曹娥江流域嵊州站年径流变化特性分析

孔达奇，黄庆良

（绍兴市水文管理中心，浙江 绍兴 312000）

1 研究区域及数据资料

曹娥江是钱塘江重要支流，流域面积6 080 km2，主流长197.2 km，主河道平均坡降3.0%。曹娥江上游流域呈扇形，各主要支流均属山溪性河流，坡陡流急，暴涨暴落。嵊州站是曹娥江中上游控制性水文站，集水面积2 280 km2。

本文收集嵊州站1972 — 2018年47 a实测年径流序列。年径流序列的可靠性和代表性较好，可以满足计算要求[1]。

2 主要技术路线

由于年径流是一种随时间而变化的物理量，经过长期观测、记录所获得依时间顺序而列的大量数据。嵊州站年径流变化特性分析，主要建立在年径流时序综合分析的基础上，主要技术路线为：①大多数水文诊断方法都要求假定序列呈现正态分布，因此首先对径流序列进行正态性分析。②运用R/S法，对年径流序列进行变异性分析。③运用距平理论对年径流序列进行丰枯变化分析。④运用滑动平均法、Mann - Kendall秩次相关分析法和Spearman秩次相关分析法对年径流序列进行趋势性分析，进而得出嵊州站年径流变化特性。

3 研究方法

3.1 径流序列的Kolmogorov-Smirnov正态性检验[2]

大多水文诊断方法都要求假定序列呈现正态分布，因此对径流时间序列的正态特性进行检验显得十分必要。首先对径流序列进行正态分布统计检验，采用的方法有偏度检验、峰度检验和W检验。按照文献3 ～ 5计算偏度统计量S、峰度统计量K和W检验统计量W。

利用偏度检验、峰度检验和W检验对嵊州站径流序列进行正态性检验，计算结果见表1。

表1 嵊州站正态性检验结果表

嵊州站径流序列W检验统计量W= 0.070 15小于临界值W0.05= 0.945 00（本文显著性水平α取0.05，对应的W0.05为0.945 00）。偏度S= 0.664 72大于0且大于其临界值0.559 00（本文显著性水平α取0.05，S(1 -α) = 0.559 00）。峰度K= 3.801 20大于其临界值3.000 00（若总体服从正态分布，则峰度为3.000 00），说明嵊州站年径流序列具有明显的尖峰后尾、右偏现象，为非正态序列。

3.2 R/S法对年径流序列进行变异性分析

本文将R/S分析[6-7]（Rescaled Range Analysis，重新标度极差分析）引入水文系统研究，借助这一方法，分析水量变化趋势，并进行水文径流序列变异诊断。计算方法如下：

对给定的样本序列（等时距）x1，x2，…，xn，调整极差R定义为：

经计算嵊州站年径流的赫斯特系数是h= 0.735 24，由于h＞1/2，所以径流量时间序列作为分布式布朗运动的轨迹表现出长持久性并且是中度变异序列，用平均的观点看，表明来水量过去的一个增长趋势意味着将来的一个增长趋势，过去的一个减少趋势意味着将来的一个减少趋势，同时也暗示径流量统计数据表现出一定的非高斯性（非随机性）。

3.3 距平理论分析年径流量的丰枯变化

径流序列具有明显的多时间尺度特征，而不同时间尺度蕴含着不同的丰枯变化特性与水资源演变规律性，分析年径流序列的丰枯变化特性，对区域水资源开发利用具有十分重要的意义。

依据径流丰枯等级划分标准，本文利用距平百分率P对径流等级进行划分，其计算公式为P=[(某年年径流量 -多年平均值)/多年平均值]×100%。P＞20%，为丰水；10%＜P≤20%，为偏丰水；-10%＜P≤10%，为平水；-20%＜P≤-10%，为偏枯水；P≤-20%，为枯水。

依照上述划分标准，通过计算距平百分率P得出嵊州站丰枯级别见图1。

图1 嵊州站年径流丰枯级别图

由图1可知，47 a间共出现枯水年份15 a，偏枯年份3 a，平水年份15 a，偏丰年份4 a，丰水年份10 a。丰水时段和枯水时段历时都在1 ～ 3 a。由丰枯变化情况可以看出流域易发生枯水事件。嵊州站各年代丰枯变化情况见表2。

表2 嵊州站各年代丰枯变化情况表

由表2可以看出，20世纪70年代到90年代，曹娥江径流量处于平水期；2001 — 2010年为偏枯期；2011 —2018年为丰水期。

3.4 径流变化趋势特性分析

检验水文序列趋势变化的方法，主要有参数检验法和非参数检验法。由于对水文时间序列的趋势特性进行检验时，非参数检验比参数检验方法在非正态分布的数据趋势分析中更有效，并且非参数检验法对数据的分布类型不敏感，所以非参数检验法在趋势分析中得到广泛的应用[8-9]。本文采用滑动平均法、M - K秩次相关分析法和Spearman秩次相关检验法对嵊州站年径流序列的变化趋势进行分析。

3.4.1 滑动平均法

滑动平均法通过确定时间序列的平滑值来揭示序列的变化趋势，是趋势分析最基本、最直观的方法，发挥着低通滤波器的作用。

图2 嵊州站年径流滑动平均法趋势分析图

本文采用滑动平均法[10]，对嵊州站1972 — 2018年年径流量进行5点（年）滑动平均处理（见图2）。由图2可知，1976 — 1980年年径流具有减少趋势，2000 — 2005年年径流具有减少趋势，2009 — 2014年表现出明显增大趋势。

3.4.2 Mann-Kendall(M-K)秩次相关分析法

M - K法之所以被广泛应用于时间序列变化趋势特性检验，是因为其不仅可以判断序列趋势性，而且定量刻画趋势变化的程度，在时间序列趋势分析上具有独特的优势，很少受异常值干扰，也不受数据分布特征的影响，可以对年径流序列进行趋势性有效分析。

运用Kendall秩次相关检验分析法[10]分析嵊州站年径流序列的变化趋势，给定显著性水位α= 0.05，即u0.05= ±1.96。

经过计算得知统计量U= 1.403 1大于0，但其绝对值小于1.960 0。嵊州站年径流序列有上升趋势但趋势不明显。

3.4.3 Spearman秩次相关分析法

运用Spearman秩次相关检验法[10]对嵊州站年径流序列进行分析。秩相关系数Rs= 0.223 45大于0，表明嵊州站年径流呈上升趋势，但是相关系数Rs的绝对值小于临界值Wp0.05（临界值Wp0.05= 0.294 00），表明该站年径流的上升趋势不显著。

4 结 论

（1）嵊州站年径流序列具有明显的尖峰厚尾，右偏特性，为非正态序列。

（2）嵊州站年径流序列作为分布布朗运动的轨迹表现出长持久性并且是中度变异序列。

（3）47 a间共出现枯水年份15 a，偏枯年份3 a，平水年份15 a，偏丰年份4 a，丰水年份10 a。丰水时段和枯水时段历时都在1 ～ 3 a。由丰枯变化情况可以看出流域易发生枯水事件。

（4）嵊州站年径流序列具有上升趋势，但不显著。

综上所述，嵊州站年径流序列年际分布不均，丰水段和枯水段交替出现，且流域易发生枯水事件。为了实现水资源的高效利用，在台风梅雨季的洪水调度过程中对流域内的大中型水库进行精准预报调度，在保证水库和下游保护对象安全的前提下减少弃水，实现水资源高效利用。