西江下游年月径流变化特征研究

陈立华，刘为福，张利娜

(1.广西大学土木建筑工程学院，广西南宁530004；2.广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西南宁530004)

西江流域上游红水河段是我国“十三大水电基地”之一，在气候变化和人类活动共同作用下河川径流发生不同程度的改变[1- 3]。目前，许多学者围绕西江流域径流变化规律进行了研究[4- 6]。这些成果对西江流域水资源开发利用具有一定的指导意义，但是在突变点的识别和验证上尚缺乏统一的综合诊断方法且针对西江下游径流变化特征研究还不充分。因此，本文针对上述问题探究西江下游径流变化规律。

梧州水文站是西江干流控制性水文站，是广西实测资料系列最长、资料质量最好的重要监测站之一，集水面积32.7万km2，占西江流域集水面积的94.6%，其径流资料能较好地反映西江下游水文情况。因此，研究选取西江梧州站1950年～2015年日径流资料。采用回归分析法找出径流时间序列的趋势，并用Mann-Kendall秩次相关检验法[7- 8]进行趋势变化显著性检验及Hurst指数[9]预测其未来的变化趋势；通过M-K法[7- 8]结合滑动T检验法进行时间序列变异点诊断，并对诊断出的变异点进行变异等级判定[10]；利用Morlet小波分析法[11]分析梧州径流的周期特征，以揭示西江下游径流变化规律。

1 径流变化特征分析

1.1 年径流变化趋势

梧州水文站1950年～2015年年径流变化过程和累计距平曲线见图1和图2。由图1可知，梧州站年径流在过去66年中总体表现出递减的变化趋势，其递减率为10.95 m3/(s·a)。图2表明，在整个研究时域内存在3个准丰枯循环，分别为1950年～1967年、1968年～1992年和1993年～2014年。据此推断，2014年以后8～10a 径流将呈阶段上升趋势。

图1 年径流趋势

图2 年径流累计距平

采用非参数检验法(Mann-Kendall法)和Hurst指数法对其变化趋势进行分析表明：梧州站径流统计值ZC值为-1.47，|ZC|小于1.96，未能通过信度为95%的显著性检验，说明梧州水文站的年径流在66年内的递减趋势不显著。为定性分析梧州站年径流序列未来变化趋势的持续性，采用R/S法估算Hurst指数为0.80，大于0.5，表明其未来年径流与1950年～2015年存在相同的变化趋势，说明西江下游径流在1950年～2015年的年径流不显著递减趋势具有持续性，且持续性较强。

1.2 年径流的变异特征

1.2.1 变异诊断

水文序列在气候变化和人类活动的影响下，改变了其原来的变化趋势，颠覆了“一致性”前提下的工程水文分析计算方法。为了揭示水文序列变异规律，采用多种方法进行变异诊断，以此来获取更具说服力的变异点。

采用Mann-Kendall法对梧州站的不同时间尺度年径流序列进行变异诊断，其统计值曲线如图3所示。

从图3各时间尺度年径流变异判别曲线UF可知，自1954年前后开始，梧州站年径流总体呈现下降的趋势。其中图3e、图3f显示在2002年年径流呈明显减小的趋势，且在1957年～1965年径流的统计量UF值超过了置信水平0.05相应的临界值(Y=±1.96)，表明该时段年平均径流下降趋势十分显著，且在该时间段内是全流域的。图3中各时间尺度对应的潜在变异年份见表1。

从表1可以看出，对于不同时间尺度的年径流序列长度，Mann-Kendall法在置信区间内检测出的潜在变异点存在差异。因此，将采用滑动T检验法进一步检验置信度内交点是否为变异点。

采用滑动T检验法对梧州水文站1950年～2015年年平均流量序列进行逐点检验(见图4)。可看出，年径流在1951年～1955年和2002年～2003年两区域均超出了临界水平。结合M-K法诊断分析可知，1954年和2002年为潜在变异点。

对1954年和2002年两个潜在变异点进行显著性检验(见表2)。结果表明：1954年各阶段的显著性水平均达到5%(置信水平0.05相应的临界值为tα/2=2.0)，而2002年只有10年、30年阶段显著性水平达到5%。因此，分析认为1954年变异显著， 2002年为不显著突变。

