黃 峰,夏自強,王遠坤

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇南京 210098;3.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210093)

自20世紀60年代以來,隨著長江上游流域水資源開發(fā)利用程度的提高以及全球氣候變化,長江上游流域的徑流情勢發(fā)生了一定的變化[1-6],而長江上游流域水庫的建設(shè)運行在一定程度上也影響了長江上游的水文情勢.水庫調(diào)蓄作用的發(fā)揮會使枯水期徑流量有所增加,而汛末蓄水會使10月的徑流量減少.本文采用非參數(shù)統(tǒng)計檢驗Mann-Kendal法(簡稱M-K法)、有序聚類分析法對寸灘、宜昌站枯水期及10月的流量序列分別進行了流量變化趨勢及跳躍點分析.

1 研究數(shù)據(jù)及方法

寸灘、宜昌水文站為長江上游的重要控制站.寸灘站位于重慶寸灘三家灘,集水面積86.7萬km2,控制著岷江、沱江、嘉陵江及赤水河匯入長江后的基本水情.宜昌站位于長江上游與中游的交界處,完整地控制了長江上游100.6萬km2的廣大地區(qū).選取寸灘、宜昌站1950～2002年1～3月及10月的日徑流量資料,分別采用M-K法及有序聚類分析法分析這兩站的水文情勢變化.

1.1 非參數(shù)統(tǒng)計檢驗M-K法[7]基本原理

假設(shè)有一時間序列X1,X2,X3,…,Xn,其趨勢檢驗統(tǒng)計量公式為

式中sign()為符號函數(shù).當(dāng)Xi-Xj小于、等于或大于零時,sign(Xi-Xj)分別為-1,0或1;M-K統(tǒng)計量公式為

Z為正值表示增加趨勢,負值表示減少趨勢.Z的絕對值大于或等于1.28,1.64,2.32時分別表示通過了置信度90%,95%,99%顯著性檢驗.

1.2 有序聚類分析法[8]基本原理

假設(shè)有一時間序列X1,X2,X3,…,Xn,設(shè)可能分割點為τ,則最優(yōu)二分割:

找到分割點τ0以后,采用秩和檢驗法對分割樣本進行顯著性水平檢驗,設(shè)n1為小樣本容量,n2為大樣本容量,w為容量小的樣本各數(shù)值的秩之和,當(dāng)n1,n2＞10時,

U的絕對值大于或等于1.64,1.96,2.58時分別表示通過了置信度90%,95%,99%顯著性檢驗.

2 徑流趨勢分析

1～3月為寸灘站和宜昌站的枯水期,兩站枯水期徑流量分別只占年徑流量的7.20%和7.42%,由1950～2002年各年1～3月3個月的平均流量構(gòu)成枯水期流量序列.采用M-K法分析流量的變化趨勢,寸灘、宜昌站枯水期流量趨勢M-K法檢驗統(tǒng)計值分別為0.64,2.02,兩站枯水期流量均呈上升趨勢,其中宜昌站枯水期流量上升趨勢[7]的顯著性水平超過95%置信度;兩站10月流量趨勢M-K法檢驗統(tǒng)計值分別為-1.8,-1.27,均呈下降趨勢,其中寸灘站10月流量下降趨勢的顯著性水平超過95%置信度.兩站枯水期及10月流量趨勢變化見圖1.

圖1 寸灘、宜昌站流量趨勢Fig.1 Trend of runoffs at Cuntan and Yichang hydrological stations in dry season

3 跳躍點分析

3.1 寸灘站

采用有序聚類分析法對寸灘站枯水期流量序列進行分析,發(fā)現(xiàn)一處跳躍點,發(fā)生在1989年,經(jīng)秩和檢驗法檢驗(U=2.52),其顯著性水平超過95%置信度.跳躍點前,即1950～1988年枯水期多年平均流量為3156 m3/s;跳躍點后枯水期多年平均流量為3397m3/s,上升了241m3/s,即跳躍點后枯水期的多年平均徑流量上升了18.74億m3.寸灘站枯水期流量變化及跳躍點見圖2(a).

對寸灘站10月的流量序列同樣采用有序聚類分析法進行跳躍點分析,發(fā)現(xiàn)1991年為其跳躍點,顯著性水平超過95%置信度(U=2.34).跳躍點前,即1950～1990年10月的多年平均流量為14969m3/s;跳躍點后10月的多年平均流量為12870m3/s,下降了2099m3/s,即跳躍點后10月的多年平均徑流量下降了56.22億m3.寸灘站10月流量變化及跳躍點見圖2(b).

3.2 宜昌站

采用有序聚類分析法對宜昌站枯水期流量序列進行跳躍點分析,發(fā)現(xiàn)一處跳躍點,發(fā)生在1989年,經(jīng)秩和檢驗法檢驗(U=3.2),其顯著性水平超過99%置信度.跳躍點前,即1950～1988年枯水期多年平均流量為4022m3/s;跳躍點后枯水期多年平均流量為4514m3/s,上升了492m3/s,即跳躍點后枯水期的多年平均徑流量上升了38.26億m3.宜昌站枯水期流量變化及跳躍點見圖3(a).

