胡 楊，林凱榮，劉 攀

(1.中山大學(xué)水資源與環(huán)境系，廣州 510275; 2.華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510275;3 武漢大學(xué)水利水電學(xué)院， 武漢 430072)

1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)江發(fā)源于青海省唐古拉山脈各拉丹冬峰西南側(cè),河源名為沱沱河,從河源到四川宜賓稱(chēng)為金沙江,岷江匯入之后始稱(chēng)川江。湖北宜昌以上河段為長(zhǎng)江上游，橫跨中國(guó)陸地地勢(shì)的一、二級(jí)階梯。該段河道全長(zhǎng)4 529 km，占長(zhǎng)江主河道全長(zhǎng)的70%，上游沿岸有數(shù)個(gè)重要城市，包括宜賓、瀘州、重慶、宜昌等，主要的一級(jí)支流包括岷江、嘉陵江、烏江等。

宜昌水文站始于1877年設(shè)立的宜昌海關(guān)，此后開(kāi)始有水位記載。1946年3月正式設(shè)立宜昌水文站，為長(zhǎng)江上游出口控制站[1]。宜昌站位于西陵峽口的宜昌市，宜昌因水而興旺發(fā)達(dá)，但是也飽受水害的摧殘，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，四季分明，水熱同季，寒旱同季的氣候特征，多年平均降水量1 215.6 mm。地處長(zhǎng)江上中游的咽喉之地，宜昌站控制流域面積100萬(wàn)km2，占全流域面積的55%，為下游防洪以及葛洲壩、三峽工程等大型工程提供了詳盡的水文資料，也為宜昌市的城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到了舉足輕重的作用。上游數(shù)公里處的葛洲壩水電站，是長(zhǎng)江干流上第一座大型水電站，葛洲壩水利樞紐于1970年開(kāi)始動(dòng)工，宜昌水文站的徑流量資料可以體現(xiàn)出葛洲壩水電站的建設(shè)對(duì)長(zhǎng)江天然徑流量的影響程度。因此本文采用Mann-Kendall法和基于IHA指標(biāo)體系的HMA法，分析宜昌站徑流量年際變化的規(guī)律和趨勢(shì)，為水資源管理部門(mén)和工程建設(shè)部門(mén)的規(guī)劃提供依據(jù)，便于水庫(kù)調(diào)度的決策，保護(hù)上中游流域生態(tài)環(huán)境。

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall檢驗(yàn)

Mann-Kendall檢驗(yàn)法[2,3]是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，不需要遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用于水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，計(jì)算比較簡(jiǎn)便[4]。

2.2 水文變化指標(biāo)法(IHA法)

Richter等人(1996年, 1998年)提出的受自然保護(hù)協(xié)會(huì)(TNC)支持的IHA統(tǒng)計(jì)包[5,6]計(jì)算水文變異。IHA方法在研究人類(lèi)活動(dòng)如大壩和地下水取水等對(duì)水文情勢(shì)的影響方面非常有用。IHA法[5]是依據(jù)河流的日測(cè)水文流量資料，計(jì)算32個(gè)影響生態(tài)環(huán)境意義的關(guān)鍵水文特征值，并計(jì)算集中量數(shù)(如中位數(shù)、平均值)和離散量數(shù)(如標(biāo)準(zhǔn)偏差、變異系數(shù))，以對(duì)受人類(lèi)活動(dòng)影響的河流進(jìn)行干擾前和干擾后的對(duì)比分析[7]。32個(gè)水文關(guān)鍵值可以分為5組，分別是月徑流量大小、年極端流量大小、極端流量出現(xiàn)時(shí)間、高低流量的頻率和延時(shí)以及徑流變化的改變率和頻率[8]。流量平均增加率、減少率指相鄰兩天的流量平均增加率、減少率，逆轉(zhuǎn)次數(shù)是指河流日流量由增加變?yōu)闇p少或者由減少變?yōu)樵黾拥拇螖?shù)[9]。

2.3 直方圖匹配法(HMA法)

HMA法是Shiau and Wu[10]提出的一種以直方圖差異度作為衡量標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)水文情勢(shì)改變度的方法。HMA的核心思想是：若兩個(gè)徑流序列的32個(gè)IHA指標(biāo)的頻率直方圖相互類(lèi)似，則這兩個(gè)徑流序列的水文情勢(shì)也類(lèi)似，這種相似性可以用變異前后頻率直方圖的“統(tǒng)計(jì)距離”來(lái)衡量。因此，水文情勢(shì)的改變可以用基于距離的差異度來(lái)度量。HMA的過(guò)程如下：

