乌江流域径流特征分析

张 莉 ，徐静波 ，杨 亮 ，杨 华

（1.中国地质大学 地球科学与资源学院，北京 100083；2.中国华电工程集团，北京 100031；3.中国水电工程顾问集团，北京 100120）

乌江是长江上游南岸最大的一条支流，全长1037km，流域面积87920km2，是我国十二大水电基地之一。主干流由上到下现有7座水电站：洪家渡、东风、索风营、乌江渡、构皮滩、思林和沙沱站。以乌江渡为界，分为上游4站（洪家渡、东风、索风营、乌江渡），下游3站（构皮滩、思林和沙沱）。选取流域7座水电站的代表水文站1951～2007年共56a的年径流资料采用集中度（期）、Kendall和R/S等方法对流域径流年内分配、趋势性等径流特征进行分析计算。

1 基于特征定量分析的径流年内分配

传统的径流年内分配通常采用各月（季）平均径流占全年径流总量的百分数及洪、枯水期的相对数表示，其特点是直观、易计算，在水文分析中广泛应用，为了进一步定量分析径流的年内分配特征，汤奇成等[1-2]首先研究径流年内分配不均匀系数、集中度和集中期，之后经过其他学者的不断改进趋于完善，文献[3-5]中采用年内不均匀系数、集中度、集中期等不同指标对不同地域径流的不均匀性、集中程度进行分析以揭示径流年内分配特征的变化规律，其优点是能用简明的数据来反映年径流的变化规律。

径流年内分配的不均匀性通常采用径流年内不均匀系数Cu和径流年内分配完全调节系数Cr来标度，见公式（1）。

式中 Rx，Ry，R为水平、 垂直方向分量和合成总向量；θi为月径流向量角度，从1到12月分别为15°，45°，…，345°。

表1 乌江流域洪家渡和构皮滩站径流年内分配特征指标值

利用以上方法和表1，分别计算乌江流域上游控制站洪家渡水文站及下游控制站构皮滩水文站年内不均匀系数、年内分配完全调节系数及集中度（期）等不同指标。由表1可知：从径流年内分配的集中性看，洪家渡与构皮滩两站1951～1959年、1990～1999年的Cu、Cr都大于多年平均，说明这几段时期径流年内分配较不均匀，而1960～1969年、1970～1979年、1980～1989年和2000～2006年的Cu、Cr均小于或等于多年平均，说明这段时内径流的年内分配较为均匀。从集中期变化来看，洪家渡站20世纪50～90年代径流集中期基本稳定，出现在每年7月15日左右，与多年平均基本一致，2000～2006年，径流集中期相对多年平均提前5d；逐年而论，径流集中期最大值222.6°（1979年），最小值152.7°（1992年），最大最小值出现的时间相差71d；构皮滩站20世纪50年代集中期较为一致，出现在7月9日左右，70年代集中期较多年平均出现早4d，80年代集中期较多年平均出现迟5d，90年代接近于多年平均，21世纪初径流集中期较多年平均提前5～6d；逐年而论，最大径流发生时间有提前的趋势；最大值231.6°（1971年），最小值149.4°（1992年），最大最小值出现的时间相差83d。

上下游径流分配比较分析。由表1中可以看出，构皮滩站的不均匀性通常都要大于洪家渡站；集中期差别较大，通常情况下构皮滩集中期出现时间要比洪家渡集中期出现时间提前10d左右；最大值出现年份不同，洪家渡1979年，构皮滩1971年，最小值都发生在1992年。

不论是洪家渡站还是构皮滩站，90年代的径流年内分配均出现了较大的变化，具体表现为年内分配系数升高，集中度升高，集中期提前等特性。

2 各站年径流序列趋势分析

年径流的变化趋势反映了径流演变的总体规律，决定了水资源的开发和利用[6]。分析径流时间序列趋势及其状态持续性，可采用Kendall秩次相关检验[7-8]和R/S分形分析[9-10]的方法来进行统计检验分析。Kendall秩次相关检验可以对径流时间序列的趋势变化作出科学定量的分析，R/S分析能充分反映径流时间序列变化趋势所具有的状态，即具有正持续性还是反持续性。

表2 乌江流域各站Kendall秩次相关检验结果

由表2可以看到，乌江流域各站Kendall秩次相关检验在置信水平的情况下，乌江流域各站的年径流序列趋势总体都不明显，分析其原因在于流域下垫面条件较好，受人类活动影响较少，引起趋势的主要原因在于水文气候变化，具体又表现为乌江上游4站呈现不显著的递减趋势，下游3站表现为不显著的递增趋势。下游表现为不显著的递增趋势原因是乌江渡与构皮滩之间有较大的支流清水江和湘江的汇入。

图1 乌江流域洪家渡和构皮滩站年径流R/S分析

由图1可以看到两站Hurst指数均大于0.5，结合Kendall秩次相关检验分析结果可知，洪家渡在未来一定时间内不显著递减的趋势将持续，构皮滩在未来一定时间内不显著递增的趋势将持续，可为流域水库调度提供参考依据。

表3 各站Hurst指数值

由表3可知流域各站Hurst指数均大于0.5，均表现出分形特征。总之，上游4站不显著递减的趋势将持续，下游3站不显著增加的趋势将持续。

3 结语

乌江流域各站径流的年内分配汛枯分明且差异较大，年内分配极不均匀。表现为上下游不一致的特点。其中，构皮滩站的不均匀性、集中度略大于洪家渡站；进入90年代，洪家渡站与构皮滩站径流年内分配均表现出年内分配系数升高，集中度升高，集中期提前等特性。由于流域下垫面较好，受人类活动影响较小，各站的年径流序列的变化均无明显趋势；且流域各站年径流序列具有分形特性，不显著减小的趋势将持续。

［1］汤奇成，李秀云.径流年内分配不均匀系数的计算和讨论［J］.资源科学，1982（4）： 59-65.

［2］汤奇成，程天文，李秀云.中国河川月径流的集中度和集中期的初步研究［J］.地理学报，1982，37（4）：383-393.

［3］郑红星，刘昌明.黄河源区径流年内分配变化规律分析［J］.地理科学进展，2003，22（6）：585-590.

［4］刘贤赵，李嘉竹，宿庆，等.基于集中度和集中期的径流年内分配研究［J］.地理科学，2007，27（6）：791-795.

［5］李艳,陈晓宏,张鹏飞.北江流域径流序列年内分配特征及其趋势分析［J］.中山大学学报,2007,46（5）：113-116.

［6］冯夏清,章光新,尹熊锐.乌裕尔河流域径流特征分析［J］.自然资源学报,2009,24（7）： 1286-1295.

［7］康淑媛，张勃，柳景峰，等.基于Mann-Kendall法的张掖市降水量时空分布规律分析［J］.2009,31（3）：501-508.

［8］于延胜,陈兴伟.R/S和Mann-Kendall法综合分析水文时间序列未来的趋势特征[J].2008,19（3）：41-44.

［9］燕爱玲,黄强,刘招,等.R/S法的径流时序复杂特性研究[J].应用科学学报,2007,25（2）：214-217.

［10］门宝辉，刘昌明，夏军，等.R/S分析在南水北调西线一期工程调水河流径流趋势预测中的应用[J].冰川冻土，2005,27（4）：568-573.