长江上游枯水期及10月径流情势分析

黄 峰,夏自强,王远坤

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210098;2.河海大学水文水资源学院,江苏南京 210098;3.南京大学地球科学与工程学院,江苏南京 210093)

自20世纪60年代以来,随着长江上游流域水资源开发利用程度的提高以及全球气候变化,长江上游流域的径流情势发生了一定的变化[1-6],而长江上游流域水库的建设运行在一定程度上也影响了长江上游的水文情势.水库调蓄作用的发挥会使枯水期径流量有所增加,而汛末蓄水会使10月的径流量减少.本文采用非参数统计检验Mann-Kendal法(简称M-K法)、有序聚类分析法对寸滩、宜昌站枯水期及10月的流量序列分别进行了流量变化趋势及跳跃点分析.

1 研究数据及方法

寸滩、宜昌水文站为长江上游的重要控制站.寸滩站位于重庆寸滩三家滩,集水面积86.7万km2,控制着岷江、沱江、嘉陵江及赤水河汇入长江后的基本水情.宜昌站位于长江上游与中游的交界处,完整地控制了长江上游100.6万km2的广大地区.选取寸滩、宜昌站1950～2002年1～3月及10月的日径流量资料,分别采用M-K法及有序聚类分析法分析这两站的水文情势变化.

1.1 非参数统计检验M-K法[7]基本原理

假设有一时间序列X1,X2,X3,…,Xn,其趋势检验统计量公式为

式中sign()为符号函数.当Xi-Xj小于、等于或大于零时,sign(Xi-Xj)分别为-1,0或1;M-K统计量公式为

Z为正值表示增加趋势,负值表示减少趋势.Z的绝对值大于或等于1.28,1.64,2.32时分别表示通过了置信度90%,95%,99%显著性检验.

1.2 有序聚类分析法[8]基本原理

假设有一时间序列X1,X2,X3,…,Xn,设可能分割点为τ,则最优二分割:

找到分割点τ0以后,采用秩和检验法对分割样本进行显著性水平检验,设n1为小样本容量,n2为大样本容量,w为容量小的样本各数值的秩之和,当n1,n2＞10时,

U的绝对值大于或等于1.64,1.96,2.58时分别表示通过了置信度90%,95%,99%显著性检验.

2 径流趋势分析

1～3月为寸滩站和宜昌站的枯水期,两站枯水期径流量分别只占年径流量的7.20%和7.42%,由1950～2002年各年1～3月3个月的平均流量构成枯水期流量序列.采用M-K法分析流量的变化趋势,寸滩、宜昌站枯水期流量趋势M-K法检验统计值分别为0.64,2.02,两站枯水期流量均呈上升趋势,其中宜昌站枯水期流量上升趋势[7]的显著性水平超过95%置信度;两站10月流量趋势M-K法检验统计值分别为-1.8,-1.27,均呈下降趋势,其中寸滩站10月流量下降趋势的显著性水平超过95%置信度.两站枯水期及10月流量趋势变化见图1.

图1 寸滩、宜昌站流量趋势Fig.1 Trend of runoffs at Cuntan and Yichang hydrological stations in dry season

3 跳跃点分析

3.1 寸滩站

采用有序聚类分析法对寸滩站枯水期流量序列进行分析,发现一处跳跃点,发生在1989年,经秩和检验法检验(U=2.52),其显著性水平超过95%置信度.跳跃点前,即1950～1988年枯水期多年平均流量为3156 m3/s;跳跃点后枯水期多年平均流量为3397m3/s,上升了241m3/s,即跳跃点后枯水期的多年平均径流量上升了18.74亿m3.寸滩站枯水期流量变化及跳跃点见图2(a).

对寸滩站10月的流量序列同样采用有序聚类分析法进行跳跃点分析,发现1991年为其跳跃点,显著性水平超过95%置信度(U=2.34).跳跃点前,即1950～1990年10月的多年平均流量为14969m3/s;跳跃点后10月的多年平均流量为12870m3/s,下降了2099m3/s,即跳跃点后10月的多年平均径流量下降了56.22亿m3.寸滩站10月流量变化及跳跃点见图2(b).

