1937—2018年岷江上游径流演变特征分析

梁淑琪 王文圣 黄伟军

摘要：岷江上游径流演变特征分析可为成都平原水资源开发利用与管理提供科學依据。基于紫坪铺站1937—2018年月径流资料，运用Mann-Kendall趋势分析法、Spearman法、R／S分析法、有序聚类法和小波分析等方法分析了岷江上游径流的年内年际变化特征、丰枯特性、趋势性、突变性以及周期性。研究结果表明：①岷江上游径流年内分配由远及近呈均匀向不均匀再向均匀转变的特征，1980s径流年内分配不均匀程度最高，2010s径流年内分配不均匀程度最低。②径流在1990s年际变化最大，在1960s年际变化最小，各年代年径流分布的偏态性不一。③径流正逐渐由偏丰、丰向偏枯、枯转变。④年径流在1937—2018年期间呈显著下降趋势，变化幅度约为-0.96m3s-1／a，在未来一段时间内年径流仍可能呈下降趋势;年径流在1968年发生突变;年径流表现为多时间尺度变化，存在6年和13年的主周期。

关键词：岷江上游;径流;趋势;突变;周期

中图分类号：TV12

DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2020-05-009

The characteristics of runoff variation in the upstreamof Minjiang River from 1937 to 2018

LIANG Shuqi1， WANG Wensheng1， HUANG Weijun2

（1.School of Water Resource and Hydropower， Sichuan University， Chengdu 610065， China;

2.School of Architecture and Civil Engineering， Chengdu University， Chengdu 610106， China）

Abstract： The analysis of runoff variation characteristics in the upstream of Minjiang River can provide scientific basis for the utilization and management of water resources in Chengdu Plain. Based on the runoff time series from 1937 to 2018 at Zipingpu hydrological station， the present study analyzes the intra-annual distribution， inter-annual fluctuations， variation of high-water period and dry period， the trend， the abrupt change and periods of runoff in the study area. The results show that  ①Distribution of intra-annual runoff is characterized by a change from uniform to non-uniform and then to uniform. The highest degree of non-uniform distribution occurred in 1980s， and the lowest degree of non-uniform distribution occurred in 2010s；②The inter-annual variation of runoff in upstream of Minjiang River fluctuated the most in 1990s， and the least in 1960s. The skewness of annual runoff distribution is different in different periods; ③The annual runoff is changing from abundant water periods to dry periods; ④The annual runoff indicated a significant downward trend with a rate of-0.96m3s-1／a in the past 82 years and could keep downward trend in the future. The abrupt change point of annual runoff occurred in the year of 1968， with the periodic characteristics of 6-year and 13-year scales.

Key words： the upstream of Minjiang River; runoff; trend; abrupt change; periods

在全球气候变暖的背景下，中国大部分流域降水时空分布不均匀程度加剧，加之下垫面和人类活动等因素影响，地表径流的时空演变特征发生了变化［1-3］。许多学者对径流演变特征展开了大量研究。严栋飞等［4］分析汉江上游武侯站、洋县站、汉中站和石泉站的径流数据，指出汉江上游径流自20世纪50年代以来呈减少趋势，且各水文站突变年份均为1990年。李二辉等［5］研究表明黄河上游及中游的年径流自1985年以来呈显著减少趋势，中游径流的降幅高于上游。曹建廷［6］对长江源区直门达站1956—2000年径流数据进行分析并发现长江源区年径流呈微弱的减少趋势。罗玉等［7］利用沱沱河站和直达门站1961—2016年的径流资料研究了长江源区径流变化规律，发现该流域年径流总体呈增加趋势，沱沱河站径流的集中度、相对变化幅度、年内分配不均匀系数均高于直门达站。王文圣等［8］对长江上游主要河流年径流序列变化特性进行分析，发现嘉陵江、岷江、沱江和涪江的年径流有下降趋势，金沙江的年径流无明显趋势变化，主要河流年径流存在着长度不等的周期成分，且大部分研究站点在空间上具有丰枯同步变化特点。不同流域的径流变化特征存在区域性差异，科学合理地分析河川径流的演变特性，是实现流域水资源管理、调度及可持续开发利用的重要基础工作［9-10］。

岷江上游不仅是长江流域重要的生态屏障，而且是成都平原的重要水源地，其径流的变化必然会给区域水资源配置、人类生产生活带来一系列影响。本文基于岷江上游出口控制站-紫坪铺站1937—2018年月径流资料，对岷江上游径流的年内年际变化特征、丰枯特性、趋势性、突变性和周期性进行系统地研究，以提高对岷江上游径流变化规律的认识水平，为成都平原水资源开发利用与管理提供科学依据。

1 研究区域概况和数据

岷江上游是指岷江在都江堰以上的河段，位于青藏高原与四川盆地之间的高山峡谷区，地势西北高东南低，主要流经四川省松潘县、黑水县、茂县、理县、汶川县，河长为341km，流域面积约23 000km2，落差为3 009m，地理坐标介于北纬30°80′～33°20′和东经102°45′～103°96′之间。受高空西风环流、季风及青藏高原的影响，岷江上游是气候变化的敏感区，降水分布不均匀，干湿季节明显，年温差小。研究流域径流的补给来源以降雨为主，占年径流的50％～60％;地下水次之，占 30％～40％;季节性融雪主要集中在春末夏初，补给量占 5％～10％。

紫坪铺站位于岷江干流，是岷江上游的出口控制站。本文收集了紫坪铺站1937—2018年月径流资料并作为变化特征分析的依据，同时将研究时段划分为8个年代，即1940s（1940—1949），1950s（1950—1959），1960s（1960—1969），1970s（1970—1979），1980s（1980—1989），1990s（1990—1999），2000s（2000—2009），2010s（2010—2018）。

