变化环境下南渡江干流径流特征分析及变化趋势研究

陈晓璐，林建海

(1.海南省水文水资源勘测局，海南 海口 570203；2.海南省水利水电勘测设计研究院，海南 海口 570203)

径流过程是水文循环的重要环节，是流域水量平衡方程的重要组成部分。因此，分析径流特征、研究径流变化规律，对掌握流域地表水资源量、合理开发利用水资源具有重要现实意义[1]。南渡江流域位于海南省北部，行政区划涉及海口、文昌等9个市、县，是海南省重要的经济中心、工业基地和农业生产基地。然而，现有对南渡江流域的研究，多集中在生态环境方面[2-6]。如2018年，余梵冬等基于鱼类生物完整性指数IBI构建了两套评价体系，分别评价了南渡江的局部健康状况及其与历史的差异[7]；2016年，许栋等在求解河流二维浅水方程的基础上，构建水生态动力数学模型，探讨浮游植物、浮游动物等生物量信息随空间和流量的变化趋势[8]；2014年，刘贤词等通过对南渡江的生态环境调查，提出流域管理和保护对策[9]。而对南渡江径流特征分析和时序变化研究的成果少有报道。本文在海南省实行最严格水资源管理制度的背景下，对南渡江干流的径流特征及变化趋势进行分析研究，为南渡江流域的经济中心、工农业基地的社会经济发展对水资源的需求及南渡江流域综合规划提供理论依据。

1 研究区概况

1.1 流域概况

南渡江是海南岛第一大河流，流域位于东经109°12′～110°35′、北纬18°56′～20°05′之间，呈狭长形。干流发源于白沙县南峰山，地势西南高东北低，流经白沙、琼中、儋州、澄迈、屯昌、定安、琼山至海口市三联村汇入琼州海峡，支流伸展到临高、文昌等市县。干流全长334 km，流域面积7 033 km2，占海南岛总面积的20.6%。干流总落差703 m，平均坡降0.72‰，流域平均宽度21 km。流域内气候温和，雨量充沛，台风频繁。降雨量自上游向下游递减，南部多于北部。5—10月为雨季，降雨量占全年降雨量的85%，台风带来暴雨致使中下游两岸平原地区洪水泛滥；11月至次年4月为旱季，降雨量仅占全年的15%，常发生春旱。

1.2 水文测站分布情况

1954年，南渡江干流上设立龙塘站，兴建松涛水库后，1959年先后在入库的干流上设立福才水文站及库区南丰水文站，至2015年设立迈湾水利枢纽工程临时水文观测站。各站点信息见表1，分布情况见图1。

1.3 数据选用

本次研究，选用南渡江干流上水文站点的径流长序列资料。考虑到南渡江迈湾站为工程临时观测站，设站时间短，水文序列不足30 a，不具有代表性，不足以支撑研究成果；而松涛水库(南丰)站整理成册的仅有1966、1987、1993年3 a的径流资料，故本次研究不采用以上两站点数据，仅选用福才及龙塘站2个站点。且福才站与龙塘站分属南渡江干流的上下游，2个站点间的径流变化，可大致表征变化环境下南渡江流域的径流演变情况。

表1 南渡江干流各水文站点信息

图1 南渡江干流水文站点分布

综上，本次研究选取福才及龙塘2个站点1959—2018年逐月的实测径流资料，经整理后形成1959—2018年共计60 a的年均径流长序列。

2 研究方法

本次研究采用统计分析方法对南渡江干流福才、龙塘2站点的径流年内分配、年际变化及不同年代年均径流的变化进行分析，选用皮尔逊Ⅲ型(P-Ⅲ型)分布[10-12]适配经验频率曲线，并计算极值概率。最后选用Mann-Kendall法[13-17]对年均径流变化的趋势和突变进行研究分析，并用滑动t-检验[13,17,20]对突变结果进行检验。

2.1 皮尔逊Ⅲ型(P-Ⅲ型)分布

英国生物学家皮尔逊通过很多资料的分析研究，提出一种概括性的曲线族，包括13种分布曲线，其中第Ⅲ型曲线被引入水文计算中，成为当前水文计算中常用的频率曲线。

皮尔逊Ⅲ型(P-Ⅲ型)曲线是一条一端有限一端无限的不对称单封曲线，数学上称为三参数伽玛分布，其概率密度函数为：

(1)

式中Γ(α)——α的伽玛函数；α、β、a0——P-Ⅲ型分布的形状、尺度和位置参数，α>0，β>0。

(2)

(3)

(4)