(1)

式中：Dm是第m個(gè)指標(biāo)的直方圖差異度；dm是第m個(gè)指標(biāo)的二次方間距；max(dm)是每個(gè)dm的最大值。

(2)

式中：h=(h1，h2，…，hnc)T，k=(k1，k2，…，knc)T，分別為變異前后直方圖H、K的頻率向量， |h-k|是統(tǒng)計(jì)距離向量，nc是徑流序列的分類(lèi)數(shù)；A=[aij]為相似矩陣，aij是H的第i類(lèi)和K的第j類(lèi)之間的相似性：

(3)

其中，dij=|Vi-Vj|是第i，j類(lèi)之間的距離，Vi、Vj分別為i、j類(lèi)的均值；dmax=max(dij)=|V1-Vnc|；α為(1，∞)，本文采用α=1的線性相似函數(shù)。

(4)

式中：r為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中最大值與最小值之差；n為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；riq為四分位數(shù)間距。

(5)

式中：nc,m為第m個(gè)IHA指標(biāo)的分類(lèi)值。

因Dm的個(gè)別值可以表現(xiàn)出不同程度的差異性，所以用一個(gè)綜合指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)“水文情勢(shì)的整體變化程度”，即：

(6)

式中：D′o最小值被視為等同于保護(hù)最好的天然徑流量，用以替代生態(tài)系統(tǒng)需水量。

3 結(jié)論與分析

3.1 Kendall趨勢(shì)分析

由于人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化的因素,使得宜昌站的年徑流數(shù)據(jù)產(chǎn)生變化,其中上游的大型水利設(shè)施對(duì)徑流的影響非常顯著。圖1可以體現(xiàn)宜昌站年徑流量的變化趨勢(shì)和變異特點(diǎn)，從圖中可知宜昌站的年平均流量呈降低的趨勢(shì)，宜昌站的變異點(diǎn)在1970年左右和1996年左右，徑流量的變異應(yīng)該和長(zhǎng)江上游1971年開(kāi)工建設(shè)的龔嘴水庫(kù)、黑龍灘水庫(kù)，特別是葛洲壩水利樞紐等工程有關(guān)。而這也與秦年秀、曾娟等人的研究結(jié)果相近，并符合實(shí)際狀況。與此同時(shí)，由于經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，對(duì)灌溉用水和工業(yè)用水的需求相應(yīng)地大規(guī)模增加，此外湖泊的開(kāi)墾、氣候變化等都會(huì)對(duì)年徑流量產(chǎn)生不同程度的影響。因此將1878-1970年作為長(zhǎng)江上游徑流量未受擾動(dòng)時(shí)間段，將1971-2010年作為由于上游水利設(shè)施而產(chǎn)生擾動(dòng)的時(shí)間段。

圖1 宜昌站徑流變化和突變分析圖

3.2 IHA指標(biāo)變化分析

運(yùn)用IHA軟件將各站逐日實(shí)測(cè)徑流資料分為月平均流量、年極端流量、極端流量發(fā)生時(shí)間、高低流量的頻率和延時(shí)以及徑流變化的改變率和頻率5組共32個(gè)指標(biāo)。通過(guò)每一個(gè)指標(biāo)在變異前后的年平均值分析變異趨勢(shì)，結(jié)果顯示，除了4月的月平均流量略微增加外，其他月的月平均流量都有不同程度的減少；年最大和最小極值流量都有小幅度下降的趨勢(shì)；每年發(fā)生低流量的次數(shù)和延時(shí)增加，每年發(fā)生高流量的次數(shù)和延時(shí)減少；每年的流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)增加。從上述這些指標(biāo)的改變趨勢(shì)可以看出，包括葛洲壩在內(nèi)地一系列在長(zhǎng)江上游修建的水利設(shè)施確實(shí)對(duì)天然徑流量產(chǎn)生了作用，這主要是因?yàn)樯嫌嗡畮?kù)的蓄水和蒸發(fā)使得徑流量減少，而關(guān)閘蓄水和開(kāi)閘放水的使得逆轉(zhuǎn)次數(shù)增多。