對宜昌站10月的流量序列,同樣采用有序聚類分析法進行跳躍點分析,發(fā)現(xiàn)1991年為其跳躍點,顯著性水平超過95%置信度(U=2.17).跳躍點前,即1950～1990年10月的多年平均流量為18588m3/s;跳躍點后10月的多年平均流量為16192m3/s,下降了2396m3/s,即跳躍點后10月的多年平均徑流量下降了64.17億m3.宜昌站10月流量變化及跳躍點見圖3(b).

圖2 寸灘站流量變化及跳躍點Fig.2 Variation and break points of runoffs at Cuntan hydrological station in dry season

圖3 宜昌站流量變化及跳躍點Fig.3 Variation and break points of runoffs at Yichang hydrological station in dry season

4 徑流變化原因分析

徑流情勢受諸多因素影響,如降水、蒸發(fā)、流域下墊面條件、用水量、水利工程等因素.近50年來,長江上游流域春、冬季的降水呈上升趨勢,秋季的降水呈下降趨勢[9-11].降水的變化會影響水文情勢,使枯水期流量上升,10月流量下降.

20世紀50年代以來,長江流域上游相繼修建了大量水利工程(表1).文獻[12]統(tǒng)計了長江流域上游修建的庫容大于1億m3的水庫的情況,寸灘站上游修建水庫的總調(diào)節(jié)庫容為70.94億m3,宜昌站上游修建水庫的總調(diào)節(jié)庫容為98.89億m3(未計三峽調(diào)節(jié)庫容).若考慮庫容小于1億m3的水庫,長江流域上游水庫的總調(diào)節(jié)庫容將會更大.水庫運行后調(diào)蓄作用的發(fā)揮,勢必會在一定程度上增加枯水期的徑流量;而汛末水庫蓄水,會減少10月的徑流量.以雅礱江二灘水庫為例,其正常運行的2000～2002年,枯水期平均入庫流量為482m3/s,平均出庫流量為755m3/s,平均增大273m3/s,調(diào)節(jié)徑流量21億m3.

對于枯水期流量序列,寸灘、宜昌站的跳躍點均為1989年,而兩站10月月平均流量序列跳躍點也完全一致,都為1991年.枯水期流量序列和10月月平均序列的跳躍點基本吻合,由此可以初步判定,長江上游流域的水庫運行對枯水期及10月的流量產(chǎn)生了比較大的影響,流量序列跳躍點的產(chǎn)生主要是由水庫運行引起的.由于長江上游流域水庫不是同時建成運行,而且?guī)烊荽笮〔灰?各水庫對其所處河流水文情勢的影響程度也不相同,所以枯水期及10月流量序列的跳躍點并不能確切反映哪個或哪些水庫是主要影響因素.但可以認為,枯水期及10月流量序列跳躍點的產(chǎn)生主要是長江上游流域水庫運行對徑流情勢影響的累積作用的結(jié)果.

表1 長江流域上游大型水利工程Table 1 Large water resources projects in the upper reaches of Yangtze River

隨著三峽水庫、溪洛渡水庫等大型水利樞紐的興建運行,長江上游枯水期及10月的徑流情勢會進一步受到影響.長江上游水庫對水文情勢的影響程度有待于進一步研究.降水變化、下墊面條件改變、用水量變化等因素也會對枯水期及10月流量序列的跳躍點產(chǎn)生一定影響,但由于資料收集困難,無法深入分析.

5 結(jié) 論

a.總體來看,長江上游寸灘、宜昌站兩站枯水期徑流均呈上升趨勢,其中宜昌站枯水期徑流上升趨勢的顯著性水平超過95%置信度;兩站10月徑流均呈下降趨勢,其中寸灘站10月徑流下降趨勢的顯著性水平超過95%置信度.

b.寸灘站枯水期流量序列的跳躍點發(fā)生在1989年,枯水期多年平均流量跳躍點后較跳躍點前上升了241m3/s;10月流量序列的跳躍點發(fā)生在1991年,10月多年平均流量跳躍點后較跳躍點前下降了2099m3/s.宜昌站枯水期流量序列的跳躍點發(fā)生在1989年,枯水期多年平均流量跳躍點后較跳躍點前上升了492m3/s;10月流量序列的跳躍點發(fā)生在1991年,10月多年平均流量跳躍點后較跳躍點前下降了2396m3/s.

c.枯水期和10月流量序列的跳躍點基本吻合,由此初步判定,長江上游流域的水庫運行對枯水期及10月的流量產(chǎn)生了比較大的影響,流量序列跳躍點的產(chǎn)生可能主要是由水庫運行引起的.

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