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(1.南昌工程學院 水利與生態(tài)學院，南昌 330099；2.河海大學 水電學院，南京 210098；3.長江科學院 水土保持研究所，武漢 430012)

隨著氣候變化和人類活動的影響，世界上一些河流的徑流量發(fā)生了明顯的減小趨勢[1-2]。河流的徑流量減小會導致生產(chǎn)生活用水缺乏，使流域內(nèi)部的水量分配出現(xiàn)矛盾。三峽工程自蓄水以來，通過跟蹤監(jiān)測，認為庫區(qū)水質(zhì)總體良好，但香溪河、大寧河等部分支流庫灣回水區(qū)段出現(xiàn)了春季藻華，引起了各方關(guān)注[3-5]。三峽庫區(qū)支流面積約為水庫總面積的1/3，支流水體變化對庫區(qū)水體環(huán)境將產(chǎn)生直接的影響。在全球變暖的背景下，研究香溪河流域徑流變化特征，認識其演化規(guī)律和趨勢，為香溪河流域的綜合治理、水資源合理開發(fā)提供理論參考，以期為進一步研究流域水資源合理規(guī)劃和利用、河道綜合治理對策提供科學依據(jù)。

1 區(qū)域概況

香溪河流域地處長江流域上游,系長江三峽大壩壩首第1條支流，位于湖北省西北部，流域總面積2 247 km2。興山境內(nèi)流長78 km，秭歸境內(nèi)流11.1 km，為峽谷型河流。香溪河有東西2個源頭：東源于神農(nóng)架林區(qū)螺馬店，名為東河；西源于大神農(nóng)架山南的紅河，名為西河。東西兩河流至響淮相匯為香溪河，于香溪鎮(zhèn)東注入長江，下泄至三峽大壩[5]。

流域內(nèi)有興山水文站，徑流始測于1958年，泥沙觀測始于1973年，最早的日降雨量可追溯到1935年。測站位于興山縣高陽鎮(zhèn)，地理位置：東徑110°45′，北緯31°13′，屬二類精度國家重要站，是三峽水文分區(qū)1 000～3 000 km2區(qū)域代表站。興山站位置從建站至今多次搬遷，控制面積變化較大。1958—1964年和1965年后匯流面積相比變化較大，徑流按比例放大后誤差較大，故將1958—1964年這段數(shù)據(jù)舍棄。

2 資料和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用1965—1990，2001—2010年徑流數(shù)據(jù)來自長江水利委員會編撰的水文年鑒；1992—2000年徑流數(shù)據(jù)由同行獲得；1991年徑流數(shù)據(jù)由降雨徑流關(guān)系插補獲得。資料為興山水文站的逐日徑流資料。對徑流數(shù)據(jù)進行預處理后，分別組成以4—9月份為汛期，10—3月份為非汛期；3—5月份為春季、6—8月份為夏季、9—11月份為秋季、12月份及次年1—2月份為冬季的徑流序列，同時對其平均值、最大值、最小值、變異系數(shù)等進行統(tǒng)計分析，得到徑流特征量。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

采用的方法包括：線性趨勢法、累積距平法、Mann-Kendall趨勢分析法、Mann-Kendall突變檢測和Theil-Sen’s估計法。

2.2.1 Mann-Kendall趨勢檢驗

Mann-Kendall趨勢檢驗法是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數(shù)檢驗方法。非參數(shù)檢驗亦稱為無分布檢驗，其優(yōu)點是樣本不需要遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適合用于類型變量和順序變量，廣泛應用于水文和氣象時間序列的變化趨勢分析[2，6]。

2.2.2 累積距平

累積距平也是一種常用的、由曲線直觀判斷變化趨勢的方法，方法的核心是判斷離散數(shù)據(jù)對其均值的離散幅度。若累積距平值增大，表明離散數(shù)據(jù)大于其平均值，反之則小于其平均值；如果曲線由上述2個部分組成，則可確定變化趨勢的拐點。從曲線明顯的上下起伏，可以判斷其長期顯著的演變趨勢及持續(xù)性變化，甚至還可以診斷出發(fā)生突變的大致時間[6]。

2.2.3 Mann-Kendall突變分析

突變監(jiān)測有很多種方法：如低通濾波法、滑動T檢驗法(MTT)、Cramer法、Yamarnot法、Mann-Kendall法。Mann-Kendall法在研究突變時不僅能明確突變發(fā)生的時間，還能檢測突變發(fā)生的區(qū)域[6-7]。

