王园欣
(信阳市水利勘测设计院,河南 信阳 464000)
淮河流域位于我国中部,是我国洪涝灾害的高发区之一,随着淮河流域环境的变化,流域内极端水文事件出现的频率增加,洪涝灾害发生的风险增加,同时流域内径流特性也在不断地改变,对区域水资源开发利用造成了不利的影响,影响河流生态系统,不利于经济社会的发展。在过去的50 多年间,淮河流域多数雨量站年最大日降水量有不明显的增加趋势,虽然径流量的变化与降雨量的时空分布有紧密联系,但是受闸、坝等水利工程调蓄的影响,流域内河道流量与降水之间的线性关系拟合不是很理想[1]。针对淮河流域的水文特征,分析径流演变规律、变化特征及其影响因素,是合理利用区域水资源的基础。
淮河流域闸、坝等水利设施众多,改变了河道径流特征,对河流生态及环境影响较大,同时淮河流域是我国人口密度最大的区域之一,流域内的水环境及安全问题突出[2]。该文以王家坝、鲁台子、蚌埠作为典型站,从径流的变化趋势、突变特性及周期特征等几个方面,对淮河干流的径流特征进行分析,从气候变化、人类活动等方面对产汇流变化的机理及影响进行探讨,为流域闸坝调度、水资源综合利用等提供参考。
淮河水系流域面积约为19 万km2,干流流经河南、湖北、安徽、江苏四省,以洪河口、三河闸作为上游-中游、中游-下游的分界点,在江苏三江营汇长江入海[3]。流域多年平均降水量约为920 mm,降水时空分布不均匀,大致是由南向北递减,南部大别山区降水量超过1400 mm,北部降水量低于700 mm;最大年降水量与最小年降水量相差3~4 倍,汛期(6-9 月)汛期降水量占全年降水量的50%~80%。根据《淮河片水资源公报》(2018 年),淮河流域多年平均地表水资源量为594.9 亿m3,地下水资源量为338.1 亿m3,水资源总量为887.0 亿m3。2018 年,总用水量为549.1 亿m3,其中地表水源供水为411.3 亿m3,占总供水量的74.9%,地表水资源开发程度较高;2018 年淮河流域全年期评价河长20991.8km,水质低于Ⅴ类水质(含Ⅴ类)河道长度为956.3km,占比27.9%,水污染问题依然严峻。
该文选取王家坝、鲁台子和蚌埠作为淮河干流不同区域的典型代表站,分析径流的变化趋势。所选典型站点在淮河干流上的位置、重要性等方面有各自的特点,其中,王家坝站位于淮河上中游结合部,控制流域面积为3.1 万km2,水位流量受王家坝蓄滞洪区消峰影响较大;鲁台子站位于淮河干流中游,控制流域面积为8.9 万km2,水位流量受临淮岗洪水控制工程、淮河中游行蓄洪区的影响较大;蚌埠站位于淮河干流中下游、洪泽湖上游,控制流域面积12.1 万km2,所处河段水流平缓,受上游闸坝影响较大,河流的自净能力较弱,生态系统脆弱,是开展水质水量联合调度的重点区域。
该文采用Mann-kendall 秩次相关检验方法[4](以下简称M-K 方法)来分析径流随时间序列的变化特征,该方法不需要样本遵循一定的分布规律,也不受少数异常值的干扰,是一种简便有效的非参数统计检验方法,在趋势分析中应用较为广泛。方法如下:在对时间序列进行M-K 检验时,定义统计量τ,样本方差στ2以及标准化的统计检验量Zc,如公式(1)~公式(3)所示。
式中:P为序列中所有对偶观测值(Xi,Xj,i<j)中Xi<Xj出现的次数;n为序列样本长度。给定置信水平α,如果|ZC|≥Z(1-α/2),就拒绝零假设,时间序列存在明显上升或下降的趋势。当ZC>0 时为上升趋势,反之为下降趋势。该研究中采用置信度α=0.05,对应的临界值Z(1-α/2)为1.96。
M-K 方法也可对序列进行突变检验,大致分析序列发生突变的位置。假定时间序列随机独立,定下统计量:
式中:ri为第i个样本Xi大于Xj(2≤ j≤ i)的累计数。对dk标准化后得到UFk,给定显著水平α,当|UFk|>U(1-α/2)时,表示存在一个上升或下降趋势。将该方法引用到反序列中,得到UFk'(k'=n+1-k),并使UBk=-UFk',如果UFk曲线与UBk曲线在置信线之间存在交点,那么交点对应的时刻即为突变发生的时刻。
为了解淮河干流径流量变化的整体特征,统计分析站点的径流变化规律,如图1 所示。1960—1966 年、1984—1986年和2001—2007 年3 个阶段的径流量年际变化比较剧烈,年径流量偏大,处于波动的偏高年;1967—1984 年、1987—2000年的年径流量则处在较平稳的波动期,年径流量相对偏小。同时,各站点径流量的大小变化同流域位置分布基本一致,呈上游至下游增长的趋势。