1.2.2 变异等级划分

变异点的变异程度有轻有重，对变异点进行变异等级判别可以较准确地衡量其变异程度大小。因此，本文采用一种基于均值和变差系数Cv的变异等级划分方法对1954年和2002年进行变异程度判别，以识别其变异程度大小。变异等级划分[10]步骤：①对序列均值和Cv进行无量纲化处理，在排除了各种方法本身的局限性之后，从序列本身基值进行分析；②将系数变化程度分为7个等级(见表3)。变异等级判定结果如表4。

图3 不同时间尺度梧州站年径流突变判别曲线图(M-K法)

年份时间/a潜在变异年份1950年～1970年2019531950年～1980年3019531950年～1990年401954、1968、1987、19881950年～2000年501953、1996、20001950年～2010年601954、1968、1970、1972、1973、1975、1976、1980、1984、1992、2004、20081950年～2015年661954、1968、1969、1970、1972、1973、1975、1984、1993、1999、2001、2002

表2 梧州站年径流变异点前后径流阶段差异的显著性检验

注：参数n1和n2分别为变异点前、后的不同径流系列长度；*表示显著度超过5%。

图4 滑动T检验法分析

表3 基于均值系数和Cv的变异等级划分

表4 变异程度分析

1.3 月径流变化趋势

随着西江干流红水河段梯级电站的相继建成，径流年内分配受人类活动影响已失去天然径流的年内特征[2- 3，12]，见表5。

从表5可以看出，西江下游梧州站6月～8月占年径流量的50.5%，12月至次年2月仅占年径流量的8.2%；6月占比最大，2月占比最小；年水量主要集中在丰水期5月～9月，占年径流量的71.8%，而平水期和枯水期7个月水量占年径流量的28.2%。

表5 西江下游梧州站多年平均流量年内分配 %

为进一步分析西江下游径流年内变化情势，对各月径流变化趋势进行了分析，采用Mann-Kendall秩次相关检验法对各月趋势变化进行检验，并运用R/S分析法预测各月径流未来的变化趋势(见表6)。

西江下游梧州站逐月径流在汛期4月～6月和8月～10月均有不同程度的递减趋势，而非汛期逐月径流和7月则呈增加趋势。从各月径流M-K统计检验值和Hurst系数值可以看出，1月和3月径流都有显著的上升趋势，且其未来径流将微弱呈持续上升趋势；8月和9月径流均有较显著下降趋势，其未来径流将呈较强的持续下降趋势。分析表明：

(1)梧州站径流年内变化情势总体呈现蓄峰补枯的良好趋势，这主要得益于西江中上游的天生桥一级、龙滩水库、百色水库等骨干性水利工程发挥了调控作用。

(2)汛期7月径流呈微弱的上升趋势，且其未来径流呈较强的持续上升趋势。刘建业[12]曾指出，西江防洪控制站梧州站年最大洪水多发生在前汛期(4月～7月)，尤以6月、7月洪水最盛，占到69%。而陈立华等[4]在西江流域干流径流演变特征与趋势分析的研究中曾指出，迁江站6月、7月份月径流呈递减趋势。一方面说明西江干流迁江站上游水库发挥了削峰防洪的作用；另一方面，姚章民等[13]在珠江流域暴雨天气系统与暴雨洪水特征分析中曾指出，西江流域发生流域性大洪水的暴雨中心落在柳江的概率最大，其次是桂江，暴雨中心落在右江的概率最小；说明在迁江站至梧州站干流及其区间支流(柳江、郁江、桂江等较大支流)仍缺少足够调节能力的骨干性水利工程。

表6 梧州站径流逐月变化趋势

注：*和**分别表示显著性检验水平超过0.05和0.01。

2 径流变化周期性分析

2.1 小波变换结果分析

复数小波函数-Morlet小波的实部和模方值是两个主要变量(见图5)。小波系数实部可反映系统在不同时间尺度下的变化特征：正位相小波系数实部对应径流偏丰期(对应图中亮区)，负位相则对应径流偏枯期(对应图中暗区)；小波实部绝对值越大，表明该时间尺度的年径流序列变化越强烈。Morlet小波系数的模方值大小表征时间尺度信号的强弱，其值越大，则为年径流序列所对应时段或尺度的主周期。

