沭河流域季节实测径流变化特性分析

陆建宇，张育德，杜 娟

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

河川径流是一种重要的水资源，径流量的变化将直接影响水资源的开发利用［1］。在气候与人类影响下，近些年来，我国各大流域河川径流特性均已发生了不同程度的改变［2］，这不仅会影响到人类社会的健康发展，还会给区域工农业生产、水资源管理及生态环境等带来诸多不利影响［3］。因此，分析实测径流变化特性具有重要的现实意义。

沭河属淮河流域沂沭泗水系，汛期雨强较大，易发生区域性洪涝灾害［4］。目前，关于沭河径流方面的研究成果已有一些报道。其中，郝敏［5］等研究了沭河径流年际变化规律及年内分配特征，发现年径流量存在减小趋势，径流年内分配渐渐趋于平均；张鲁［6］探讨了沂沭河流域洪水管理措施和洪水资源开发利用方案，拟定了经大官庄水利枢纽向外流域的引水规模与调水方案；陆建宇［7］等采用多种生态径流计算方法，估算了沭河流域生态径流与生态需水，发现多数时段内的河流生态需水都可被满足。此外，尽管还有一些其他方面的研究成果［8，9］，但涉及径流变化特性分析的成果仍然很少。鉴于此，笔者尝试以流域控制站——大官庄站为研究对象，借助多种时间统计及分析方法，着重研究该流域春、夏、秋、冬季实测径流变化特性，以期为合理规划与利用流域水资源提供一定的科学指导。

1 沭河流域概况

沭河流域位于山东省南部及江苏省北部，是山东省临沂市的母亲河［7］。大官庄水文站位于沭河流域上游，是流域主要控制性站点，控制流域面积4 529 km2，干流河长 205.5 km［5］。沭河在大官庄站以下分为2 支，即新沭河、老沭河，其中新沭河上建有节制闸、老沭河上筑有人民胜利堰，所以大官庄站处流量为以上2处闸堰流量之和［7］；大官庄站以上基本是山丘区，流域汛期洪水经常表现出涨落迅速、量大峰高的特征；大官庄站以下为狭长平坦的带状河谷平原。

沭河流域为典型北温带大陆性季风气候，四季特征明显，春季风大干燥，夏季湿热多雨，秋季舒适凉爽，冬季寒冷少雨。该流域常年降水比较丰富，年均降水量806.0 mm，主要分布在6—9 月，占全年的70%以上，7 月是年内最大暴雨易发月份，其月降水量占到全年的30%左右［6］；降水是沭河河川径流的主要来源，降水时空分布和地形起伏变化直接决定了流域水资源的年际、年内的丰枯变化，同时山洪极易暴发在夏、秋两季，这十分不利于流域水资源综合规划、有序开发和高效利用［5］。

2 资料及方法

本次搜集并整理了沭河流域内新沭河节制闸、老沭河人民胜利堰的实测径流数据，汇总得到沭河流域主要控制站大官庄站逐月实测径流系列，研究时段为1958—2016年，总计59 a。

2.1 累积滤波器法

累积滤波器法的关键在于累积均值，该方法能够定性地反映实测径流序列的变化趋势［10］，其原理如下：

式中：Sk为第k年累积均值；xi为第i年值；xˉ为多年均值；k为序列长度，k=1，2，3，…，n。

2.2 Man-Kendall突变检验法

Man-Kendall 法是一种非参数统计检验与分析方法［11］，该方法不需要样本数据服从一定的分布特征，可用于径流序列的定量化趋势分析和突变点检验。在检测径流序列突变点时，需构造ri（i=1，2，···，n），统计量Sn、UFn

的计算公式为：

式中：mi为rj＞ri（2 ≤i≤j）的累积数；n为检验样本系列长度；N为样本系列总长度。

同时，逆序排列ri（i=1，2，···n），按式（3）重复上述步骤，即得UBn'：

在检测突变点时，若UFn和UBn'

在a=0.01置信区间内有交点，则交点对应的时间即为实测径流序列的突变点［12］。

2.3 Morlet小波分析法

Morlet 小波是高斯包络下的单频率复正弦函数［13］，其波形与径流序列变化过程相近，因而常借助Morlet 小波识别径流序列的多时间尺度特征。Mor⁃let小波函数形式如下：

