西江流域干流径流量演变特征分析

方荣杰，蒋超华，苏丽丽，郭纯青

(1.桂林理工大学环境科学与工程学院,广西 桂林 541004; 2.桂林理工大学广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西 桂林 541004；3.桂林理工大学岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西 桂林 541004)

0 引 言

目前研究发现水资源短缺是影响经济发展的主要原因之一[1]，而对河川径流的演变分析在流域水资源的保护、开发利用及配置等方面具有重要意义[2]。由于受到气候变化及人类强烈干扰活动的影响，水文循环过程已发生了很大的变化[3-5]，成为影响径流减少的两个主要原因[6,7]。开展径流变化特征、趋势和规律等研究，有利于水资源的合理开发与优化配置。

珠江三角洲地区是中国经济最发达地区之一，珠江水沙变化对该地区工农业、航运及生态环境等方面都有着重要的影响，而西江水沙变化对珠江的水沙变化又有直接影响[8]，因此西江流域水沙变化规律的研究越来越受到重视。张强等[9]对珠江流域水沙变化进行了分析，结果发现水库对径流和输沙量都有影响，但对输沙量的影响更为明显。在珠江流域西江干流，汪丽娜等[10]利用Mann-Kendall方法分析了高要站年径流变化，结果显示西江流域多年径流没有明显的变化趋势。陈立华等[11]以天峨、迁江、梧州三站60多年实测径流资料析西江干流径流年际变化趋势及年内分配规律，发现西江流域径流年内分配不均，主要集中在4-9月，并呈现出下降的趋势。

总体而言，前人对西江流域水量变化的研究多集中在广西境内干支流，且多利用单个干流水文控制站或者干流的中下游水文站的资料，这对研究整个西江流域的径流演变过程具有一定的局限性。因此，本文利用西江流域干流上游红河水的迁江站、中游浔江的大湟江口站以及中下游梧州站和高要站的同步水文资料数据，沿程上全面分析西江干流径流量的变化特征，为西江流域生态治理及水资源利用提供科学依据。

1 研究区概况

西江为珠江主干流，全长2 214 km，集水面积353 120 km2，坡降0.58‰。西江发源于云南省马雄山，自西向东流。西江流域广西至广东段大约位于106°42′E～112°30′E， 22°15′N～26°30′N之间，处于低纬度地区，北回归线附近，属亚热带季风气候区域。流域干流地表水平面高程变化大，地形地貌变化复杂，各地气候变化较为明显。多年平均气温在19.7～21.3 ℃之间，年际变化不大。多年平均降雨量1 537.1 mm，降雨量分布规律呈现出自东向西减少的趋势，地区分布差异性较大，年平均蒸发量为1 000～1 800 mm。

图1 西江流域水系

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文采用西江干流迁江站、大湟江口站、梧州站和高要站1957-2016年逐月径流量数据，数据来源于《中华人民共和国水利部刊发的中国河流泥沙公报》与梧州市水文水资源局。

2.2 研究方法

根据西江流域干流迁江、大湟江口、梧州和高要水文站近60年时间序列的年径流量资料，利用变差系数Cv及径流距平百分率Pi分析径流年际变化特征。线性拟合可直观了解径流的趋势性变化规律，而滑动平均算法简单、计算量小，采用的是递推计算方式，其优点在于既能节省储存单元，也能实时处理非平稳数据[12]，因此利用一元线性法、多年平均及5年滑动平均分析西江干流径流量的年际变化趋势。目前对于长时间序列数据进行趋势判断的常用的方法是Mann-Kendall趋势检验法[13]，因此利用Mann-Kendall趋势检验法，结合5年滑动平均法及一元线性法分析西江流域干流径流量的趋势变化。径流突变特征分析有许多方法，但单一方法往往很难分析出具体的突变时间，因此综合滑动T检验法、累积距平法和有序聚类法对西江流域干流各水文站径流量的突变性进行分析。

