1956～2018年长江上游寸滩站径流演变特征

康亚静,黄婷婷,刘 宇

(1.中国南水北调集团水网水务投资有限公司,北京 100142; 2.黄河水利科学研究院,河南 郑州 450003; 3.西北农林科技大学 水利与建筑学院,陕西 杨凌 712100; 4.中国水利水电科学研究院 水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心,北京 100038)

0 引 言

随着全球气候变化,流域水文循环过程在一定程度上发生改变,给水资源开发利用带来重大挑战[1-3]。同时,人类活动直接影响(如取用水、水资源管理等)或间接影响(如土地利用方式、下垫面变化等)着流域的产汇流机制,进而导致河川径流发生变化[4-5]。在气候变化和人类活动共同作用下,流域水文变化规律研究成为水资源领域的热点课题之一[6-7],特别是在水资源丰富且开发条件优越的长江流域。

径流是流域水文循环过程的重要指标,其变化特征一直受国内外学者密切关注,但受自然因素和人为因素的共同影响,径流形成与演变的过程既有确定性又有模糊性,其中确定性主要表现为突变性和周期性等[8-9]。罗玉等[10]采用滑动t检验、小波分析等方法分析了长江源区径流突变和周期变化特征,结果表明长江源区1961～2016年径流总体呈增加趋势。万智巍等[11]采用累积距平、Mann-Kendall非参数检验法分析了长江入海流量变化的长期趋势,结果表明近150 a来长江入海流量呈减小趋势。魏晓玥等[12]研究了金沙江上游近60 a径流变化特征,结果表明径流呈较弱的下降趋势。

长江是中国第一大河流,也是世界第三大河流,因其水资源丰富且开发条件优越,流域水资源开发已成为带动当地经济发展的重要环节[13]。然而,长江流域因其特殊的地理位置和典型的季风性气候环境导致洪涝频发,这对经济和社会的可持续发展造成了严重影响[14]。此外,在20世纪80年代后,长江流域水利水电工程建设和水土保持工程得到全面发展,致使流域径流变化规律发生重大改变[15-16]。随着水资源开发力度的增大,河流原有生境破碎化等一系列生态环境问题日益出现,水资源开发与生态环境保护之间的矛盾日益突出[17]。因此,针对长江流域径流开展研究,结合长时间序列的径流资料分析径流演变规律,对提升流域水资源利用开发和合理配置,生态环境保护、水旱灾害防治等具有重要意义。

本文基于寸滩水文站(简称“寸滩站”)1956～2018年日径流资料,采用线性回归、累积距平、滑动t检验、Mann-Kendall突变检验、小波分析法等多种方法,对长江上游径流年内年际变化特征、趋势性、突变性和周期性进行研究,旨在为长江上游水资源合理开发利用及生态保护提供科学参考。

1 研究区域概况及数据来源

1.1 研究区域概况

长江发源于青藏高原的唐古拉山脉,自西向东流经青海省、西藏自治区、四川省、云南省、重庆市、湖北省等,最终注入东海,全长为6 387 km,控制面积约1.80×106km2。干流宜昌以上为长江上游,上游干流全长约为4 500 km,流域面积1.00×106km2。寸滩站位于重庆市江北区寸滩三家滩,是长江上游重要的基本水文站(图1)。研究区属于西南热带季风和青藏高寒气候区,气候和水文变化特性具有明显的季节性,径流以降水补给为主,多年平均降水量为250～1 400 mm。另外,降水和径流均集中在4～9月份,分别占全年的80%和70%[18]。

图1 长江上游及水文站点位置Fig.1 Location of hydrological station in upper reaches of the Yangtze River

1.2 数据来源

本研究选取长江上游干流主要控制站寸滩站1956～2018年实测逐日径流资料,该资料来源于长江水利委员会水文局。此外,按照水文相关规定将四季划分为春季(3～5月)、夏季(6～8月)、秋季(9～11月)和冬季(12月至次年2月),以对长江上游径流年内、年际变化特征进行分析。

