流序列進行趨勢分析，線性傾向估計法[19]原理不在此贅述。

2.2.1Mann-Kendall趨勢檢驗法

Mann-Kendall趨勢檢驗法假定序列x1,x2,…,xn是獨立的，定義中間變量S并構(gòu)造統(tǒng)計量Z如下[20]：

(2)

(3)

式中，sgn為符號函數(shù)，同上。給定顯著性水平α，若|Z|≥Zα/2，則判定序列變化趨勢顯著，反之不顯著；Z>0，表明序列呈上升趨勢，反之呈下降趨勢。

2.2.2R/S分析法

R/S分析法是利用Hurst指數(shù)來分析水文序列的持續(xù)性和反持續(xù)性，從而揭示將來的變化趨勢[19-20]。

將序列x1,x2,…,xn等分為長度為τ(3≤τ≤n)的M個(M為n/τ的整數(shù)部分)連續(xù)子序列，記Ik(k=1,2,…,M)，子序列的元素為xk,m(m=1,2,…,τ)。計算Ik序列的均值Ek、累計離差Ck,a、極差RIa及其標(biāo)準(zhǔn)差SIa。

(4)

(5)

RIa=max(Ck,a)-min(Ck,a)

(6)

(7)

計算Ik序列的重標(biāo)極差RSk，并計算M個連續(xù)子序列重標(biāo)極差的平均值RS。

(8)

(9)

重復(fù)以上計算過程，直至τ=n，得到(RS)n序列，繪制以ln(n)為自變量、ln[(RS)n]為因變量的散點圖，以最小二乘法擬合直線，該直線的斜率即為Hurst指數(shù)值H。

若0.5

2.3 周期性識別方法

小波分析法是一種通過調(diào)整時頻窗來識別序列周期成分的方法[21]。對于年徑流序列，其連續(xù)小波變換定義為：

(10)

小波方差Var(a)可以識別序列的周期成分，計算公式為：

(11)

小波方差隨尺度a變化的過程稱為小波方差圖，圖上波峰對應(yīng)的尺度為時間序列的主周期。

3 結(jié)果及其分析

3.1 徑流突變性分析

應(yīng)用改進的啟發(fā)式分割算法對黑水河年徑流突變年份進行診斷，根據(jù)顯著性水平(α=5%)和序列長度(n=56)查找臨界值為8.566，當(dāng)分割點i=1995年時，統(tǒng)計量T0=8.762，統(tǒng)計量計算結(jié)果大于臨界值，突變點通過顯著性檢驗，說明黑水河年徑流在1995年發(fā)生顯著突變。

3.2 突變前后徑流趨勢性分析

圖2繪制了黑水河年徑流變化曲線，并給出了年徑流5 a滑動平均過程，表1列出了年徑流在1960—2015年、突變點前(1960—1995年)、突變點后(1996—2015年)的趨勢分析結(jié)果。從圖2和表1可知，年徑流在1960—2015年間以-0.32 m3/(s·a)的速率呈顯著下降趨勢，在突變點前以0.12 m3/(s·a)的速率呈不顯著下降趨勢，這與整體趨勢一致，但變化速率變?。煌蛔凕c后的徑流變化趨勢與整體趨勢相反，年徑流以0.80 m3/(s·a)的速率呈不顯著上升趨勢。

圖2 黑水河年徑流變化曲線

表1 1960—2015年黑水河年徑流趨勢分析結(jié)果

R/S分析法計算得到1960—2015年間年徑流Hurst指數(shù)H為0.64，大于0.5，表明黑水河年徑流在未來一段時間內(nèi)變化趨勢可能與該時期的變化趨勢一致，即呈下降的變化(圖3)。

