嘉陵江流域北碚站径流变化趋势分析

陈吉琴，宋萌勃

（长江工程职业技术学院，湖北 武汉 430212）

0 引言

作为水资源最主要的来源，河川径流是支撑社会、经济、生态环境和人类社会可持续发展的基础。21世纪以来，由于全球气候变化和人类活动，特别是经济发展、认识能力、科技水平等诸多因素的影响，河川径流已经发生了很大的变化。目前，包括河川径流在内的水资源安全受到了极大的威胁［1］。一个流域的水资源多寡状况，一般采用年平均径流来表示。因此，研究流域内径流变化趋势和特征有着重要的现实意义。目前，关于嘉陵江流域径流趋势及特征的研究，已经进行了大量的工作［2～4］。本文的研究工作一方面增加了序列的长度，另一方面也是对前人研究工作的验证，为进一步分析嘉陵江流域水资源变化特征打下基础，以期为流域水资源的分配和调度提供依据。

1 研究域概况

嘉陵江是长江水系流域面积最大的一条支流，因流经陕西凤县东北嘉陵谷而得名。其发源于陕西省秦岭山脉代王山南侧东峪沟，干流流经陕西省、甘肃省、四川省、重庆市，在重庆市朝天门汇入长江，全长1 120 km，流域面积约16万km2，占长江流域上游（宜昌以上）集水面积的15.9%［5］。嘉陵江主要支流有：八渡河、西汉水、白龙江、渠江、涪江等。嘉陵江流域广阔，天然落差约2.3 km，中、上游东侧及渠江上游为大巴山暴雨区，西侧及涪江上游为鹿头山、龙门山暴雨区。渠江和涪江在距嘉陵江汇入长江的汇口以上近100 km处于重庆合川汇入干流［6］。

北碚是嘉陵江流域重要的水文控制站，控制面积为15.6万km2，多年平均径流量 880亿m3，约占宜昌以上来水量的15%。北碚区属亚热带季风湿润气候，雨量充沛，有春早、夏热、秋短、冬迟特征。最高气温44.3℃。最低气温-3.1℃，年平均气温18.2℃。本文主要研究北碚站1943～2011年间径流变化趋势及特征。

2 资料选取及研究方法

2．1 资料选取

采用的原始数据为嘉陵江流域重要控制水文站北碚站1943～2012年逐月流量资料。对原始数据经过累加计算，得出年径流资料。

2．2 研究方法

采用的分析方法有线性倾向回归分析法［7］，累积距平分析法［8］，spearman 秩次相关检验法［9］，滑动平均法和 M-K 方法［10］。

3 北碚站径流变化趋势及特征

3．1 线性倾向回归分析

图1是北碚站实测年平均流量的变化过程。从图1中可以看出，嘉陵江流域北碚站多年平均流量约为2 124.5 m3／s。近70年的实测年均流量呈现微弱减少趋势，平均线性递减率为 5.8 m3／（s·a）；近 20年的多数年份，年均流量小于多年均值。对1943～2012 年径流序列，选择置信水平 α＝0.05，查出 tα／2＝1.994。由计算得出，北碚站年均径流序列的秩次相关值|T|＝|-1.525|＝1.52＜tα／2＝1.994，即接受原假设：北碚站年径流的线性倾向值为-5.82，所以序列下降趋势不显著，即此流域水资源越来越少。

图1 北碚站1943～2012年实测年均流量变化图Fig.1 Actual-measured annual average flow changes from 1943 to 2012 of Beibei station

3．2 累积距平分析

径流系列的累积距平曲线是分析和研究径流变化趋势和特征的常用方法。从曲线明显的上下起伏状况可以判断，序列长期显著的演变趋势和持续性的变化，甚至可以诊断发生突变的大概时间。从左到右，当曲线的斜率为正时，表明距平为正，径流增加，即连续丰水期；当曲线的斜率为负时，表明距平为负，径流减少，即为连续的枯水期；当曲线的斜率较为平缓时，表明距平为零，即为连续的平水期。坡度越大说明丰（枯）期的程度越剧烈，若呈现长时期的连续上升（下降），表明丰水（枯水）期的时间持续越长［8］。图2为北碚站所径流累积距平曲线图。

从图2可以看出，北碚站年径流量存在比较显著的丰、枯交替现象，但丰、枯交替周期不同。1943～1968年30年间，属于丰水期，这期间水资源相当丰富，满足人类生产生活需求。1969～1980年，属于枯水期，这期间水资源相对较缺乏，但基本满足人类生存生活需求。这是因为，20世纪七八十年代，工业生产需水量很少，生活用水占用比例相对较高。1981～1986 年，属于丰水期。 1987～1996 年，属于平水期。1993～2012年，属于枯水期。这说明，近20年，水资源越来越枯竭。21世纪，工业、农业、经济各方面快速发展，需水量越来越多，对水资源的质量的要求也越来越高，保护水资源刻不容缓。经过计算，最终累积值为-34 m3／s，占多年平均值（2125）的 2%，水资源量整体上呈下降趋势。

