长江中下游径流情势演变及其归因分析

许斌 邹磊 姚立强 欧阳硕

摘要：长江上中游大型水利工程的修建，对长江中下游的水文情势产生了较大的影响。针对目前径流情势演变研究中，单一变异分析方法存在检验结果不合理、不一致等情况。采用水文变异诊断系统，对宜昌、汉口、大通水文站的实测径流进行变异识别与变异时段划分，得出长江中下游径流情势的演变特征;并采用基于降雨径流关系的归因分析方法，从气候变化和人类活动的角度揭示其主要影响因素。分析结果表明：宜昌站共有9个时段的水文序列发生了不同形式的变异，从变异数量和变异程度而言，均为受影响最大的站点;随着往下游的推移，汉口和大通站受影响的程度逐步减弱。3个站的汛期径流均呈现出下降的态势，枯水期的径流量，除汉口站5月份之外，均呈现出上升的态势，演变规律较为明显。归因分析显示，除宜昌站7月份外，人类活动均是引起3个站点径流序列水文变异的主要原因。

关 键 词：径流情势演变; 归因分析; 水文变异诊断; 长江中下游

中图法分类号： P333.6

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.015

0 引 言

长江流域在2020年出现了多次大范围历时较长的强降雨过程，从而在汛期形成了流域性的大洪水，三峡水库作为控制性水库，也出现了建库以来最大入库洪峰75 000 m3/s。若以大通站最大30 d洪量和汉口站高水位持续时间来计算重现期，则长江流域发生了自新中国成立以来，仅次于1954年和1998年的流域性大洪水[1]。

为了应对洪水威胁，截止2020年底，以三峡水库为核心的41座控制性水库（见图1）、合计101处水工程，实现了长江流域水库群防洪、供水、生态、发电、航运、泥沙等多目标联合调度，初步建立了长江流域综合防洪减灾体系，为充分发挥水库群综合效益提供了有效手段[2-3]。

水库群的联合调度在发挥巨大防洪效益[4]的同时，也显著改变了长江中下游的水文情势，对径流的年际和年内变化均有不同程度的影响。

高慧滨等[5]以葛洲坝、三峡水库为研究对象，对不同蓄水阶段对长江中下游水沙的影响进行了研究，结果发现长江中下游的年輸沙量、水体含沙量总体呈下降趋势，而且年内分配更加均匀，这种输沙变化与径流量的年内分配、与水库的距离均具有相关性，与年径流量变化无关。翁文林等[6]指出长江中下游的含沙量降幅约为26.5%～84.2%。李秀佳[7]通过分析水库群运行后的岸坡稳定性等因素，得到水沙条件变化带来的高滩崩退、边心滩萎缩冲散等现象，对长江中游航道（宜昌至安庆河段）的影响利大于弊，对长江下游航道（长江干线安庆以下河段）影响较小的结论。水库群的运行对下游水环境的影响存在两面性[8-9]，水环境的变化程度与水库群所在流域的径流量、污染负荷、调度运行方式等均有关系。由于水库群阻断了河流的纵向连续性，将河流分割成了不连续的片段，会对河流生态系统，例如鱼类洄游等产生一定的影响[10];水文情势的变化也会对下游鱼类产卵[11]、生境[12-13]等带来一定的影响。

径流变化中气候变化、人类活动的影响程度分析，一直是当前水文领域的热点和难点问题之一。目前归因分析方法可以分为统计学方法和水文模拟方法。基于物理过程的水文模拟法，主要通过构建分布式水文模型，更加准确详细地描述流域内不同因素变化对径流形成过程的影响，常见的包括SWAT模型[14]、LUCC模型[15]等;但其构建过程需要大量的土壤、植被、土地利用和气候数据输入，参数的校准过程也是限制很多水文模型在较大范围应用的重要因素。基于统计的归因分析方法，虽然只能反映统计尺度上的关联性，但输入参数较少，构建过程相对简单，资料充足的情况下精度也能满足分析需要，目前也有一定范围的应用。金勇等[16]通过统计分析认为长江中下游枯季径流的增加，是长江上中游梯级水库调节作用的结果;舒章康等[17]认为长江流域枯季降水呈增加的趋势，是长江枯季径流增加的主要原因。也有学者[18]基于水量平衡原理构建数学物理方程，通过改变模型中反映气候变化、人类活动的参数，进行归因分析。对于统计分析的归因分析方法，时间序列天然期和变化期的划分则会对统计参数的计算以及分析结果产生较大的影响。