3 结果与讨论

3.1 径流年内变化特征

岷江上游降水年内分配不均匀［19］，其径流在不同月份的分配比例也存在差别。表2列出了不同时段岷江上游径流年内分配统计情况，并绘制出月径流变化曲线（图1）。

岷江上游不同年代径流年内径流分配状况各不相同，年内月径流最大值主要集中在6月和7月。1940s，1950s，1960s，1970s和1980s月径流变化曲线呈 “双峰型”，峰值主要出现在7月和9月。1990s ，2000s和2010s月径流变化曲线呈“单峰型”，峰值主要出现在6月或7月。从1937—2018年多年平均月径流的变化趋势来看，1～2月略微减少，2～7月显著增加，7～8月略微减少，8～9月略微增加，9～12月急剧减少。汛期径流（5～10月）占全年径流的78％左右，年径流与汛期径流的年际变化一致，说明年径流的总体走势取决于汛期径流的变化。

岷江上游各时段径流的年内分配指标计算结果见表3。不均匀系数Cvy、分配完全调节系数Cr的变化规律基本相似。Cvy和Cr均呈现先增大后减小的趋势，在1980s取得最大值，在2010s取得最小值。Cm和Cm-max的最大值均出现在1980s，Cm-min的最小值出现在1980s和1990s。随着时间推移，岷江上游径流年内分配呈均匀向不均匀再向均匀转变特征，1980s径流年内分配不均匀程度最高，2010s径流年内分配的不均匀程度最低。

3.2 径流年际变化特征

表4给出了岷江上游径流年际变化指标的计算结果。在1937—2018年，径流的多年平均值为448 m3／s，最大值为615 m3／s出现在1937年，最小值为311 m3／s出现在2002年;1940—1969年径流高于多年平均值，1970—2009年径流低于多年平均值;2010s径流有所回升略高于多年平均值，可以初步判断岷江上游径流呈现减少趋势。1937—2018年的Cv值为0.12;各年代Cv最大值为0.12出现在1990s，Cv最小值为0.07出现在1960s。Cs值有大有小，表明年径流分布的偏态性不一。1937—2018年极值比的取值为1.98，各年代极值比的变化范围为1.25～1.50。综上所述，径流在1990s年际变化最大，在1960s年际变化最小，各时段年径流分布的偏态性不一。

3.3 径流丰枯变化特征

由距平百分率划分标准得到岷江上游年徑流的丰枯级别，如图2所示。在1937—2018年期间，径流出现的枯水年数为3，占3.7％;偏枯年数为10，占12.2％;平水年数为52，占63.4％;偏丰年数为12，占14.6％;丰水年数为5，占6.1％。岷江上游径流偏丰、丰水年主要出现在20世纪80年代之前，偏枯、枯水年主要出现在20世纪80年代之后。年际变化中，偏丰、丰水、偏枯和枯水历时较短，通常只有1～2年，而平水历时较长，最长达15年。综上所述，岷江上游年径流逐渐由偏丰、丰向偏枯、枯转变。

3.4 径流趋势分析

图3绘制了岷江上游年径流变化曲线、5年滑动平均曲线以及线性趋势线。由5年滑动平均曲线中可以看出，岷江上游径流可大致分为5个上升期，持续时间为7～13年;5个下降期，持续时间为4～9年;1个平稳期，持续时间为11年，呈现周期性波动并逐渐下降的趋势。表5列出了流域年径流趋势分析结果，3种方法均表明在1937—2018年岷江上游年径流呈现显著下降趋势［20］，变化幅度约为-0.96m3s-1／a。R／S法计算结果如图4所示，可知Hurst指数为0.64，表明岷江上游年径流在未来一段时间内可能依然呈下降趋势。

3.5 径流突变分析

累积距平法计算结果如图5所示，有序聚类法计算结果如图6所示，两种方法均表明岷江上游年径流在1968年发生突变。以1968年作为突变年份，运用秩和检验法判断突变点的显著性，计算结果为4.31，其绝对值均大于临界值1.96，表明该突变年份通过显著性检验。引起岷江上游径流突变发生的因素可能是气候变化、森林植被变化和水电开发活动所致。

3.6 径流周期分析

通过小波分析计算得到岷江上游年径流序列的小波变换系数实部时频分布变化（图7）。图7的上半部分为低频，等值线相对稀疏，对应较长时间尺度周期的震荡;下半部分为低频，等值线相对密集，对应较短时间尺度周期的震荡。可以看出，周期从大到小呈现嵌套结构，呈现多时间尺度变化特征，不同时段时间尺度的强弱分布略有所不同。图8给出了小波方差变化图，可以看出，岷江上游年径流变化存在6年和13年的主周期。

4 结 论

选用Mann-Kendall趋势分析法、Spearman法、R／S分析法、有序聚类法和小波分析等方法对岷江上游1397—2018年径流演变特征行分析，主要结论如下：

1） 随着时间推移，岷江上游径流年内分配由远及近呈均匀向不均匀再向均匀转变特征，1980s年内分配不均匀程度最高，2010s年内分配的不均匀程度最低。

2） 岷江上游径流在1990s年际变化最大，在1960s年际变化最小，各年代年径流分布的偏态性不一。

3） 岷江上游径流偏丰、丰水、偏枯和枯水历时较短，通常只有1～2年，而平水历时较长，最长达15年，正在由偏丰、丰向偏枯、枯转变。

4） 岷江上游年径流呈显著下降趋势，变化幅度约为-0.96m3s-1／a，在未来一段时间内仍可能呈下降趋势;年径流在1968年发生突变;年径流表现为多时间尺度变化，存在6年和13年的主周期。

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（编 辑 张 欢）