3．3 spearman秩次相关检验法

用spearman秩次相关检验法分析北碚站径流量的年际变化趋势，就是分析径流序列与时间的相关关系，计算径流序列与时间序列的秩次。选择置信水平 α＝0.05，查出 tα／2＝1.994。 计算出北碚站年均径流序列的秩次相关值|T|＝1.906＜tα／2＝1.99， 即接受原假设；经对径流量的spearman移次趋势分析，序列无明显变化趋势。

图2 北碚站年径流累积距平曲线图Fig.2 Annual runoff accumulative anomaly curve of Beibei station

3．4 滑动平均法

滑动平均法是最基础的趋势拟合技术，相当于低通滤波器，用确定时间序列的平滑值来显示变化趋势。其原理是，通过选择合适的滑动年限K值，使序列高频振荡的影响得以弱化，据此研究系列的趋势变化规律［9］。本文滑动年限分别取10年、15年和20年。根据嘉陵江北碚站实测流量资料统计，10年、15年及20年滑动平均线的整体趋势都呈现较为明显的下降趋势，平均线性递减率分别为 9.6 m3／（s·a），10.0 m3／（s·a）和 9.9 m3／（s·a）。 图 3 是北碚站 70 年间径流量的滑动平均过程线。

图3 北碚站1943－2012实测流量及滑动平均过程线Fig.3 Actual-measured flow and slide average hydrograph from 1943 to 2012 of Beibei station

从图3可以看出，在20世纪90年代中期以前，滑动平均线变化较平稳，之后，出现逐步下滑，各滑动平均线均在多年平均线以下波动，但从2005年以后有上升迹象。总体来看，20世纪90年代以后，嘉陵江北碚站来水量总体偏枯。

3．5 M－K 方法

图4是Mann-Kendall检验方法分析的北碚站年均径流的趋势统计变化图。经计算，嘉陵江流域北碚站年均流量kendall值为-1.83，说明此序列具有下降趋势，但在95%的置信水平下下降不明显。

图4 北碚站1943～2012年实测年均流量变化趋势诊断图Fig.4 Actual-measured annual average flow change trend from 1943 to 2012 of Beibei station

从图4中可以看出，北碚站径流在1943～1983年间变化平稳，但1984年之后，呈现减少趋势，尤其在1999年之后，减少趋势显著。

对北碚站年径流进行突变检验。从图4中可以看出，UF和FB两条曲线出现5个交点，并且交点全部在2条临界线之间，并通过置信水平α＝0.05的检验。这说明，北碚站年径流量的趋势突变点有5个，对应的年份分别是 1976、1980、1981、1982、1983年，即1980年前后，北碚站径流发生突变。这可能是由于20世纪80年代以后，人类活动越来越大，范围也越来越广，导致下垫面条件发生了变化，致使径流发生突变。

4 结语

本文依据嘉陵江流域北碚站长系列径流资料，选择5种趋势性分析的相关统计学方法，研究径流有无趋势性变化特征，定量研究人类活动对径流规律的影响。初步得出如下结论：

（1）5种统计方法分析结果基本一致，都表明北碚站年均径流序列呈下降趋势，平均线性递减率为5.8 m3／（s.a），但总体上下降趋势不明显。

（2）经过Mann-Kendall突变点分析计算得出，北碚站年径流量的趋势突变点在1980年前后，即20世纪80年代后，水资源越来越少，尤其20世纪90年代以后，嘉陵江北碚站来水量总体偏枯。

径流是降水和下垫面相作用的产物，在下垫面相对稳定的前提下，降水与径流演变规律保持相对一致，而演变规律的差异性可表征人类活动的影响。嘉陵江流域径流减少原因可能是，人类活动的影响改变了下垫面条件，为此需开展水土保持重点防治工程，以减少水资源的流失。正确评价水资源量，合理利用水资源，在保护中发展，在发展中保护，在利用大自然给人类宝贵财富的同时保持区域生态系统的良性循环，实现水资源可持续利用。

[1] 黄强，赵雪花．河川径流时间序列分析预测理论与方法［M］．郑州:黄河水利出版社，2008:1-3．

[2] 张跃华，徐刚．嘉陵江年径流量时间序列趋势分析［J］．重庆师范大学学报: 自然科学版，2011，28（5）:33-36．

[3] 白桦，穆兴民．嘉陵江流域降水及径流演变规律分析［J］．水土保持研究，2012，19（1）:102-106．

[4] 范利杰，穆兴民．近50a嘉陵江流域径流变化特征及影响因素［J］．水土保持通报，2013，33（1）:12-17．

[5] 黄胜．嘉陵江北碚站年径流量变化规律及预测研究［J］．人民长江，2008，39（2）:13-16．

[6] 高攀宇，李身渝．嘉陵江流域暴雨洪水特征及预报［J］．人民长江，2011，42（11）:56-59．

[7] 黄嘉佑．气象统计分析与预报方法［M］．北京:气象出版社，2000:33-34．

[8] 汪丽娜，李粤安．合水水库降雨径流年内年际变化特性分析［J］．广东水利水电，2008（5）:3-7．

[9] 钱光兴，崔东文．盘龙河流域水文气象要素变化趋势分析研究［J］．广东水利水电，2011（4）:32-34．

[10]马晓波，李栋梁．青藏高原近代气温变化趋势及突变分析［J］．高原气象，2003（5）:507-512．