长江流域水库群联合调度对长江中下游的输沙、水环境、水生态等的影响，均以径流的变化作为载体，因此，径流情势的变化分析是其他变化分析的核心。径流变化的归因分析中，如何合理地对时间序列进行天然期和变化期的划分，也是影响着统计分析方法、模型分析方法计算结果的重要因素。目前对于径流变化的分析，多以水库调度方案、大型水库运行时间等[19]为节点，通过还原分析，并结合选取的趋势分析、跳跃分析等[20]方法对径流序列的演变情势进行分析。上述分析方法具有一定的可行性和可操作性，但还原分析只能解决流域内人类活动直接引起的水量还原，对由于气候变化和人类活动间接引起的径流量变异考虑不足;同时，单一的趋势分析、跳跃分析方法可能存在检验结果不合理、检验结果不一致等情况。

针对梯级水库影响下长江中下游干流径流情势的演变规律，本文选取长江干流宜昌、汉口、大通水文站为研究站点，采用综合了多种趋势、跳跃分析方法的水文变异诊断系统[21-22]，从整体上识别与检验时间序列变异及其变异程度，并以变异结果为依据，对梯级水库的影响程度和影响范围进行分析，得出长江中下游径流情势的演变特征。鉴于分析站点已有的面雨量、径流资料较为充足，同时考虑到此次归因分析主要评估环境变化对流域径流的整体影响，因此，本文采用基于统计的降雨径流关系法[23]，对研究站点的变异情况进行归因分析，从气候变化和人类活动的角度揭示其主要影响因素。

1 研究资料概况

1.1 水文资料概况

本文主要针对长江中下游干流的径流情势演变进行分析，因此，选取的代表性水文站点为长江干流的宜昌、汉口、大通水文站的径流序列，如表1所列。

1.2 面雨量资料概况

采用国家气象信息中心资料室（中国气象科学数据共享服务网）提供的气象资料，选取长江流域198个气象站1965～2018年的逐日降水数据，采用泰森多边形法计算获取宜昌、汉口、大通水文站断面以上的流域面平均降水量。气象站点分布如图2所示。

2 研究方法

2.1 水文变异诊断系统

水文序列包括确定性成分和随机性成分，而确定性成分则包括周期、趋势和跳跃成分[24]。当水文序列是平稳的时间序列时，该序列与周期、趋势和跳跃成分无关，即整个水文序列在形成的过程中具有相同的物理成因，其统计规律满足一致性，其分布形式和参数保持不变，表现形式为水文序列在均值上下随机波动。当影响水文序列的物理成因发生变化时，例如水利工程的修建，则水文序列的统计规律不再满足一致性要求，分布形式和参数会产生变化。

2010年，谢平提出了用于水文时间序列变异诊断的水文变异诊断系统，该系统主要考虑了趋势和跳跃两种变异形式，由初步诊断、详细诊断和综合诊断3个部分组成。该系统不仅可以从整体上识别与检验时间序列变异及其变异程度（无变异、中变异、强变异、巨变异），而且可以识别非一致性序列发生变异的形式（趋势、跳跃），检验指标全面，权重赋值客观、诊断结果可信。因此，本文采用水文变异诊断系统对时间序列进行变异分析。