3.2 宜昌站

采用有序聚类分析法对宜昌站枯水期流量序列进行跳跃点分析,发现一处跳跃点,发生在1989年,经秩和检验法检验(U=3.2),其显著性水平超过99%置信度.跳跃点前,即1950～1988年枯水期多年平均流量为4022m3/s;跳跃点后枯水期多年平均流量为4514m3/s,上升了492m3/s,即跳跃点后枯水期的多年平均径流量上升了38.26亿m3.宜昌站枯水期流量变化及跳跃点见图3(a).

对宜昌站10月的流量序列,同样采用有序聚类分析法进行跳跃点分析,发现1991年为其跳跃点,显著性水平超过95%置信度(U=2.17).跳跃点前,即1950～1990年10月的多年平均流量为18588m3/s;跳跃点后10月的多年平均流量为16192m3/s,下降了2396m3/s,即跳跃点后10月的多年平均径流量下降了64.17亿m3.宜昌站10月流量变化及跳跃点见图3(b).

图2 寸滩站流量变化及跳跃点Fig.2 Variation and break points of runoffs at Cuntan hydrological station in dry season

图3 宜昌站流量变化及跳跃点Fig.3 Variation and break points of runoffs at Yichang hydrological station in dry season

4 径流变化原因分析

径流情势受诸多因素影响,如降水、蒸发、流域下垫面条件、用水量、水利工程等因素.近50年来,长江上游流域春、冬季的降水呈上升趋势,秋季的降水呈下降趋势[9-11].降水的变化会影响水文情势,使枯水期流量上升,10月流量下降.

20世纪50年代以来,长江流域上游相继修建了大量水利工程(表1).文献[12]统计了长江流域上游修建的库容大于1亿m3的水库的情况,寸滩站上游修建水库的总调节库容为70.94亿m3,宜昌站上游修建水库的总调节库容为98.89亿m3(未计三峡调节库容).若考虑库容小于1亿m3的水库,长江流域上游水库的总调节库容将会更大.水库运行后调蓄作用的发挥,势必会在一定程度上增加枯水期的径流量;而汛末水库蓄水,会减少10月的径流量.以雅砻江二滩水库为例,其正常运行的2000～2002年,枯水期平均入库流量为482m3/s,平均出库流量为755m3/s,平均增大273m3/s,调节径流量21亿m3.

对于枯水期流量序列,寸滩、宜昌站的跳跃点均为1989年,而两站10月月平均流量序列跳跃点也完全一致,都为1991年.枯水期流量序列和10月月平均序列的跳跃点基本吻合,由此可以初步判定,长江上游流域的水库运行对枯水期及10月的流量产生了比较大的影响,流量序列跳跃点的产生主要是由水库运行引起的.由于长江上游流域水库不是同时建成运行,而且库容大小不一,各水库对其所处河流水文情势的影响程度也不相同,所以枯水期及10月流量序列的跳跃点并不能确切反映哪个或哪些水库是主要影响因素.但可以认为,枯水期及10月流量序列跳跃点的产生主要是长江上游流域水库运行对径流情势影响的累积作用的结果.

表1 长江流域上游大型水利工程Table 1 Large water resources projects in the upper reaches of Yangtze River

随着三峡水库、溪洛渡水库等大型水利枢纽的兴建运行,长江上游枯水期及10月的径流情势会进一步受到影响.长江上游水库对水文情势的影响程度有待于进一步研究.降水变化、下垫面条件改变、用水量变化等因素也会对枯水期及10月流量序列的跳跃点产生一定影响,但由于资料收集困难,无法深入分析.

5 结 论

a.总体来看,长江上游寸滩、宜昌站两站枯水期径流均呈上升趋势,其中宜昌站枯水期径流上升趋势的显著性水平超过95%置信度;两站10月径流均呈下降趋势,其中寸滩站10月径流下降趋势的显著性水平超过95%置信度.

b.寸滩站枯水期流量序列的跳跃点发生在1989年,枯水期多年平均流量跳跃点后较跳跃点前上升了241m3/s;10月流量序列的跳跃点发生在1991年,10月多年平均流量跳跃点后较跳跃点前下降了2099m3/s.宜昌站枯水期流量序列的跳跃点发生在1989年,枯水期多年平均流量跳跃点后较跳跃点前上升了492m3/s;10月流量序列的跳跃点发生在1991年,10月多年平均流量跳跃点后较跳跃点前下降了2396m3/s.

c.枯水期和10月流量序列的跳跃点基本吻合,由此初步判定,长江上游流域的水库运行对枯水期及10月的流量产生了比较大的影响,流量序列跳跃点的产生可能主要是由水库运行引起的.

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