2.2 Mann-Kendall法[17-18]

在时间序列趋势分析中,Mann-Kendall法是世界气象组织推荐并已广泛使用的非参数检验方法, 最初由Mann 和Kendall 提出。近年来，Mann-Kendall法不断被越来越多的学者应用在降水、径流、气温和水质等要素时间序列的趋势变化分析中，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，检测范围广，定量化程度高，适用于水文、气象等非正态分布的类型变量和顺序变量，计算也比较简便。

2.3 滑动t-检验

计算过程中采用滑动的方法连续设置基准点，依次按上式计算统计量t值。由于进行滑动的连续计算，可得到统计量序列ti,i=1,2,…,n-(n1+n2)+1。

其中

(6)

计算得到的t值服从ν=n1+n2-2的t分布。

基准点前后两子序列的长度一般取相同长度，即n1=n2。给定显著性水平α，查t分布表得到临界值tα,若|ti|

3 研究成果

3.1 径流特征分析

3.1.1径流的年内分配

受季风气候影响，南渡江流域全年径流相对集中，出现显著的干、湿两季。由图2可知，最大月平均流量出现在10月，其径流量占全年径流总量的23.72%(福才站)、21.65%(龙塘站)；最小月平均流量出现在3月，其径流量占全年径流总量的1.12%(福才站)、2.34%(龙塘站)。两站最大月及最小月径流量占全年径流总量的比重基本一致。

图2 福才、龙塘站月平均流量

月平均流量的丰枯比为21.09(福才站)、9.25(龙塘站)。由此可见，在年内分配方面，龙塘站的月均流量分布较福才站更均匀，变化幅度更小。汛期(5—10月)，福才站径流量占全年径流总量的82.85%，与南渡江雨季(5—10月)降雨量占全年降雨量的85%的分配趋势基本相符。龙塘站5—10月的径流量占全年径流总量的76.29%，与福才站的雨季降雨量比重稍有差异。

3.1.2径流的年际变化

由图3可知，整体来看，福才、龙塘两站点自1959年以来年均流量均有微略下降趋势。其中，福才站年均流量趋势线y=-0.0184x+16.112，龙塘站年均流量趋势线y=-0.1316x+182.92，可见福才站的年均流量下降趋势大于龙塘站。

图3 福才、龙塘站1959—2018年均流量

在年际分布方面，福才站年均流量的最大值出现在1964年，为34.39 m3/s；最小值出现在1969年，为3.73 m3/s；年均流量丰枯比为9.22。龙塘站年均流量的最大值出现在1973年，为294.33 m3/s；最小值出现在2015年，为70.49 m3/s；年均流量丰枯比为4.18。由此可知，受福才-龙塘区间变化环境及人类活动的影响，龙塘站流量的年际分布较福才站更均匀，变化幅度更小。

对两站点年均径流资料由大至小进行排频。在福才站年均径流最大值的1964年，龙塘站相应年均流量为292.59 m3/s，频率为3.28%，属长系列资料中第二大值。在龙塘站年均流量最大值的1973年，福才站相应年均流量为31.84 m3/s，频率为3.28%，属长系列资料中第二大值。可见在最大值方面，福才站与龙塘站基本在相同的年份里呈现相同的径流极值变化规律。这是由于在丰水年，上游来水多，上游来水与福才-龙塘区间的来水总量能充分满足区间内的用水需求，故留在河道里的没有被利用的水量，随着上游来水的增多而增多。而在福才站年均流量最小值出现的1969年，龙塘站相应年均流量为91.19 m3/s，频率为90.16%。在龙塘站年均流量最小值的2015年，福才站相应年均流量为4.70 m3/s，频率为96.72%。这是由于在枯水年，上游来水少，上游来水与福才-龙塘区间的来水总量无法满足区间的用水需求，需要用区间水库进行用水调蓄，因而在留在河道里没有被利用的水量与上游来水的水量变化存在差异。

3.1.3不同年代年均流量的变化

将福才、龙塘两站的长序列资料按1959—1969、1970—1979、1980—1989、1990—1999、2000—2009、2010—2018年划分为6个年代，分别统计各年代年均流量，得到图4，并分别与两站多年平均(1959—2018年)流量相比较。

图4 不同年代福才、龙塘站年均流量

在6个年代中，福才站与龙塘站呈现了完全一致的径流变化规律。年均流量的最大值均出现在1970—1979年，福才站为18.55 m3/s，龙塘站为195.89 m3/s；最小值出现在1990—1999年，福才站为13.97 m3/s，龙塘站为169.40 m3/s。由此可推证，自1959年来，20世纪70年代南渡江流域径流最为丰沛，而20世纪90年代南渡江流域径流最为枯少。