3 结果与分析

3.1 径流年际变化特征

年径流量的变差系数Cv是年径流量系列的标准差和多年平均径流量的比值，可以通过变差系数Cv反映出西江流域径流量的年际相对变化程度。表1是迁江站、大湟江口站、梧州站及高要站1957-2016年径流量的年际变化情况表。由表1可知，1957-2016年4个水文站多年平均径流量的变差系数在0.177～0.216之间变化，其径流极值比介于2.628～2.760之间,因此西江流域干流红水河、浔江与西江的主要水文站年径流量年际变化不大。

表1 西江流域干流4个水文站多年平均径流量年际变化

径流距平百分率Pi是某一时段的平均径流量与多年平均径流量值之差，再除以多年平均径流量所得值。根据径流距平百分率Pi可将年径流划分为以下5个丰枯等级：<-20%为枯水年、-20%～-10%为偏枯年、-10%～10%平水年、10%～20%偏丰年、>20%丰水年。由图2分析可知，流域干流各水文站年径流量丰、枯年呈波动性交替变化形状，且4个站的波动规律基本一致，即表明各个站径流变化几乎同步。整体而言，20世纪50年代后期至60年代初期四个站年径流量总体出现平水和枯水年的概率较多，基本上可视为平水和枯水期，60年代后期至80年代后期为平水和丰水期，90年代初为枯水期，90年代后期至21世纪00年代初期为丰水和平水期，21世纪00年代至10年代期间又回到平水和枯水期。由此可概括出西江流域干流迁江站、大湟江口站、梧州站以及高要站丰、枯水年的出现规律可分3个阶段：平枯期─平丰期─枯水期。

图2 西江流域干流4个水文站年径流距平百分率

从单个站点看，迁江站的丰枯变化较为明显。2013年出现径流距平百分率小于或等于-40%的高概率，而其1968年和1979年的径流距平百分比则高于50%，是3个水文站当中出现的最高值，因此迁江站比其他3个站更易发生严重的干旱和洪涝灾害现象。

分析图2可知，迁江站比其他3个站更容易发生极端的干旱和洪涝灾害，这主要与迁江站所处地理位置和流域形状有关。从图1可知，所研究的4个站自东向西依次为高要站、梧州站、大湟江口站及迁江站，因纬度、地形差异及距海洋远近等原因，使得西江流域降雨量呈现东多西少、上游少下游多的现象[14]。此外，红水河流域上游范围较宽，下游呈窄带状，且地形西北比东南高，坡度较陡，因此处于红水河下游的迁江站在暴雨情况下易发生洪水[15]。

3.2 西江流域干流径流序列变化的演变趋势性

西江流域干流迁江站、大湟江口站、梧州站及高要站年径流量序列变化趋势见图3。由图3可知，近60年来迁江站径流量的极值出现于1979年和2013年，与之相对应的流量极大值和极小值为1 043和377.3 万m3，多年径流量平均值为646.6 万m3。分析图3发现：西江流域干流径流量呈波动震荡变化，年际变动不明显，大部分围绕于趋势线上下，较多年份的径流量均高于多年平均值；其中迁江站多年径流量总体上有下降趋势，且年径流量趋势线的斜率是4个水文控制站中最大的站，因此其减少趋势更为明显。

图3 西江流域干流4个水文站年径流量序列变化趋势线

根据趋势线判断，大湟江口站、梧州站和高要站年径流量呈上升或者下降的趋势并不明显，因此结合Mann-Kendall趋势检验法来判断，结果见表2。经计算四站的标准统计量值Z均为负值，因此呈现出下降趋势，但是迁江站|Z|大于|Za/2|=1.96，表明该站的年径流量变化趋势比较显著，而其他三站虽呈下降的变化趋势，但变化并不显著。

从4个水文站的5年滑动平均分析，其基本上都经历5个变化阶段，即下降-上升-下降-上升-下降，有一定的同步性。结合上述的一元趋势线和Mann-Kendall趋势检验法，可知迁江站的年径流量在研究时间系列上的总体变化上呈现较为显著的下降趋势，而大湟江口站、梧州站以及高要站呈现缓慢的下降趋势。