3.3 用HMA法作徑流量變異分析

3.3.1月平均流量

我們定義HMA方法中，改變度高于67%為高度改變，改變度在33%和67%之間為中度改變，改變度小于33%為低度改變。中度改變的月平均流量指標(biāo)有8月、10月和11月，見(jiàn)圖2。HMA法這3個(gè)月的差異度分別為40.39%、33.77%和37.15%。

在8月份，天然徑流序列小于13 308 m3/s的頻率值為0，在13 308～17 025 m3/s的頻率為0.02，在17 025～20 743 m3/s的頻率為0.12，在20 743～28 178 m3/s的頻率為0.33，變異后，徑流小于9 590 m3/s的頻率為0.07，在9 590～13 308 m3/s的頻率為0.07，在17 025～20 743 m3/s的頻率為0.2，在20 743～28 178 m3/s的頻率上升為0.71。

在10月份，天然徑流序列流量11 882～14 064 m3/s的頻率值為0.03，14 064～16 245 m3/s的頻率為0.15，小于16 245 m3/s的頻率為0.23。變異后月平均徑流序列在11 882～14 064 m3/s的頻率值升高至0.26，在14 064～16 245 m3/s的頻率升高為0.45，小于16 245 m3/s的頻率升高為0.75，沒(méi)有高于27 155 m3/s的流量。

在11月份，變異前流量小于8 912 m3/s的頻率為0.38，變異后卻漲至0.88。

上述結(jié)果表明，高要站8月、10月、11月的低流量頻率變異后高于天然徑流量的頻率。

3.3.2流量極值和延時(shí)變化

年極端流量中相對(duì)改變最大的是年1日最小流量，從變異前2 770 m3/s到變異后2 470 m3/s，減少了300 m3/s。年極端流量和出現(xiàn)時(shí)間的HMA法結(jié)果只有年1天最小流量和最小極端徑流時(shí)間改變度在33%和67%之間，為中度改變，其他均屬于低度改變。差異度最小的是基流指數(shù)，為17.55%，最大的是年1日最小流量發(fā)生時(shí)間，為39.44%。跟月平均流量一樣，各項(xiàng)指標(biāo)的低流量頻率變異后高于天然徑流量的頻率，見(jiàn)圖3。

圖2 月平均流量序列變異前后頻率分布圖

3.3.3流量變化的頻率

HMA法計(jì)算得到的變異前后宜昌站流量平均上升率、下降率和逆轉(zhuǎn)次數(shù)改變度分別為51.68%、34.17%、63.80%，都屬于中度改變、低度。變異后流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)改變較大，從逆轉(zhuǎn)次數(shù)頻率分布圖中(圖4)可以明顯看出變異后逆轉(zhuǎn)次數(shù)較大區(qū)間的頻率明顯增加，逆轉(zhuǎn)次數(shù)均大于66，大于101的頻率為0.80，而變異前大于101的頻率為0。變異之后上升率改變也較大，從圖4中可知變異前上升率小于260%的頻率值為0，在260%到338%之間的頻率為0.07，在338%到417%之間的頻率為0.08，在417%到495%之間的頻率為0.22，變異后，上升率小于260%的頻率為0.23，在260%到338%之間的頻率為0.39，在338%到417%之間的頻率為0.19，在417%到495%之間的頻率上升為0.32。上升率較小區(qū)間的頻率明顯增加。

圖3 流量極值和延時(shí)變化變異前后頻率分布圖

圖4 流量變化的頻率變異前后頻率分布圖

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)通過(guò)宜昌站水文情勢(shì)趨勢(shì)分析，年平均凈流量在1970年左右發(fā)生變異，這與上游的葛洲壩工程和黑龍灘水庫(kù)等水利設(shè)施的建成時(shí)間較為符合。

(2)宜昌站32個(gè)水文變化指標(biāo)大部分指標(biāo)變化趨勢(shì)較明顯，其中月平均流量指標(biāo)普遍減少；年極端流量普遍減小，年低流量發(fā)生次數(shù)也增加，低流量平均延時(shí)同樣增加；流量平均上升率和流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)顯著增加。

(3)宜昌站徑流趨勢(shì)的減少對(duì)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，例如水質(zhì)的變化、水生生物的生存等都有重大影響，同時(shí)也會(huì)影響到航運(yùn)、下游人民用水、輸沙、地下水位等一系列問(wèn)題，如何保證所有方面的問(wèn)題都考慮周全，需要水資源管理部門(mén)的保護(hù)和調(diào)控。

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