2.2.4 Theil-Sen’s估計

Theil-Sen’s法是Theil和Sen提出的一種粗略估計系列趨勢變化幅度的一種方法，被廣泛地應用在氣象水文時間序列數(shù)據(jù)中[2，7-8]。該方法通過對時間序列X,計算傾斜度指標β，得到單調(diào)趨勢度量因子。β>0表示趨勢上升；β<0表示趨勢下降。β值的大小反映了趨勢的斜率，其是否顯著,一定要通過給定顯著性水平下的檢驗。

3 結(jié)果及分析

3.1 流域徑流特征

3.1.1 流域年徑流特征

圖1 香溪河流域降雨和徑流的年內(nèi)分配特征

興山站多年平均流量為36.58 m3/s，年內(nèi)分配很不均勻，最大月7月份為65.5 m3/s，最小的1月份為13.12 m3/s，變化幅度達到500%；最大實測流量1 970 m3/s，最小實測流量1.06 m3/s。1965—2010年間各月均降水量和徑流量的年內(nèi)分配如圖1所示，從圖中可以看出降水和徑流主要集中在5—9月份。最大降水和徑流都出現(xiàn)在7月份，分別占全年的16%和15.15%，最小降水和徑流皆出現(xiàn)在1月份，占全年的2%和3%。

表1為流域統(tǒng)計特征值，顯示香溪河流域在46 a間的平均徑流量為11.59億m3，變差系數(shù)Cv為0.29。汛期降水量和徑流量占全年的76%和71%，Cv分別為0.21和0.33，表明汛期降水量和徑流所占比重大，汛期徑流量較降雨量而言變化更大。

3.1.2 徑流的年代際特征

圖2為香溪河流域降水量和徑流量的年代際變化特征。20世紀60至80年代流域內(nèi)的降水較豐沛并且平穩(wěn)，都超過了1 150 mm/a，徑流都穩(wěn)定在10億m3/a以上，徑流量和降水量的變化趨勢基本保持一致。但從20世紀90年代開始至今徑流量持續(xù)減小，降水和徑流關(guān)系也發(fā)生了變化。流域徑流量由80年代的13.2億m3/a銳減到90年代的9.77億m3/a，到了21世紀更是減小到9.63億m3/a 。

圖2 香溪河流域降水和徑流的年代際變化特征

3.1.3 徑流的季節(jié)特征

香溪河流域徑流在季節(jié)上分配不均，徑流主要集中在夏季，占全年的39%，秋、春、冬3季依次減小(見表1)。夏、秋2季的徑流不僅所占比重大，而且變差系數(shù)也大，分別為0.42和0.56，但同期降雨的變差系數(shù)只為0.29和0.32。徑流變化強度大于降雨，說明夏秋季人類活動(如水庫)對流域徑流進行了干預，人為地對流域徑流進行調(diào)整。

表1 香溪河流域1965—2010年降雨和徑流的變化特征

冬季降雨和徑流分別占全年的7%和10%，變差系數(shù)Cv為0.45和0.23。香溪河流域冬季降雨所占比重小但變化較大，徑流量所占比重雖小，但變幅不大。冬季徑流最為穩(wěn)定，說明在冬季徑流主要是由地下基流補給。

3.2 徑流的變化趨勢分析

3.2.1 年變化趨勢

46 a來流域徑流表現(xiàn)為下降趨勢。線性趨勢顯示流域徑流以0.089億m3/a的速度減小；從累積距平曲線(圖3)上可以發(fā)現(xiàn)1966—1975，1980—1985年是徑流量上升階段；1989—2010年處在下降階段。表2是1965—2010年流域的年、季徑流序列的變化趨勢檢測和Theil-Sen’s斜率估計結(jié)果。顯示年、汛期、非汛期徑流下降趨勢顯著，下降速度分別達到0.087億，0.055億，0.028億m3/a。不同的方法均表明流域年徑流減少超過了0.08億m3/a。和文獻[9-10]結(jié)果一致。就整個研究時段來說，持續(xù)下降的時段明顯長于上升的時段。

圖3 香溪河流域年均和四季徑流值累積距平趨勢分析

流域徑流下降，一是因為降雨總體上呈減小趨勢，另一方面是流域下墊面條件的變化。據(jù)資料統(tǒng)計[5]，香溪河流域的林草覆被率在1988—1999年間由76.27%提高到77.9%，坡地墾殖率由7.89%降為6.58%。林草覆被率的提高攔蓄了地表徑流，良好的植被覆蓋能涵養(yǎng)水源,調(diào)節(jié)徑流,緩沖雨能,保護土壤,有效地防止土壤侵蝕。