式中：ϕ(t)为子小波；i为虚数；w0为常数，常取6.2。

同时，小波方差图中Var(a)的峰值对应时间尺度b的数值，可确定径流序列的主周期［13］，相应函数形式如下：

式中：Wf(a,b)为小波变换系数；a,b分别为尺度参数，时间参数。

3 计算结果与分析

3.1 季节径流年际过程

沭河流域季节实测径流量年际过程（如图1 所示）及其年代均值过程（见表1）显示：①年际变化上，大官庄站春、夏、秋、冬季实测径流量年际波动较大，多年平均径流量依次为6 718 万、61 922 万、23 291 万和7 883 万m3，对应径流量极值比分别为1 021.4、41.1、95.3 和 51.6。同时，各季径流量分别以445.86万、-8 960.9万、793.58万、1 301.9万m3/10 a的线性速度呈增加、减少、增加、增加变化，其中夏季径流减少、冬季径流变幅较显著。②年代变化上，大官庄站春季各年代实测径流量在波动中总体呈增加态势，由1950 s的4 511万m3增加到2 010 s的9 962万m3；与1960、1970 s相比，夏季1980—2010 s实测径流量年代均值大幅减少，其中1980 s最小，仅为29 472万m3；秋季实测径流量年代变化上为“增-减-增-减”过程，其中1980 s最小仅为10 322万m3，2000 s最大达37 474 万m3，各年代时段径流量极值比为3.63；1960—1980 s，冬季径流年代均值由10 415 万m3一直持续减少到1 910万m3，而在1980 s以后又持续增加，增至2010 s的16 110万m3。整体上，沭河流域各季节年际、年代实测径流量相差较大，现阶段春、冬季实测径流较多年均值偏丰，夏季偏枯，秋季则与多年均值持平，各季径流总体变化不平稳。

表1 沭河流域季节实测径流量年代均值统计 万m3

图1 沭河流域季节实测径流量年际变化过程

3.2 季节径流变化趋势分析

基于沭河大官庄站1958—2016 年逐月实测径流资料，绘制各季实测径流量的累积均值过程线，如图2 所示。由图2 可看出：①春季实测径流量总体表现为增加过程，1958—1964 年急剧增加，1965—1971 年大幅减少，之后在连续波动中维持小幅增加，但增加趋势相对较弱；②夏季实测径流量在1960—1966 年间不断增加，虽然经历了1967—1971 年的短期减少和1972—1975 年的暂时增加，但1975 年以后又保持显著减少变化；③秋季实测径流量总体表现为增加变化，其中1958—1965 年为增加过程、1966—1970 和 1971—1992 年分别为增加和减少变化、1993 年以来总体为增加态势；4 冬季实测径流量总体呈增加趋势，1958—1962 年急剧增加，1963—1968 年大幅减少，之后在小幅突增后持续减少，但2003 年以后转为明显增加态势。总体上，沭河流域季节径流量具有明显的丰枯阶段性变化特征，同时其累积均值过程能较好地体现各季径流量年际变化趋势和阶段性特征。

图2 沭河流域季节实测径流量累积均值过程

为定量分析流域季节实测径流量变化趋势的显著水平，借助Man-Kendall 趋势检验法［14］对各季径流量做趋势检验，并将其检验结果与累积滤波器法分析对比，结果见表2。

表2 沭河流域季节实测径流量变化趋势分析

从表2 可以看出，大官庄站季节径流量年际波动十分显著，Cv值均维持在0.72 以上，同时Man-Kendall 趋势检验法的检验结果与累积滤波器法的分析结果一致。其中，春季径流量的统计量Z值为1.007，表现为不显著增加变化；夏季径流量的Z值为-1.936，存在显著减少变化（90%显著性水平）；秋季径流量的Z值为0.209，呈不显著增加趋势；冬季径流量的Z值为2.001，表现为十分显著的增加态势（95%显著性水平）。

3.3 季节径流Man-Kendall法突变分析

沭河流域季节径流量Man-Kendall 法突变检验结果，如图3所示。由图3可以看出：①在a=0.05临界区间内，大官庄站季节实测径流量的UF、UB存在多个相交点，即径流突变点，部分位于1980年以前，这主要是由在沭河流域内实施“导沭整沂”工程和“蓄泄兼筹”工程期间在流域上游修筑大量水库及其他引水、分洪、调水等水利工程和水土保持工程引起的［15］。②春季径流量突变点位于1959、1961、1963、2004 年，夏季位于1966、1969、1971、2006、2009 年，秋季位于1962、1964、1999、2002 年，冬季位于2003年；沭河上游已建成大型水库4座，其中沂水县沙沟水库总库容1.04 亿m3、1959 年蓄水，莒县青峰岭水库总库容4.101亿m3、1960年蓄水，莒县小仕阳水库总库容1.254亿m3、1958—1959年蓄水，莒南县陡山水库总库容 2.92 亿 m3、1959 年 7 月竣工；结合文献［16］可知，各雨量站的长系列实测年降水中，年最大、年最小降水量多出现在2001—2003年。③1951—1966年，春季径流量的UF＞0，说明该时段径流量有增加趋势，1967—1977年短暂为负值，1972—1980年转为正值，之后持续保持负值，2008 年以后以正值持续至2016 年，说明春季径流量增减变化十分频繁；1960—1966年，夏季的UF＞0，说明该时段径流量呈短暂增加变化，之后一直为负值，持续至2016年，说明夏季径流量又持续减少；1960—1965年，秋、冬季的UF＞0，说明该时段径流量暂时呈增加趋势，之后一直为负值，持续至2007年，说明秋、冬季径流量又持续减少，2007 年以后以正值持续至2016 年，说明秋、冬季径流量近期持续增加。整体上，沭河流域实测径流突变特征受水利工程、降水变化共同影响，各季径流量的UF的正、负变化相对频繁，但仅夏冬季实测径流量的UF长期超出a=0.05的临界区间，说明夏冬季实测径流量波动较大、趋势特征较为显著，这也与前述趋势分析结果是相符的。