2 研究方法

2.1 线性回归法

本研究采用线性回归法,利用年份(自变量)和径流(因变量)线性回归的斜率来量化径流的变化趋势,计算公式如下[19]:

(1)

式中:n为年数;xi为第i年的径流,m3/s;L为斜率,m3/(s·a)。

2.2 Mann-Kendall突变检验

Mann-Kendall突变检验(简称“M-K检验”)已广泛应用于水文要素时间序列的趋势变化分析。M-K检验计算公式如下[20]:

(2)

式中:Sk为构造秩序列;k为小于等于n且不等于j的常数;αij为xi>xj(1≤j≤i)的样本累积值,计算公式见式(3)。

(3)

式中:xi和xj分别为第i和j年的径流,m3/s。

基于Sk可计算得到UFk,计算公式如下:

(4)

式中:E(Sk)和V(Sk)分别为均值和方差,计算公式见式(5)。

(5)

将时间序列xi按逆序排列,计算得到统计量UBk,若UF和UB两条曲线存在交点并位于临界线之间,则突变点为交点对应时间。

2.3 累积距平法

累积距平法可用于直观判断水文要素变化趋势,同时可根据累积距平值的最大值或最小值出现位置判断突变点,计算公式如下[21-22]:

(6)

2.4 滑动t检验

滑动t检验通过把水文要素时间序列划分为两个子序列,并依据两个子序列的均值在一定显著性水平下有无显著差异判断样本是否发生突变,计算公式如下[20, 23]:

(7)

(8)

式中:s12和s22分别为样本x1和x2的方差。

2.5 小波分析

小波分析主要通过小波函数来逼近或表示一个信号,在实际应用中为减小或消除时间序列两端的边界效应,需要对时间序列两端数据进行适当的延伸。小波函数具有震荡性且能够迅速衰减到零,即ψ(t)∈L2(R)且满足下式[24-25]:

(9)

式中:ψ(t)为小波函数,本研究基于径流时间序列特征,采用Morlet小波函数,计算公式见式(10)。

(10)

式中:ω为常数;t为时间。

小波系数的方差能够反映不同种尺度的变化强弱及其主周期,计算公式如下:

(11)

式中:Wf(a,b)为变换系数;a和b分别为尺度因子和时间因子。

3 结果分析

3.1 径流变化特征

3.1.1 年内分布特征

近60 a寸滩站各月和四季径流分布特征如图2所示。长江上游径流不均匀系数为0.70,年内分布具有强烈的不均匀性,径流主要集中在7～9月,占全年径流的51.98%,而12月至次年4月的径流仅占15.24%。此外,春季、夏季、秋季和冬季的多年平均径流分别为0.52万m3/s、1.98万m3/s、1.42万m3/s和0.39万m3/s,冬季径流最为集中,夏季径流最为分散。

注:图(a)上方横坐标对应占比,下方横坐标对应流量。图2 径流年内分布特征Fig.2 Characteristics of annual runoff distribution

3.1.2 年际演变特征

基于1956～2018年寸滩站实测流量序列,采用线性回归法对长江上游年均和四季径流变化趋势进行分析(图3)。由图3可知,年均径流为1.08万m3/s,年最大流量和最小流量分别为1.35万m3/s(1968年)和0.79万m3/s(2006年)。年均径流存在明显的年际变化特征,极值比和变差系数分别为1.70和0.11。近60 a,长江上游流量呈不显著(未通过α= 0.1显著性检验)减小趋势,减小速率为10.6 m3/(s·a)。此外,基于R/S分析法计算出年均径流的Hurst指数为0.71(> 0.5),表明年均径流将继续维持原变化趋势,即未来年均径流将呈减小趋势。从不同季节流量变化来看,春季和冬季的流量呈波动增加趋势,增加速率分别为10.3 m3/(s·a)和14.4 m3/(s·a);夏季和秋季的流量呈波动减小趋势,减小速率分别为36.4 m3/(s·a)和30.3 m3/(s·a)。这表明长江上游年均径流变化的主要原因是夏季和秋季流量减小。