3.2.2 季變化趨勢

從徑流的季節(jié)性變化趨勢(見表2)可以看到，四季趨勢表現(xiàn)不盡相同：春季、秋季徑流下降趨勢顯著，下降速率分別為0.027億～0.031億，0.042億～0.062億m3/a；夏季徑流下降趨勢不顯著；冬季徑流上升趨勢不顯著。春秋2季徑流下降趨勢顯著一方面是因為降雨減少；另一方面為水利工程的修建蓄水，改變降雨徑流過程所致。春秋季降雨占全年的49%，同時這兩季降雨一般強度不大，這種降雨強度和量不大的降雨產(chǎn)生的徑流正好為森林植被憑借自身巨大蓄水能力所貯存。夏季徑流下降不顯著的原因在于夏季降雨量大且集中，水庫攔蓄能力有限，徑流基本體現(xiàn)降雨的特點。冬季徑流增加是因為冬季降雨有增加趨勢，不顯著是因為冬季降雨量小。

表2 香溪河流域1965—2010年徑流量趨勢分析參數(shù)統(tǒng)計

注：Z為Mann-Kendall趨勢檢驗統(tǒng)計值；β為Theil-Sen’s統(tǒng)計值。

3.3 徑流的突變分析

3.3.1 年突變

根據(jù)Mann-Kendall突變檢測的定義可知，徑流序列的突變點是順時秩序列統(tǒng)計量UF和逆時秩序列統(tǒng)計量UB的交點。由圖4(a)可知，香溪河流域年徑流突變出現(xiàn)的年份為1989年，1989—2010年為突變時段。由UF曲線可見，自1989年流域徑流有一明顯的減小趨勢，在1995—2010年減小趨勢均超過0.05臨界線，2000年后甚至超過0.001顯著性水平(U0.001為2.56)，表明香溪河流域的徑流減小趨勢是十分顯著的。同時發(fā)現(xiàn)流域年徑流的突變發(fā)生時間是和流域降雨的突變時間一致。但降雨的突變并不顯著，而徑流突變顯著。

圖4 香溪河流域1965—2010年均徑流量突變點檢驗分析圖

3.3.2 季突變

香溪河流域徑流季節(jié)突變結(jié)果顯示，春季徑流突變開始年份為1978年，突變時段為1978—2010年。春季徑流減小顯著，在1983—1989年和1994—2010年超過顯著性水平0.05的顯著性檢驗，并在1999—2010年超過0.001的顯著性檢驗，見圖4(b)。

夏季徑流突變從M-K值圖上來看，在1966，1995，1998，2003，2005，2006，2008年共有7個突變點，見圖4(c)。通過對夏季降雨分析，1966,2006,2008年是夏季降雨突變；其余年份突變可能是人類活動導致。香溪河流域自90年代實施了大規(guī)模的水土保持措施后導致流域林草覆被提高，增大了植被對徑流的攔截和延緩所致。同時流域內(nèi)修建了一些水庫等蓄水設施對徑流進行了調(diào)節(jié)。

秋季徑流突變年份發(fā)生在1989年，和年徑流突變年份一致。1989—2010年為突變區(qū)域，其中1994—2010年突變的顯著性通過了0.05的顯著性檢驗，并且1998—2010年的顯著性超過了0.001的顯著性檢驗，見圖4(d)。

冬季徑流突變年份為1988年，以1991年為界，前段徑流為下降趨勢，后段為上升態(tài)勢。1998—2002年冬季徑流的增長通過了0.05的顯著性檢驗，見圖4(e)。

4 結(jié) 論

通過對香溪河流域興山站1965—2010年徑流量變化的研究，得到了以下結(jié)論：

(1) 香溪河流域興山站46 a來實測平均徑流為11.59億m3/a，總體上年徑流量以0.089億m3/a速率下降。從季系列來看：春季和秋季徑流下降趨勢顯著；夏季徑流下降趨勢不顯著；冬季徑流上升趨勢不顯著。

(2) 從年徑流量的突變來看，興山站徑流出現(xiàn)突變的年份1989年，此后徑流有一明顯的減小趨勢。在1995—2010年時段減小趨勢超過0.05臨界線，2000年后甚至超過0.001顯著性水平。季徑流系列的突變時間分別是：春季在1978年；夏季共7個突變點，情況復雜；秋季徑流突變年份在1989年，而冬季為1988年。

(3) 徑流下降趨勢顯著一方面是因為降雨減少，另一方面為水利水保工程的修建實施。從整個研究時段來看：1990年前年徑流和降水有較好的一致性，表明這個階段人類活動對徑流擾動不大；但1990年后兩者變化不一致，徑流除受降雨的影響外還受到人類活動的強烈干預。

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