2.2 归因分析方法

降雨是形成径流的重要原因，而气候变化和人类活动则会对这一过程造成影响，反映在降雨径流关系图上，即受影响前后的降雨径流关系具有一定的差别。这种差异可反映出气候变化和人类活动对降雨径流关系的影响：同等降雨在变异前后降雨径流关系曲线上所得到的径流深差值，即是人类活动对径流的影响;而同一条降雨径流曲线上，变异前后的降雨所对应径流深的差值，即是气候条件变化对径流的影响。

基于降雨径流关系的归因分析方法，是建立在一定物理意义的基础上的，能够很直观地反映出径流条件的变化;同时，由于降雨、径流资料相对土壤、植被等资料更易于获取，相比于水文模型而言，更易于构建。因此，在水文变异诊断更加合理地划分水文序列天然期和变化期的基础上，本文选择基于降雨径流关系的归因分析方法对径流变化的原因进行分析。

基于變异诊断结果的降雨径流归因分析方法可以概况为以下几个步骤：

（1） 基准期划分。

以年径流序列的诊断结果为依据，对于出现跳跃变异的，将变异点之前的降雨、径流序列划分为基准期。对于出现趋势变异的，则选择诊断结果中最可能的跳跃变异点，将该点之前的序列划分为基准期。

（2） 基于降雨径流关系的归因分析方法[25]。

设环境变化（气候变化和人类活动）前降雨径流之间的关系可以用函数R1=f1（P）表示，并假定变异前的降雨和径流为天然状况下未经任何干扰的情形。环境变化后降雨径流之间的关系可以用函数R2=f2（P）表示，考虑到线性拟合时可能存在交叉，因此，优先选用对数曲线对降雨、径流序列进行拟合，并采用拟合误差程度来评价拟合效果。

变异前、变异后实测降雨资料的均值为P1均和P2均。依据R1=f1（P），由P1均插值得到R1;依据R2=f2（P），由P2均插值得到R2;其差值ΔR=R2 -R1即环境变化前后造成的径流变化总量，是由气候变化（ΔRq）和人类活动（ΔRd）综合作用的结果，因此，ΔR=ΔRq +ΔRd。

然后依据R1=f1（P），由P2均插值得到R2′;依据R2=f2（P），由P1均插值得到R1′，ΔRq=R2′-R1（或ΔRq′ =R2 - R1′）即表示由气候变化而造成的径流变化量，ΔRd=R2- R2′ （或ΔRd′ =R1′- R1）即表示由人类活动造成的径流变化量。

综上可以得出，变异前后气候变化、人类活动对径流变化的贡献率分别为（ΔRq+ΔRq′）/（2ΔR）和（ΔRd+ΔRd′）/（2ΔR）。

3 径流情势演变规律及归因分析

3.1 水文变异诊断结果

3.1.1 径流序列变异诊断结果

利用水文变异诊断系统，选取第一置信度水平α=0.05，第二置信度水平β=0.01的条件，对宜昌、汉口、大通水文站1965～2018年的月均、年均流量资料序列进行变异分析，诊断结果汇总如表2所列。

从表2中可以看出：宜昌站共有9个序列发生了不同程度的变异，分别为1，2，3，5，7，9，10，12月和年均径流序列，变异程度分别为巨变异、巨变异、强变异、中变异、中变异、中变异、强变异、中变异、中变异，除9月份为向下的趋势变异外，其余均为跳跃变异，跳跃的年份集中在2000年以后，1～3月、5月、12月径流序列均为跳跃向上，7，10月和年均径流序列均为跳跃向下。

汉口站共有5个序列发生了不同程度的变异，分别为1，2，3，5，10月的径流序列，变异程度分别为强变异、强变异、中变异、中变异、中变异，除5月份为向下的跳跃变异外，其余均为趋势变异，1～3月均为趋势向上，10月为趋势向下的态势。

大通站共有5个序列发生了不同程度的变异，分别为1，2，3，9，10月的径流序列，变异程度均为中变异，除1月份为向上的趋势变异外，其余均为跳跃变异，跳跃的年份较为分散，2，3月径流序列均为跳跃向上的态势，9，10月径流序列均为跳跃向下。

