陳立華，劉為福，張利娜

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧530004)

西江流域上游紅水河段是我國(guó)“十三大水電基地”之一，在氣候變化和人類活動(dòng)共同作用下河川徑流發(fā)生不同程度的改變[1- 3]。目前，許多學(xué)者圍繞西江流域徑流變化規(guī)律進(jìn)行了研究[4- 6]。這些成果對(duì)西江流域水資源開發(fā)利用具有一定的指導(dǎo)意義，但是在突變點(diǎn)的識(shí)別和驗(yàn)證上尚缺乏統(tǒng)一的綜合診斷方法且針對(duì)西江下游徑流變化特征研究還不充分。因此，本文針對(duì)上述問題探究西江下游徑流變化規(guī)律。

梧州水文站是西江干流控制性水文站，是廣西實(shí)測(cè)資料系列最長(zhǎng)、資料質(zhì)量最好的重要監(jiān)測(cè)站之一，集水面積32.7萬km2，占西江流域集水面積的94.6%，其徑流資料能較好地反映西江下游水文情況。因此，研究選取西江梧州站1950年～2015年日徑流資料。采用回歸分析法找出徑流時(shí)間序列的趨勢(shì)，并用Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法[7- 8]進(jìn)行趨勢(shì)變化顯著性檢驗(yàn)及Hurst指數(shù)[9]預(yù)測(cè)其未來的變化趨勢(shì)；通過M-K法[7- 8]結(jié)合滑動(dòng)T檢驗(yàn)法進(jìn)行時(shí)間序列變異點(diǎn)診斷，并對(duì)診斷出的變異點(diǎn)進(jìn)行變異等級(jí)判定[10]；利用Morlet小波分析法[11]分析梧州徑流的周期特征，以揭示西江下游徑流變化規(guī)律。

1 徑流變化特征分析

1.1 年徑流變化趨勢(shì)

梧州水文站1950年～2015年年徑流變化過程和累計(jì)距平曲線見圖1和圖2。由圖1可知，梧州站年徑流在過去66年中總體表現(xiàn)出遞減的變化趨勢(shì)，其遞減率為10.95 m3/(s·a)。圖2表明，在整個(gè)研究時(shí)域內(nèi)存在3個(gè)準(zhǔn)豐枯循環(huán)，分別為1950年～1967年、1968年～1992年和1993年～2014年。據(jù)此推斷，2014年以后8～10a 徑流將呈階段上升趨勢(shì)。

圖1 年徑流趨勢(shì)

圖2 年徑流累計(jì)距平

采用非參數(shù)檢驗(yàn)法(Mann-Kendall法)和Hurst指數(shù)法對(duì)其變化趨勢(shì)進(jìn)行分析表明：梧州站徑流統(tǒng)計(jì)值ZC值為-1.47，|ZC|小于1.96，未能通過信度為95%的顯著性檢驗(yàn)，說明梧州水文站的年徑流在66年內(nèi)的遞減趨勢(shì)不顯著。為定性分析梧州站年徑流序列未來變化趨勢(shì)的持續(xù)性，采用R/S法估算Hurst指數(shù)為0.80，大于0.5，表明其未來年徑流與1950年～2015年存在相同的變化趨勢(shì)，說明西江下游徑流在1950年～2015年的年徑流不顯著遞減趨勢(shì)具有持續(xù)性，且持續(xù)性較強(qiáng)。

1.2 年徑流的變異特征

1.2.1 變異診斷

水文序列在氣候變化和人類活動(dòng)的影響下，改變了其原來的變化趨勢(shì)，顛覆了“一致性”前提下的工程水文分析計(jì)算方法。為了揭示水文序列變異規(guī)律，采用多種方法進(jìn)行變異診斷，以此來獲取更具說服力的變異點(diǎn)。

采用Mann-Kendall法對(duì)梧州站的不同時(shí)間尺度年徑流序列進(jìn)行變異診斷，其統(tǒng)計(jì)值曲線如圖3所示。

從圖3各時(shí)間尺度年徑流變異判別曲線UF可知，自1954年前后開始，梧州站年徑流總體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。其中圖3e、圖3f顯示在2002年年徑流呈明顯減小的趨勢(shì)，且在1957年～1965年徑流的統(tǒng)計(jì)量UF值超過了置信水平0.05相應(yīng)的臨界值(Y=±1.96)，表明該時(shí)段年平均徑流下降趨勢(shì)十分顯著，且在該時(shí)間段內(nèi)是全流域的。圖3中各時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)的潛在變異年份見表1。