圖3 黑水河年徑流R/S分析法計算結(jié)果

3.3 突變前后徑流年際與年內(nèi)變化特征分析

黑水河流域重要的人類活動之一是水電能源開發(fā)，黑水河干流馬橋至白溪河段，按照 “二庫五級”規(guī)劃方案開發(fā)，其中馬橋水庫和毛爾蓋水庫的調(diào)節(jié)庫容為2.8億m3[22]，自上而下梯級電站分別為馬橋、竹格多、毛爾蓋、色爾古和柳坪電站，各梯級電站基本情況見表2。黑水河徑流補給以降水為主，已有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)黑水河年降水突變年份為1995年[23]，與徑流突變一致，由此這里探討降水和水電開發(fā)影響下黑水河徑流在突變點前后的年際、年內(nèi)變化情況。表3給出了突變點前后及整個研究時段年徑流和年降水的均值和Cv值，圖4給出了突變點前后月平均流量分配過程及其變幅。表3和圖4表明：①年徑流突變點前的均值為141 m3/s，變點后的均值為128 m3/s，前后相差較大，減少9.22%，突變點前Cv值為0.10，變點后Cv值為0.13，突變后年徑流年際變化較突變前大；②年降水量的年際變化與年徑流量變化一致，突變點后均值較突變點前小，減少4.63%，突變點后的Cv值較突變前大，突變后年降水年際變化較突變前大；③突變前后徑流的年內(nèi)分配形式略有不同，突變前呈“雙峰型”，突變后呈“單峰型”；④突變前后徑流的年內(nèi)變幅呈現(xiàn)明顯的差異，突變后汛期和非汛期的最大月平均流量、最小月平均流量、月平均流量較突變前均不同程度減少，其中汛期的徑流量變幅較非汛期大。

表2 黑水河干流二庫五級方案各梯級水電站基本情況

表3 不同時期黑水河徑流和降水年際變化指標(biāo)計算結(jié)果

圖4 突變點前和突變點后黑水河年內(nèi)月徑流分配過程

以上研究說明，受降水、水電開發(fā)的影響，黑水河徑流在1995年前后的演變特征不同，這種不同是顯著的。黑水河汛期徑流量的減少有效減輕了該時段的防洪壓力，但非汛期的最小月平均流量的減少不利于枯季水資源利用。

3.4 突變前后徑流周期性分析

利用小波分析法分別計算1960—2015、1960—1995、1996—2015年的年徑流序列的多時間尺度變化和小波方差變化過程(圖5)?？梢钥闯?，黑水河年徑流演變過程中呈現(xiàn)多時間尺度變化特征，不同時期時間尺度的強弱分布各有不同。年徑流在1960—2015年間存在著6、16、28 a的主周期，其中6 a左右的周期震蕩最強，為第一主周期；年徑流在1960—1995年間存在7、16 a的主周期，在1996—2015年間存在2、5 a的主周期。

a)1960—2015年年徑流小波系數(shù)時頻分布

d)1960—1995年年徑流小波方差

4 結(jié)論

基于黑水河沙壩水文站1960—2015年實測徑流資料，采用改進的啟發(fā)式分割算法、Mann-Kendall趨勢檢驗法、R/S分析法和小波分析法等對年徑流序列的演變特征進行研究，主要結(jié)論如下。

a)黑水河年徑流在1995年發(fā)生突變。

b)年徑流在1960—2015年以0.32 m3/s/a的速率呈顯著下降趨勢，且在未來一段時間內(nèi)仍可能保持下降趨勢，在1995年前后兩個時期的變化趨勢不顯著。

c)受環(huán)境變化特別是降水和水電開發(fā)的影響，黑水河徑流突變前均值較突變后大，突變后的年際變化較突變前大；年內(nèi)分配形式在突變點前表現(xiàn)為雙峰，在變點后為單峰；突變前后徑流的年內(nèi)變幅呈現(xiàn)明顯的差異，突變后的汛期徑流量顯著減少，可以有效減輕該流域的防洪壓力，但非汛期最小月平均流量的減少不利于枯季水資源利用。

d)年徑流呈現(xiàn)多時間尺度變化特征，在1960—2015年間存在6、16、28 a的主周期，在1960—1995年間存在7、16 a的主周期，在1996—2015年間存在2、5 a的主周期。