王海斌

(陜西省水土保持勘測規(guī)劃研究所，陜西西安 710004)

長江流域干流水沙階段性分析(1956～2009年)

王海斌

(陜西省水土保持勘測規(guī)劃研究所，陜西西安 710004)

由于自然因素和人類活動的影響，近年來長江水沙過程發(fā)生了變化，徑流量和輸沙量變化尤為引人關(guān)注。采用Mann－Kendall檢驗方法和累積距平方法分析了長江流域干流屏山站，屏山站，朱沱站，宜昌站，漢口站和大通站(1956～2009年)年徑流和年輸沙量的變化情況。結(jié)果表明，長江流域年徑流量階段性變化大體上分為，上游:豐－枯－豐3個階段，中下游無明顯趨勢變化。年輸沙量上游:枯－豐－枯－豐－枯共5個階段，中下游:豐－枯兩個階段。并且年徑流量在2006年前后發(fā)生明顯突變，年輸沙量除屏山站在1962和2006年發(fā)生突變，朱沱站在2001年出現(xiàn)突變外，其他站點無明顯突變。

長江流域;水沙;時空特征;Mann－Kendall分析

水沙變化是流域系統(tǒng)中最為敏感的一部分，水沙的變化間接地體現(xiàn)了一個動態(tài)流域系統(tǒng)對氣候變化和人類活動的綜合響應(yīng)，這些響應(yīng)表現(xiàn)在水沙時空特征上，而對流域水沙的時空特征分析有助于正確理解其河勢、河道的變化情況，對預(yù)測河道險情同樣具有一定的積極作用［1］。河川徑流不僅是陸地水循環(huán)與水量平衡的重要組成部分，也是最有價值和易于開發(fā)利用的水資源，地表水資源的數(shù)量主要取決于河川徑流量［2］。一般而言，河川的徑流量和輸沙量會隨著以年為尺度的季節(jié)變化而呈現(xiàn)出一定的周期性和波動性，可以通過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法可以更直觀地將這些波動和規(guī)律表現(xiàn)出來，再經(jīng)過一定的統(tǒng)計分析手段對導(dǎo)致這些周期變化的原因闡釋清楚［3］。階段性是描述河流徑流量豐枯變化持續(xù)長度的主要特征。除了以自然年代為階段的分析外，還常用數(shù)據(jù)系列滑動平均值、距平累計值、Mann－Kendall秩次趨勢分析法確定躍變點和小波分析等方法，其中距平累計值法可以靈活的確定階段，在水沙分析中得到廣泛應(yīng)用［4－6］。本文采用距平累計和Mann－Kendall等分析方法及最新資料，對長江干流的徑流和泥沙進行綜合分析研究，認(rèn)知規(guī)律，得出長江水沙的時空變化特征以及分析引起這些變化的主要原因，為治理長江提供參考。

1 長江流域概況

長江是貫通中國東西的交通大動脈，全長6 380 km，流域面積180萬 km2，占中國陸地面積的18.8%，其支流流域面積1萬km2以上的支流有49條，共有通航河道3 600條，占中國內(nèi)河通航里程的52.6%。流域內(nèi)地貌類型復(fù)雜，其中山地和丘陵占84.7%，平原占11%，呈階梯狀向東降低。本文中選用的5個干流水文站點屏山、朱沱、宜昌、漢口、大通的集水面積分別是 45.86、69.47、100.55、148.8 和 170.54萬 km2，其中屏山站和朱沱站屬于長江的上游，宜昌站和漢口站屬于長江的中游，大通站屬于長江的下游。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文選用《中國河流泥沙公報》長江干流，大通，漢口，屏山，宜昌和朱沱等5個水文控制站1956－2009年的年徑流量和年輸沙量數(shù)據(jù)。