图5a为梧州站年径流序列小波系数实部，反映出径流序列存在18～26a，8～17a和3～7a共3类时间尺度的周期变化规律。在整个分析时段中，18～26a尺度的周期变化表现非常稳定，存在4个丰～枯振荡期，其周期中心在22 a左右，且到2015年等值线已闭合，说明2015年以后将呈现新一轮偏枯期。8～17a尺度的周期变化主要发生在50～70年代和90年代末以后，其周期中心在15a左右。3～7a尺度的径流周期性呈现不稳定的变化。图5b为年径流序列的小波系数模方，图中18～26a尺度模方值最大，能量最强，稳定性最好，其次为8～16a，最弱为3～7a。

图5 梧州站年径流的小波系数实部a和模方b的时频变化

图6 梧州站年径流在不同时间尺度下的小波系数实部变化

梧州站年径流在不同时间尺度下的小波系数实部变化如图6所示， 图6a为22a时间尺度下的小波系数实部变化过程，年径流经历了4个丰～枯转换期，具体表现为1950年～1957年、1965年～1971年、1979年～1985年、1994年～2000年和2008年～2014年偏丰，1958年～1964年、1972年～1978年、1986年～1993年和2001年～2007年偏枯；图6b为年径流在15a时间尺度下的小波系数实部变化图，正负位相以15a左右的时间振荡，在1979年前后出现转折，1979年之前逐渐递减，之后逐渐增大，经历了6个丰-枯转换期；图6c为年径流在5a时间尺度下的小波系数实部变化过程，正负位相以5a左右的时间振荡，存在2个较大峰值转折点，分别在1965年和1977年，该时间尺度经历了19个丰-枯转换期，时频变化强烈。

在22a尺度下，2015年～2020年将处于偏枯期而在15a尺度下为偏丰期，因此，大尺度下的丰期(或枯期)蕴藏着若干个小尺度枯(丰)期，呈现出丰枯结构的复杂性。

2.2 小波分析检验

年径流序列小波方差如图7所示，它通过波动能量随时间尺度的起伏变化来反映径流序列的变化过程。图7中存在22、15、10a和5a4个较明显的峰值。其中，控制流域年径流变化的第一和第二主周期分别为22a和15a，而10a和5a的时间尺度相对较弱。

图7 梧州站年径流的小波方差

小波方差检验结果结合图6a、b可知，流域径流变化在15a时间尺度上存在11a左右的周期，大约有6个丰-枯转换期；而在22a尺度上，径流的平均变化周期为14.5a左右，为4个周期的丰-枯变化。

4 结 语

采用西江下游梧州站1950年～2015年66a的径流资料，分别运用Mann-Kendall法、滑动T检验法、R/S分析法和小波分析法进行了趋势性、变异性及周期性等变化规律的分析，得到以下结论：

(1)由线性倾向估计法得到年平均径流整体呈递减趋势，其减少率为10.95 m3/(s·a)。采用Mann-Kendall非参数检验法分析1950年～2015年西江下游梧州站年径流递减趋势不明显。R/S分析表明，西江下游径流未来变化趋势与66a来的径流变化趋势相同，呈持续递减的趋势。

(2)西江流域下游梧州站汛期4月～6月和8月～10月逐月径流呈不同程度的递减趋势，非汛期逐月径流呈增加趋势，可知汛期洪水得到削弱，非汛期水量有所补充，表明龙滩下游干流水利工程具有一定的调节能力；但从7月径流增加趋势来看，干流水利工程仍不能满足西江流域防洪需求，尤其是对迁江站至梧州站区间洪水的调控。

(3)在对梧州站不同序列长度的年径流变异分析中发现，Mann-Kendall检验法的检验结果易受序列长度影响。通过M-K法结合滑动T检验变异点，并对其进行变异等级判定得到：1954年为中度变异，2002年为无明显变异。

(4)从小波周期性分析表现来看，西江下游径流存在22、15、5a3类时间尺度的周期性变化规律。其中，第一和第二主周期分别是22a和15a。预测在2015年～2020年后前后，西江下游径流在22a尺度上将处于偏枯期而15a尺度下为小幅偏丰期。