3.1.2 降水序列变异诊断结果

利用水文变异诊断系统，在相同的置信度水平条件下，对宜昌、汉口、大通水文站控制断面的面雨量资料序列进行变异分析，诊断结果如表3所列。

从表3中可以看出：宜昌、汉口、大通断面以上长江流域的面雨量序列仅有极少数出现了变异的情况，其中宜昌断面以上9月、年均面雨量序列出现了跳跃向下的强变异和中变异，跳跃点为1988年和2000年;大通断面以上长江流域的面雨量序列中，1月和9月分别出现了跳跃向上和跳跃向下的中变异，跳跃点分别为1988年和1989年。

3.2 径流情势演变规律分析

从径流、降水序列的水文变异诊断结果中可以总结出径流的演变情势如下：

（1） 无论从变异出现的数量，还是变异的程度而言，宜昌站均为受影响最大的站点。从时间序列来看，宜昌站变异程度最高的月份出现在1，2，3，10月份，汛期（6～10月）存在变异的径流量均呈现出下降的态势，枯水期出现变异的径流量均呈现出上升的态势，年内分配趋于平均的演变规律较为明显;从变异时间点来看，宜昌站的变异点均集中在2000～2009年。水文变异分析结果与三峡水库投运周期基本一致，符合三峡-葛洲坝梯级枢纽的调度运行规则，变异分析结果具有较好的可信度。

（2） 与宜昌站类似，汉口站和大通站变异程度最高的月份也出现在1，2，3，10月份，汛期、枯期存在变异的径流量也呈现出了下降、上升的演变规律，但从相同月份的变异程度可以看出，随着往下游的推移，由于汉江、鄱阳湖水系等区间水量的汇入，汉口和大通站受影响的程度逐步减弱，分析结论与金勇等[16]学者的研究成果也有较好的一致性。

3.3 径流演变归因分析

径流变异诊断的结果中，宜昌站9月，汉口站1，2，3，10月，大通站1月份均为趋势变异，根据变异诊断结果，其可能的跳跃点分别为1990，1994，1988，1987，1989，1988年。对于降雨、径流序列均出现变异情况，由于时段划分后序列较少，构建的降雨径流关系稳定性较差，因此，本文仅对降雨、径流序列出现单一变异的情况进行归因分析。

采用降雨径流关系归因分析方法，利用对数曲线对变异前后的降水、径流进行拟合。鉴于研究站点控制流域面积较大，因此，设定实测值与模拟值误差在±25%以内时认为拟合较好，并对变异的成因进行分析，结果如表4所列。

（1） 从表4中可以看出：宜昌站变异前后，径流、降水序列的拟合效果较好，合格率均值达到90%以上。按照归因分析计算不同月份的径流变异贡献率，除7月份以外，人类活动的贡献率都在80%以上，说明宜昌站1，2，3，5，10，12月的径流变化，主要是由于人类活动引起的;7月份正值长江流域雨季时间，降雨变化对宜昌站的影响较大，贡献率为55%，是全年唯一一个贡献率超过人类活动的月份。

另一方面，根据2012～2018年长江上中游水库群联合调度方案，长江上游三峡以上水库由10座增加至21座，上游水库群一般情况下枯水期根据调度任务和兴利需求逐步消落水位，6月需逐步消落至防洪限制水位，8月初开始有序逐步蓄水，11月基本完成蓄水。综合宜昌等水文站变异时间分布，其径流变化的人类活动影响因素为：12月至次年3月主要受上游水库群兴利调度因素影响，5月主要受上游水库群汛前消落影响，而10月主要受上游水库群汛末蓄水影响。