将福才、龙塘两站不同年代的年均流量与多年平均(1959—2018年)流量进行比较，计算各站点不同年代年均流量距平值，得到图5。

图5 不同年代福才、龙塘站年均流量距平值

除1970—1979、2010—2018年外，在1959—2018年的6个年代中，福才、龙塘两站其余4个年代的年均流量均较多年平均流量小。除出现年均流量最大值的20世纪70年代及出现年均流量最小值的90年代外，其余年代福才、龙塘两站的年均流量均与多年平均流量较为接近。

3.2 流量长期分布与变化趋势

3.2.1P-Ⅲ型分布

采用矩法对福才、龙塘两站1959—2018年的径流长序列资料进行统计参数估计，计算得到福才站Ex值为15.75 m3/s，Cv值为0.43；龙塘站Ex值为180.75 m3/s，Cv值为0.33。由此可见，福才站值较龙塘站大，表明福才站的径流长序列资料较龙塘站离散程度大，径流变化更明显。这也与前文根据两站点月平均流量丰枯比及年均流量丰枯比的研究结果相符。

选用计算得到的值，采用目估适线法估计频率曲线，根据频率曲线与经验点据的配合情况选择拟合程度最好的曲线，确定拟合度福才站0.95、龙塘站0.97，点线匹配效果较好，得到福才、龙塘两站点P-Ⅲ型频率曲线见图6、7。

图6 福才站P-Ⅲ型频率曲线

图7 龙塘站P-Ⅲ型频率曲线

根据拟合得到的频率曲线，计算福才、龙塘两站不同重现期流量见表2，典型年流量见表3。

表2 福才、龙塘站不同重现期流量

表3 福才、龙塘站典型年流量 m3/s

3.2.2趋势研究及突变检验

依据Mann-Kendall法计算福才、龙塘两站1959—2018年径流长序列资料的UFk和UBk值，选取显著性水平α=0.05，则临界值u0.05=±1.96，见图8、9。

图8 福才站年均流量Mann-Kendall统计量曲线

图9 龙塘站年均流量Mann-Kendall统计量曲线

由图8、9中的UF曲线可见，在1964年，福才、龙塘两站的值均大于0且超过了置信线，表明在1964年，两站的年均流量呈现显著上升趋势。在1959—1986年共计28 a中，除1969年的年均流量呈下降趋势外，其余年份均呈上升趋势，但仅在1964年有显著上升趋势。两站在1986年后，年均流量基本保持不显著的下降趋势。相对来看，1986年后，龙塘站仍有个别年份的年均流量呈微略上升趋势，故整体而言，福才站年均流量的下降趋势较龙塘站更加显著，这也与前文的趋势分析结果相符。

根据图8、9中福才、龙塘两站年均流量的UF与UB曲线，两站在1959—2018年内并未出现突变点。为提高突变检验的精确度，引入滑动-检验对福才、龙塘两站的年均流量长序列资料进行突变检验。

选取子序列长度n1=n2=10,给定显著性水平α=0.5，按t分布自由度v=n1+n2-2=18，查表可知t0.05=±2.101。将计算得到的t统计量序列和t0.05=±2.101绘成图10。

图10 福才、龙塘站滑动统计量曲线

图10所示，选取子序列长度为10，则福才、龙塘两站年均流量的滑动t统计量在1968—2008年的基准年内呈现基本一致的变化趋势，且并未出现突变。表明自1959年来，福才、龙塘两站年均流量虽稍显下降趋势，但未出现突变，径流年均变化较为平缓。

4 结论

通过对南渡江干流福才、龙塘两站1959—2018年的径流长序列资料进行分析与研究，可以得出以下结论。

a) 南渡江流域系显著的热带季风气候，有明显的干湿两季，径流的年内分布相对集中。汛期(5—10月)径流量占全年径流总量约80%，月均流量最大值出现在10月，最小值出现在3月。由此可知，南渡江流域汛期防洪任务重，做好台风季洪水预警预报及防御春旱是南渡江流域水文工作的重要内容之一。

b) 在年际变化方面，整体而言，南渡江干流的流量在1964年出现显著的上升趋势，但自1986年后，流量稍有减少，呈现不显著的下降趋势。且自1959年来，径流年均变化较为平缓，并未出现突变。由此可知，南渡江流域的流量维持在一个相对稳定的范围内，未出现较大变化，受人类活动影响不大。