1957年～2017年赣江中下游洪水要素演变特征分析

许世超，许新发，刘章君，梅亚东，朱 迪

(1.南昌大学建筑工程学院，江西 南昌 330031；2.江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029；3.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072)

赣江是江西省境内最大河流，历史上赣江中下游洪水灾害最为严重。经过历年来的防洪工程建设，赣江中下游的洪水治理有着巨大的改善。但是随着人类活动的影响和气候的变化，洪水要素也随之发生了改变：一是气候变化下赣江流域洪水规律发生了变化；二是万安水库、峡江水利枢纽、干流航电枢纽建设及河道挖沙等活动改变了河道特性，洪水演进规律发生改变。因此，研究新时期赣江中下游洪水要素趋势变化与突变分析是迫切的必要的。

已有学者对于不同流域的洪水要素趋势进行分析[1-7]。目前，针对赣江流域相关的趋势和突变分析主要集中在降雨、年径流量、水沙关系等方面[8-12]。但对于洪水要素趋势与突变分析研究较少，因此本文选择吉安、峡江为中游代表站点，樟树、外洲为下游代表站点，根据赣江中下游流域的洪水要素资料，分别应用线性回归分析法、Mann-Kendall趋势检验法、pettitt突变点检验法对赣江中下游的年最大洪峰流量、年最高水位及年最大1、3、7 d洪量进行了趋势与突变分析研究，以期为赣江流域防洪减灾及洪水调度提供技术参考。

1 研究区域与数据

1.1 区域概况

赣江是长江流域鄱阳湖水系的第一大河流，位于长江中下游南岸，地理位置为东经113°30′～116°40′，北纬24°29′～29°11′之间(见图1)。

图1 赣江流域地理位置

赣江自河源至吴城全长823 km，流域面积82 809 km2。赣江流域地处低纬度，属亚热带季风湿润气候区，气候温和，日照充足，热量丰富，雨量充沛，夏冬季长，春秋季短，春寒夏热，秋干冬阴，无霜期长。流域气候受季风影响，主要的降水时期为每年的4月～9月。暴雨类型既有锋面雨，又有台风雨。洪水由暴雨形成，因此本流域4月～6月洪水由锋面雨形成，往往峰高量大；7月～9月洪水一般由台风雨形成，洪水过程一般较尖瘦。一次洪水过程一般为7～10 d；长的可达15 d。峰型与降水历时、强度有关，多数呈单峰肥胖型。

1.2 研究数据

本文选取吉安、峡江、樟树、外洲水文站为赣江中下游的四个代表站，基于上述代表站1957年～2017年逐年洪水水文要素摘录资料，分别统计各代表站瞬时年最大洪峰、年最高水位，表1和表2分别为各站年最大洪峰流量和年最高水位统计特征值。采用线性插值方法计算得出Δt=6 h的流量过程，从中计算统计出年最大1 d洪量、年最大3 d洪量、年最大7 d洪量，并将计算统计的数据用于后续的趋势与突变分析。

表1 各站年最大洪峰流量统计特征值 m3/s

表2 各站年最高水位统计特征值 m

2 研究方法

本文采用线性回归分析法与Mann-Kendall趋势检验法进行趋势分析。通过pettitt突变点检验法进行突变分析。

2.1 线性回归分析法

线性回归分析法将分析对象Y设为因变量，时间t设为自变量，建立一元回归模型

Y=at+b

(1)

式中，a为线性趋势系数，可由最小二乘法计算；b为线性趋势直线的截距。如果a>0，则表示该序列存在线性增加趋势，a<0，则存在线性下降趋势。

2.2 Mann-Kendall趋势检验法

Mann-Kendall(M-K)非参数检验法常用于分析降水、径流、气温等要素时间序列的趋势变化，其优点在于样本不需要遵循某一特定的分布，且受少数异常值干扰较少，计算简便。

假设有n个样本量(X1，…，Xn)的时间序列，对于所有k，j≤n，且k≠j，Xk和Xj的分布是不同的，计算检验统计量

(2)

(3)

var(S)=[n(n-1)/(2n+5)]/18

(4)

S服从均值为0；方差为var(S)的正态分布。当n>10时，标准的正态统计变量

(5)

当统计值Z>0时，时间序列存在增加趋势；Z<0时，则存在减少趋势。|Z|>1.28、|Z|>1.96和|Z|>2.32，分别表示通过了置信度90%、95%和99%的显著性检验。

2.3 pettitt突变点检验法

Ut，n=Ut-1，n+Vt，n，t=2，…，n

(6)

于是得到可能突变点位置t对应的统计量

(7)

突变点的显著性水平为

(8)

原假设为实测样本序列无突变，当pt>α时，则接受原假设，认为序列在位置t处不存在显著的突变点；当pt<α时，则拒绝原假设，认为序列在位置t处存在显著的突变点。

3 结果与讨论

3.1 趋势分析结果

对于吉安站、峡江站、樟树站和外洲站应用线性回归法可知结果见表3，图2给出了各个代表站点年最大洪峰流量变化过程。从图2中可以看出，吉安、峡江、樟树、外洲站的年最大洪峰流量、年最大1 d洪量、年最大3 d洪量、年最大7 d洪量均呈现随机性变化，这些数据均未通过置信水平为90%的显著性检验。