综上所述可以看出，宜昌站径流变化的归因分析结果比较合理，具有较好的可靠性。

（2） 汉口站和大通站径流、降水序列的拟合效果也较好，合格率均值分别为80.4%，74.5%。两个站归因分析结果较为类似，即人类活动是出现变异月份径流变化的主要原因。由于区间汇流的影响，其变异月份要少于宜昌站，且主要变异形式表现为趋势变異，表明在三峡水库修建之前，上游人类活动的影响已经具有较为明显的累计效应，对汉口站以下出现变异的月份，造成了较为长期的影响。汉口站和大通站径流序列变异和归因分析的结果，可为大江大河合理开发利用程度分析提供一定的参考。

（3） 总体而言，采用对数曲线对降雨径流关系拟合的合格率均值为83.87%，除宜昌站7月气候变化对径流变化的贡献率为55%之外，其他月份均未超过20%;所有出现变异的月份受环境变化影响的均值为6%，受人类活动影响的均值为94%，说明人类活动是影响长江中下游干流水文情势变化的主要原因。

4 结 论

利用水文变异诊断系统，本文在第一置信度水平α=0.05，第二置信度水平β=0.01的条件下，对宜昌、汉口、大通水文站1965～2018年的水文序列进行变异分析，并对引起变异的原因进行了归因分析，主要结论如下：

（1） 宜昌站共有9个时段的水文序列发生了不同程度的变异，无论从变异出现的数量，还是变异的程度而言，宜昌站均为受影响最大的站点。

（2） 汉口和大通站发生变异的水文序列均为5个，随着往下游的推移，汉口和大通站受影响的程度逐步减弱。

（3） 宜昌站、汉口站和大通站变异程度最高的月份均出现在1，2，3，10月份。同时还可以看出，汛期（6～10月）存在变异的径流量均呈现出下降的态势，枯水期的径流量，除汉口站5月份之外，其他出现变异的径流量均呈现出上升的态势，演变规律较为明显。

（4） 气候变化对径流变化的贡献率，除宜昌站7月份为55%之外，其余月份均未超过20%;所有出现变异的月份受环境变化影响的均值为6%，受人类活动影响的均值为94%，说明人类活动是影响长江中下游干流水文情势变化的主要原因。归因分析的结果与三峡-葛洲坝梯级枢纽“削峰补枯”的调度运行规则、以及相关学者的研究成果具有较好的一致性。

对于人类活动引起变异的情况，具体可以归因到下垫面变化、径流调控等影响，后续可以针对人类活动进行进一步的细分和研究。

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（编辑：谢玲娴）

Evolution and attribution analysis of runoff regime in middle and lower reaches

of Changjiang River

XU Bin1，2，ZOU Lei3，YAO Liqiang1，2，OUYANG Shuo4

（1.Water Resources Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China; 2.Key Laboratory of Water Resources and Eco-Environmental Science of Hubei Province，Wuhan 430010，China; 3.Key Lab of Water Cycle and Related Land Surface Processes，Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China; 4.Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract：

The construction of large-scale water conservancy projects in the upper and middle reaches of the Changjiang River has brought a relatively large impact on the runoff regime in the middle and lower reaches of the Changjiang River.In view of the unreasonable and inconsistent test results in the existing runoff regime research by using single alteration analysis method，the hydrological alteration diagnosis system was used to identify the alteration and divide the alteration period of measured runoff series at Yichang，Hankou and Datong hydrological stations，to conclude the evolution characteristics of the runoff regime in the middle and lower reaches of the Changjiang River.And the attribution analysis method based on rainfall runoff curves was used to study the main influencing factors from the perspective of climate change and human activities.The analysis results showed that there was alteration with different types in 9 time series at Yichang Station，which was the most affected station among all research stations in terms of alteration degree and quantities.From upstream to downstream，the influence degree of Hankou and Datong Stations decreased gradually.The runoff in the flood season of the three stations showed a downward trend，while the runoff in the dry season showed an upward trend except the time series of May at Hankou Station.Attribution analysis showed that human activities were the main cause of hydrological alteration of runoff series in three stations except July at Yichang Station.

Key words：

evolution of runoff regime;attribution analysis;hydrological alteration diagnosis;middle and lower reaches of the Changjiang River