图3 年均径流和四季径流变化趋势Fig.3 Annual runoff and seasonal runoff change trend

寸滩站年均径流和四季径流各年代距平的变化特征如图4所示。近60 a,长江上游年均径流仅在20世纪60年代和80年代超过平均值,其余均小于平均值,尤其是2000年后径流明显减少。此外,长江上游径流季节分配规律为:夏季>秋季>春季>冬季,但在2000年前,春季和冬季径流各年代变化相对平稳,夏季和秋季的波动较大,2000年后春季和冬季径流明显增大,夏季和秋季相对减少,主要原因是上游人类活动对径流年内分配造成了影响[26]。

图4 年径流和季径流年代变化特征Fig.4 Characteristics of chronological changes of annual runoff and seasonal runoff

3.2 突变特征分析

利用M-K检验、累积距平和滑动t检验等方法对寸滩站年均径流和四季径流时间序列进行突变分析,如图5所示。M-K检验结果表明,年均径流在1961,1970,2002年通过95%置信度检验;由累积距平法可知发生突变的年份为1968年和2017年;由步长为10的滑动t检验可知在0.01显著水平下发生突变的年份为1968年。综合3种突变检验结果认为长江上游在1968年发生显著突变,突变前多年平均流量为1.15万m3/s,突变后多年平均流量为1.06万m3/s,突变后流量相对减少了7.8%。从不同季节径流突变检验结果来看,长江上游春季流量并未发生显著突变;夏季和冬季流量分别在1968年和1998年发生显著(0.01显著水平)突变;累积距平和滑动t检验结果均表明秋季流量在1990年发生显著(0.05显著水平)减小的突变。这表明年径流的突变主要受夏季流量变化的影响。

3.3 周期特征分析

小波系数实部和方差能够反映水文要素变化的周期特征(图6)。依据小波系数实部图,年均径流在24～32 a时间尺度上周期变化最明显,在11～23 a时间尺度上周期变化次之,在5～10 a时间尺度上周期变化最弱。依据方差图,年均径流演变过程中存在14 a和28 a两个时间尺度的主周期,28 a时间尺度对应最大峰值,为长江上游年均径流演变的第一主周期;14 a时间尺度对应第二峰值,为年径流演变的第二主周期。另外,在5 a和8 a时间尺度上也存在着两个微弱的峰值,可视为波动予以忽略。总的来说,长江上游年均径流变化的周期特征由14 a和28 a两个主周期控制,尤其是第一主周期28 a时间尺度主导着年均径流的丰枯变化。

图6 年径流和季径流周期特征Fig.6 Annual runoff and seasonal runoff cycle characteristics

在季节尺度上,春季流量变化存在6,11 a和21 a三个时间尺度的主周期,并可能存在更大时间尺度上的主周期;夏季流量变化存在5,11 a和27 a三个时间尺度的主周期,并以11 a时间尺度为第一主周期;秋季流量变化存在8 a和29 a两个时间尺度的主周期,并以29 a时间尺度为第一主周期;冬季流量变化存在7 a和21 a两个时间尺度的主周期,并可能存在更大时间尺度上的主周期。总的来看,长江上游年径流在长时间尺度上的第一主周期主要受秋季径流变化的影响,短时间尺度上的第二主周期主要受夏季径流变化的影响。

4 结 论

本研究基于寸滩水文站1956～2018年日径流资料,采用M-K检验、滑动t检验、小波分析等方法,对长江上游径流的年内年际变化、突变性和周期性进行分析,结果表明:

(1) 长江上游径流季节分配符合夏季>秋季>春季>冬季的特点,且在2000年后人类活动对径流的年内分配造成了明显的影响。

(2) 近60 a,受夏季和秋季径流减小的影响,年径流以10.6 m3/(s·a)的速率减小,且未来将继续呈减小趋势。

(3) 年均径流在1968年发生显著减小的突变,突变后减小7.8%,且突变主要受夏季径流变化的影响。

(4) 年均径流的丰枯变化由28 a时间尺度的第一主周期所主导,同时受14 a时间尺度的第二主周期影响。此外,年径流的第一主周期主要受秋季径流的影响,第二主周期主要受夏季径流的影响。