表3 各代表站各要素线性回归分析结果

注：表中*和**分别表示通过了置信水平为95%和99%的显著性检验。

各个代表站点在1957年～2017年中年最高水位的变化情况见图3。 从图3中可以得出，吉安站和峡江站均未通过置信水平为95%的显著性检验；但樟树站和外洲站呈现为显著的下降趋势，且分别通过了置信水平为95%和99%的显著性检验。

为了更加准确科学地了解赣江中下游各个站点洪水要素的变化，应用Mann-Kendall趋势检验法对各站点进行了分析(见表4)。

表4 各代表站各要素M-K分析成果

注：表中*和**分别表示通过了置信水平为95%和99%的显著性检验。

从表4中可以发现，赣江中下游各个站点的年最大洪峰流量、年最大1 d洪量、年最大3 d洪量、年最大7 d洪量均未通过置信水平为95%的显著性检验，这与线性回归分析法得出的结果相同，可以认为赣江中下游的年最大洪峰流量、年最大1 d洪量、年最大3 d洪量和年最大7 d洪量均呈现随机性变化，各要素趋势变化不显著。吉安站和峡江站的年最高水位未通过置信水平为95%的显著性检验，而樟树站和外洲站的年最高水位均通过置信水平为99%的显著性检验。这与线性回归分析法所得出的结论也大致相同。综合两种分析方法表明，赣江中游的年最高水位趋势变化不显著；但赣江下游年最高水位呈现出显著性下降趋势。

图2 各代表站点年最大洪峰流量序列及线性趋势

图3 各代表站点年最高水位序列及线性趋势

3.2 突变分析结果

为了探究赣江中下游各洪水要素的突变程度，对各个要素进行了pettitt突变检验，其结果见表5。

表5 各代表站洪水要素pettitt突变检验结果

注：表中*和**分别表示通过了置信水平为95%和99%的显著性检验。

表5显示，赣江中下游4个代表站点年最大洪峰流量、年最大1 d洪量、年最大3 d洪量、年最大7 d洪量均未通过置信水平为95%的显著性检验。即，4个代表站点的年最大洪峰流量、年最大1、3、7 d洪量序列均未发生显著突变。此外，赣江中游吉安站和峡江站年最高水位也未发生显著突变，而赣江下游樟树站与外洲站年最高水位分别通过了置信水平为95%和99%的显著性检验。统计结果分析表明，2010年～2017年樟树站年最高水位平均值为29.06 m，与1957年～2009年樟树站(31.52 m)相比，降低了2.46 m。2003年～2017年外洲站年最高水位平均值为21.29 m，与1957年～2002年外洲站(23.29 m)相比，降低了2 m。综合分析赣江各水文要素的突变情况，可以得出赣江下游樟树站、外洲站的年最高水位分别在2010年和2003年发生了显著突变，其他水文要素均没有发生显著性的突变。

3.3 水文要素变化原因分析

(1)气候变化和人类活动是影响洪水要素的主要因素，经过趋势与突变检验发现年最大洪峰流量和年最大1、3、7 d洪量均未发生显著性变化。目前赣江干流上现有的大型水库就只有万安水库和峡江水利枢纽，峡江水利枢纽于2015年后才正式投入运用，而上游的万安水库因为库区的淹迁和泥沙淤积问题只能按初期运行水位运行，并不能按照原设计水位运行，对下游洪水影响较小[13]。且赣江干流上已建成的石虎塘航电枢纽并不承担下游的防洪任务。因此，气候和人类活动对赣江中下游各代表站点洪水峰、量均未有显著的影响。

(2)对于赣江下游樟树站和外洲站，洪峰、洪量变化不显著，而年最高水位存在显著的下降趋势，则表明赣江下游的水位流量关系发生了变化，图4展示了樟树站与外洲站的水位流量关系，可以看出樟树站和外洲站突变后的数据点基本位于突变前下方，导致同一流量对应的水位下降。有关研究表明，造成这一现象的主要原因是下游河道严重下切，这主要与赣江干流水库蓄水、清水下泄会减少输沙量，水土保持工作的不断完善，采砂等人类活动有关[14-15]。

图4 赣江下游水位流量关系

4 结 论

本文应用线性回归分析法、Mann-Kendall趋势检验法和pettitt突变点检验法分别对赣江中下游的年最大洪峰流量、年最高水位、年最大1 d洪量、年最大3 d洪量和年最大7 d洪量进行了趋势与突变分析。主要研究结论如下：

(1)赣江中下游年最大洪峰流量和年最大1、3、7 d洪量均不存在显著变化趋势；对于年最高水位，赣江中游变化趋势不显著，但赣江下游呈现出显著的下降趋势。

(2)除赣江下游樟树站、外洲站的年最高水位分别在2010年和2003年发生了显著突变外，赣江中下游其他洪水要素均不存在显著性的突变。赣江下游年最高水位下降的主要原因是下游河道严重下切造成的水位流量关系曲线右移，同流量的水位下降。