表2 1955-2016西江流域干流年径流变化趋势的mann-kendall检验结果

综合一元线性及Mann-Kendall检验法分析发现，西江干流径流变化呈现下降趋势，该结果与朱颖洁、陈立华等[16,17]分析一致。根据研究发现珠江流域上游降水的下降也会减少下游径流的供给[18]，此外人类强烈的干扰活动也是造成径流减少的原因，但气候变化对径流的绝对影响要比人类活动大[16,19]，因此西江干流径流减少的主要原因为气候变化引起的结果。对于上游迁江站径流比中下游下降趋势更为明显这一现象，其原因在于中下游的流量主要来自柳江[20]，所以迁江站断面径流下降后未能引起大湟江口站、梧州站及高要站径流明显变化。

3.3 西江流域干流径流系列突变性分析

利用滑动T检验法、累积距平法和有序聚类法对西江干流年径流变化突变点进行了分析，分析结果见表3、图4及图5。

图4 有序聚类曲线图

图5 累计距平曲线图

表3 西江流域干流4个水文站年径流量滑动T检验结果

由图4、图5及表3可知，运用3种方法计算其年径流量变化的结果均可得到突变点。图4迁江站中，有序聚类法分析得到2002年为年径流量的显著突变点，而图5中累积距平法计算的结果则是2003年为年径流量的显著突变点，再结合滑动T检验法及迁江站有序聚类法分析(见图4)判断，确定迁江站年径流量变化的显著突变点为2002年，突变前径流量均值为677.83 亿m3，突变后均值543.53 亿m3，突变量为134.3 亿m3。在此，由图5中迁江站年径流量累积距平曲线也可以得到迁江站1957-2016年径流变化的总体趋势，即缓慢下降-平缓上升-下降-加速上升-急剧下降，该结果与5年滑动平均值判断结果一致。而由图4知，1963年大湟江口站年径流量出现最小值，同时在图5大湟江口站中存在2003年和1964年两个极值，而利用滑动T检验时大湟江口站年径流量的统计量值小于置信度α=0.05时的临界值(见表3)，因此大湟江口年径流量变化无显著突变点，其变化趋势缓慢。虽然图4梧州站中有序聚类分析出现最小值的时间为1963年，而图5累积距平曲线出现极小值与极大值的时间分别为1968年和2003年，但这3个时间点经T检验计算其统计量T的绝对值均小于置信度为0.05时的显著水平，因此均不是突变点。同理，高要站的年径流量变化也不存在突变点。

气候变化、水利工程的建设及人类因素的干扰等都可能是造成径流突变的原因。分析发现龙滩水电站建站时间与迁江站径流发生突变的时间基本一致，且迁江站来水量单一，径流一致性较好，因此引起迁江站径流发生突变原因可能与水利工程建设及气候变化有关。此外，分析天峨站、迁江站及梧州站径流集中期发现，天峨站及迁江站径流集中期在7月中下旬至8月上旬，梧州站集中期主要在7月[11]，因此西江中上游来水量对下游流量影响有限，这也与迁江站流量发生突变而下游水文站未发生变化一致。

4 结 论

综上所述，经过对西江干流径流变化分析，得到以下结论：

(1)西江流域干流径流量年际变差系数小，径流量年际变化不大。

(2)西江流域干流丰、枯水年的出现规律可分三个阶段：平枯期-平丰期-枯水期；其中迁江站的丰水年、枯水年发生的概率都较高，易发生洪水与干旱现象。

(3)西江流域干流迁江站的年径流量总体变化呈显著下降趋势，其他三站的年际径流量总体变化也呈下降趋势，但是不显著。年径流量阶段性变化趋势均呈下降-上升-下降-上升-下降的趋势。

(4)在2002年迁江站的年径流量发生显著突变，突变前后的多年径流量均值差达134.3 亿m3。其他3个水文站点并未出现显著突变点。

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