图3 沭河流域季节实测径流量Man-Kendall法突变检验

3.4 季节径流Morlet小波周期分析

图4—5 为沭河流域季节实测径流量Morlet 小波实部等值线图和小波方差图。图4中实线表示的小波实部系数为正，说明对应径流量属偏多状态；虚线表示的小波实部系数为负，说明对应径流量属偏少状态；黑色实线加粗部分对应着径流量正发生丰枯转变［11］。由图4—5可以看出：①春季径流量存在4、12、17 a 3个震荡周期，其中最剧烈的时间尺度为12 a，主要分布在1960—2000 年；夏季径流量存在4、12 a 2 个周期特征，其中12 a 为最主要的震荡周期；秋季径流量存在2、5、11 a 3个层次的周期变化，其中11 a 尺度最稳定，且经历了多个“枯—丰—枯”的循环交替过程；冬季径流量存在7、20 a 2 个时间尺度，其中7 a为主周期。②各季径流量具有十分明显的阶段性变化。在各季实测径流主周期上，春季表现为 3 个丰水段即 1960—1964、1972—1978 和2006—2012 年，3 个枯水段即 1965—1971、1979—1985 和 2000—2005 年；夏季丰水段为 1960—1966、1972—1975 年，枯水期体现在1967—1971、1976—1982、2001—2005 年；秋季丰水段为 1962—1965、1971—1975、1993—1997 年，枯水段为1966—1970、1998—2003 年；冬季丰水段为1964—1967、1968—1971、1975—1977、2004—2006、2010—2013 年 ，枯 水 段 为 1958—1963、1972—1974、1977—1980、2000—2003、2007—2009 年。2016 年以后，春季实测径流量较少，夏季径流量相对偏枯，秋季径流量较少，冬季径流量相对偏枯，近期年径流量也将处于偏少状态。

图4 沭河流域季节实测径流量Morlet小波实部等值线

图5 沭河流域季节实测径流量Morlet小波方差

4 小结

基于多种时间序列分析方法，采用大官庄站1958—2016年逐月实测径流资料，分析了沭河流域各季实测径流量变化特性，得出主要结论如下。

（1）沭河流域春、夏、秋和冬季实测径流主周期分别为12、12、11 和7 a，同时各季径流量存在显著阶段性特征。其中，春季径流量在1960—1964、1972—1978、2006—2012 年偏丰，在 1965—1971、1979—1985、2000—2005 年偏枯；夏季径流量在1960—1966、1972—1975 年偏多，在 1967—1971、1976—1982、2001—2005 年偏少；秋季丰水段为1962—1965、1971—1975、1993—1997 年，枯水段为1966—1970、1998—2003 年；冬季径流量在1964—1967、1968—1971、1975—1977、2004—2006、2010—2013 年丰沛，在 1958—1963、1972—1974、1977—1980、2000—2003、2007—2009年相对偏少。

（2）沭河流域春、夏、秋、冬季实测径流量依次以445.86 万、-8 960.9 万、793.58 万、1 301.9 万 m3/10 a的速率呈增加、减少、增加、增加变化；春季实测径流量突变点依次位于1959、1961、1963、2004 年，夏季位于 1966、1969、1971、2006、2009 年，秋季位于1962、1964、1999、2002年，冬季位于2003年；上述研究表明，流域各季实测径流量变化十分复杂，现阶段春、冬季实测径流量较多年均值偏丰，夏季偏枯，秋季与多年均值持平；同时，夏季实测径流量的减少虽然可能会降低流域山洪灾害冲击强度及影响范围，但也将在一定程度上增加流域工农业生产和人们生活的用水压力，致使区域水资源供需矛盾更加尖锐和突出。