2.2 分析方法

2.2.1 Mann －Kendall法

Mann－Kendall法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，非參數(shù)檢驗方法也稱為無分布檢驗。與參數(shù)檢驗方法相比，其優(yōu)點是不需要樣本遵從一定的分布規(guī)律，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適合于類型變量和順序變量，計算也比較簡便［7］。本研究應(yīng)用Mann－Kendall變點檢測技術(shù)，取顯著性檢驗水平=0.05，對應(yīng)的檢驗臨界值 C(α)=1.96，對長江干流 5 個水文控制站的徑流和輸沙量進行變點分析。

2.2.2 距平累積曲線法

水文要素具有階段性特征?！熬嗥嚼鄯e法”可明顯地顯現(xiàn)水文要素年際變化的階段性。該方法先計算每年的水文要素距平，然后按年序累加，得到距平累積序列。計算公式即:

式中:LPi為第i年的距平累積值;Xi為第i年的水文要素值;為某水文要素的多年平均值。根據(jù)距平有正有負(fù)的特點，當(dāng)距平累積持續(xù)增大時，表明該時段內(nèi)水文要素值大于平均值;當(dāng)距平累積持續(xù)不變表明時，該時段水文要素值等于平均值;當(dāng)距平累積持續(xù)減小時，表明時段內(nèi)水文要素值小于平均值。據(jù)此，可以較其他方法更能直觀而準(zhǔn)確地確定水文要素變化的階段性［4］。

3 結(jié)果與分析

3.1 長江流域干流站點的水沙時空變化

通過對長江干流5個站點的年輸沙量距平累計變化分析可知，大通站、漢口站、宜昌站在研究時段內(nèi)，輸沙量距平累積曲線(MC－ASL)均大于均值，分別在1985、1991和1991年MC－ASL達(dá)到峰值，而這3個站的年徑流量距平累積曲線(MC－AR)在這54年里僅發(fā)生微小波動，即這3個水文站基本上都是由一個豐沙平水期和枯沙平水期兩個階段組成［8］，不同的是大通站在1956－1985年呈豐沙平水態(tài)勢，1986－2009年則是其枯沙平水期，而宜昌站和漢口站水沙年際變化大致相同，基本上在1956－1991年是豐沙平水期，1992－2009年是枯沙平水期。朱沱站和屏山站的水沙距平累積曲線變化的波動性比較大，水沙的枯豐階段比較多，整個研究時段內(nèi)基本上都可以劃分為5個階段。朱沱站1956－1970年為豐沙豐水期，1971－1980年為枯沙枯水期，1981－1990年為豐沙平水期，1991－1997年為枯沙枯水期，1998－2009年為枯沙平水期。屏山站1956－1964年為枯沙枯水期，1965－1969年為豐沙豐水期，1970－1983年為枯沙枯水期，1984－1997年為豐沙枯水期，1998－2009年為枯沙豐水期。圖1和圖2分別是長江上游屏山站和中游漢口站在54年內(nèi)的水沙距平累計曲線圖，其他站點圖略。

圖1 屏山站徑流量和輸沙量距平累計曲線

從表1可知，從上游到下游5個站點的多年徑流量均值明顯地呈現(xiàn)出增加的趨勢，與之前部分研究的結(jié)論一致［9］，徑流量由上游屏山站的1 437.37億噸到下游大通站的8 813.2億 t。各站測得的多年徑流量最大值出現(xiàn)年份基本都是1998年，最主要的原因就是1998年的洪水自然災(zāi)害事件，只有朱沱站是在1965年;而多年徑流量的最小值出現(xiàn)的年份多是2006年，屏山站是1996年，大通站則是1978年。多年平均輸沙量變化規(guī)律和徑流量的則不盡相同，上游是2.46億 t，到中游宜昌增加到4.35億 t，到下游又略有減小，降為3.89億 t，這和前人研究結(jié)論一致［10］。分析得出的多年輸沙量變化的分布規(guī)律并沒有呈現(xiàn)單調(diào)遞變趨勢，而是呈現(xiàn)出不同程度的波動，從上游到下游輸沙量最大值先增后減［11］，最小值先減后增。總之，年徑流量最大值、最小值以及多年平均徑流量從上游至下游呈現(xiàn)遞增的趨勢，而輸沙量的最大值、最小值以及多年平均輸沙量從上游至下游呈現(xiàn)先增再減、先減再增、先增再減的趨勢，且最大輸沙量和年平均輸沙量雖然在下游有所降低，卻仍高于上游相應(yīng)的輸沙量值。究其原因，是綜合了自然原因和人類生產(chǎn)活動后的綜合結(jié)果［12］，至于各占幾成，有待于進一步深入探索研究。