图1 1956—2008 年典型站年径流变化过程
根据站点径流年代际分配情况,1971—1980年和1991—2000 年的平均径流量相对较小,整体上同样存在上下游之间的增长变化规律,见表1。
表1 典型站径流年代际平均径流量分配统计(单位:108m3)
典型站各月平均径流量占年径流量的比例见表2,5—9月各站径流量占全年径流量的比例较大,上下游站点之间的分配比例基本相同,均占到年径流量的70%以上,与降水量年内分布规律基本一致。
表2 典型站径流年内分配统计(单位:%)
采用M-K 方法对各站径流时间序列进行趋势检验分析,计算结果见表3。结果显示,站点年径流量序列的M-K检验值Zc分别为0.68,-0.27 和-0.13,|Zc|<1.96,均未通过95%的显著性检验,表明典型站点1956—2008 年的径流量变化趋势并不明显。其中,王家坝站的检验值为正,表明径流量呈不明显上升趋势,鲁台子和蚌埠站的统计值为负,表明年径流量呈不明显下降趋势。蚌埠站1 月径流量具有显著上升趋势,4 月和5 月径流量具有较明显下降趋势,8 月和9 月具有较明显上升趋势;鲁台子站径流量在4—6 月、10—12 月均呈现下降趋势;蚌埠站在4—6 月、10 月—次年1 月径流量均呈现下降的趋势。
表3 典型测站径流序列M-K 统计表(Zc)
从典型站的径流整体变化特征来看,年径流量具有十分明显的波动,其M-K 突变检测曲线如图2 所示。各站点的M-K 曲线基本处于临界线之间,王家坝站UFk曲线多在0 以上,表明径流量整体上呈增加趋势,鲁台子站、蚌埠站的UFk曲线多为负值,表明两站径流呈减少的趋势。UFk曲线与UBk曲线在2条信度线之间存在多个交点,但UFk没有超过信度线,所以没有突变点。因此,典型站径流量出现阶段性增加或减少趋势,虽然出现多处变化转折点,但是并非突变现象。
图2 典型站年径流序列M-K 曲线
根据典型站的年径流变化图,其径流量变化存在一定的周期性规律。该文采用傅里叶变换方法对径流量数据进行功率谱分析,确定径流变化的周期性特征。以傅里叶变换为基础的功率谱分析,可将时间序列的总能量分解到不同频率的分量,然后用不同频率的波动方差贡献得出序列的周期[5]。通过功率谱分析得出径流时间序列的频谱图王家坝站径流主要存在6 年、4 年的周期和2.5 年的显著周期,鲁台子站存在20年、6 年、4 年的周期和2.5 年的显著周期,蚌埠站的径流量变化周期和鲁台子站基本相同,如图3 所示。
图3 典型站径流时间序列的频谱图
淮河流域现有各类拦河闸5000 余座,河流开发程度较高,河流天然径流量发生大幅改变,特别是淮河干流的闸坝工程,对沿线水文站径流量的年内变化影响较大。调查发现,淮河各级支流水文形势受人类活动影响日益加剧,闸坝下游流量长期得不到保障,甚至出现断流的现象。以蚌埠闸为例,该闸建于1959 年,建闸前后水文情势变化明显,建闸后枯水季节的平均流量明显大于建闸前,原因在于建闸后枯水季节人为调控能力增强。闸坝对河流的影响,除了对水量分配存在影响,对河流水质的变化也有较大影响[6]。
河川径流变化是区域气候和自然地理条件等要素变化的综合反映,与降水、蒸发等气象要素关系密切。气候的变化直观地反应在降水量的变化上,进而导致河川径流量改变。相关研究成果显示,20 世纪80 年代以来,淮河流域年降水量呈现略微下降的趋势,但是下降程度并不明显[7],但多数雨量站的年最大日降水量呈现出增加的趋势,只有少部分站点有减少的趋势,虽然增加和减少的趋势均不显著[8],但是也可看出洪涝或干旱发生的概率增加。这和该文研究的径流量的整体变化趋势是一致的。
该文以淮河流域干流王家坝站、鲁台子站及蚌埠站为典型站,采用M-K 分析方法对年径流量及月径流量的变化趋势进行了研究,分析了淮河流域的径流的变化规律及演变特征。结果表明,淮河干流的年径流量变化趋势不明显,不同站点的径流量年内分配趋势有差别,月径流量的增加和减少同年径流量大小有关,上下游的径流量变化趋势基本相同。淮河流域径流年内分配的变化受到人类活动、气候变化等因素的影响,闸坝工程对区域径流量变化具有很大的调节作用。因此,闸坝工程的科学合理调度,对流域的防洪控污、水资源高效开发利用具有重要意义。