圖2 漢口站徑流量和輸沙量距平累計曲線

表1 長江干流5個水文站點的特征值 億m3、億t

3.2 水沙趨勢突變點分析

長江流域5個水文站在研究時段內(nèi)年徑流量均存在突變點，其中屏山站和朱沱站的突變點最多(圖3)，分別都出現(xiàn)了四次突變;宜昌和大通站一致在1959年和2006年出現(xiàn)突變點。各站突變點基本集中出現(xiàn)在1959年前后和2006年，表明在這兩年流域內(nèi)徑流量突變存在一致性。盡管各站點在突變時間上不盡相同，但從△R看，長江流域徑流量時間突變點在2006年前后，徑流量均值差最大，說明流域徑流量在2006年前后變化最為劇烈。

從長江流域年輸沙量看，除屏山站在1962年和2006年以及朱沱站在2001年存在突變點外，其他站點突變點均不顯著。也就是說，在研究時段內(nèi)，長江流域年輸沙量只在上游地區(qū)存在突變點，而中下游地區(qū)年輸沙量不顯著。

圖3 長江干流水沙Mann－kendall分析圖

表2 長江干流徑流量和輸沙量突變點

4 結(jié)語

本文采用Mann－Kendall檢驗方法和累積距平方法分析了長江流域5個水文站年徑流量和輸沙量的變化情況，結(jié)論如下:

1)研究時段內(nèi)，宜昌、漢口、大通站的水沙變化的階段性由一個豐沙平水期和枯沙平水期組成，宜昌和漢口站在1991年前后由豐沙轉(zhuǎn)為枯沙階段，大通站在1985年左右由豐沙轉(zhuǎn)為枯沙階段，且輸沙量的增幅大于徑流量的增幅。位于三峽水庫上游的屏山站和朱沱站在54年內(nèi)的水沙豐枯階段比較復(fù)雜，大致由5個水沙豐枯階段組成，屏山站豐枯階段分界年份大致是1964、1969、1984和1997年，朱沱站的豐枯階段分界年份大致是1970、1980、1990和1997年。

2)長江流域在54年的研究時段內(nèi)，多年平均徑流量自上游至下游整體上成明顯的增加趨勢，多年平均輸沙量在整個河段內(nèi)成先增后減的趨勢，雖到下游的大通站減至3.89億 t，但仍大于上游的2.46億 t。年徑流量最大值、最小值以及多年平均徑流量從上游至下游呈現(xiàn)遞增的趨勢。輸沙量的最大值、最小值以及多年平均輸沙量從上游至下游呈現(xiàn)先增再減、先減再增的趨勢，且最大輸沙量和年平均輸沙量相似，雖然在下游降低到6.78億 t，卻仍高于上游的5.01億 t輸沙量。

3)利用Mann－Kendall法對流域干流的5個水文站點近54年的徑流量和輸沙量進行突變性檢驗表明，流域各站點徑流量均存在突變點，突變點自上游至下游逐漸減少，徑流量變化幅度變小，劇烈變化次數(shù)變少，2006年前后發(fā)生明顯突變。年輸沙量突變點自上游至下游同樣表現(xiàn)出逐漸減少的規(guī)律，除屏山站在1962和2006年有2次突變，朱沱站在2001年出現(xiàn)1次突變外，流域中、下游的輸沙量突變不顯著，未發(fā)生輸沙量劇增或劇減的情況。

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1004－1184(2012)03－0150－03

2012－02－15

王海斌(1970－)，男，陜西武功人，工程師，主要從事水土保持及生態(tài)研究工作。