從表1可以看出，對(duì)于不同時(shí)間尺度的年徑流序列長(zhǎng)度，Mann-Kendall法在置信區(qū)間內(nèi)檢測(cè)出的潛在變異點(diǎn)存在差異。因此，將采用滑動(dòng)T檢驗(yàn)法進(jìn)一步檢驗(yàn)置信度內(nèi)交點(diǎn)是否為變異點(diǎn)。

采用滑動(dòng)T檢驗(yàn)法對(duì)梧州水文站1950年～2015年年平均流量序列進(jìn)行逐點(diǎn)檢驗(yàn)(見圖4)?？煽闯?，年徑流在1951年～1955年和2002年～2003年兩區(qū)域均超出了臨界水平。結(jié)合M-K法診斷分析可知，1954年和2002年為潛在變異點(diǎn)。

對(duì)1954年和2002年兩個(gè)潛在變異點(diǎn)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(見表2)。結(jié)果表明：1954年各階段的顯著性水平均達(dá)到5%(置信水平0.05相應(yīng)的臨界值為tα/2=2.0)，而2002年只有10年、30年階段顯著性水平達(dá)到5%。因此，分析認(rèn)為1954年變異顯著， 2002年為不顯著突變。

1.2.2 變異等級(jí)劃分

變異點(diǎn)的變異程度有輕有重，對(duì)變異點(diǎn)進(jìn)行變異等級(jí)判別可以較準(zhǔn)確地衡量其變異程度大小。因此，本文采用一種基于均值和變差系數(shù)Cv的變異等級(jí)劃分方法對(duì)1954年和2002年進(jìn)行變異程度判別，以識(shí)別其變異程度大小。變異等級(jí)劃分[10]步驟：①對(duì)序列均值和Cv進(jìn)行無量綱化處理，在排除了各種方法本身的局限性之后，從序列本身基值進(jìn)行分析；②將系數(shù)變化程度分為7個(gè)等級(jí)(見表3)。變異等級(jí)判定結(jié)果如表4。

圖3 不同時(shí)間尺度梧州站年徑流突變判別曲線圖(M-K法)

年份時(shí)間/a潛在變異年份1950年～1970年2019531950年～1980年3019531950年～1990年401954、1968、1987、19881950年～2000年501953、1996、20001950年～2010年601954、1968、1970、1972、1973、1975、1976、1980、1984、1992、2004、20081950年～2015年661954、1968、1969、1970、1972、1973、1975、1984、1993、1999、2001、2002

表2 梧州站年徑流變異點(diǎn)前后徑流階段差異的顯著性檢驗(yàn)

注：參數(shù)n1和n2分別為變異點(diǎn)前、后的不同徑流系列長(zhǎng)度；*表示顯著度超過5%。

圖4 滑動(dòng)T檢驗(yàn)法分析

表3 基于均值系數(shù)和Cv的變異等級(jí)劃分

表4 變異程度分析

1.3 月徑流變化趨勢(shì)

隨著西江干流紅水河段梯級(jí)電站的相繼建成，徑流年內(nèi)分配受人類活動(dòng)影響已失去天然徑流的年內(nèi)特征[2- 3，12]，見表5。

從表5可以看出，西江下游梧州站6月～8月占年徑流量的50.5%，12月至次年2月僅占年徑流量的8.2%；6月占比最大，2月占比最??；年水量主要集中在豐水期5月～9月，占年徑流量的71.8%，而平水期和枯水期7個(gè)月水量占年徑流量的28.2%。

表5 西江下游梧州站多年平均流量年內(nèi)分配 %

為進(jìn)一步分析西江下游徑流年內(nèi)變化情勢(shì)，對(duì)各月徑流變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析，采用Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法對(duì)各月趨勢(shì)變化進(jìn)行檢驗(yàn)，并運(yùn)用R/S分析法預(yù)測(cè)各月徑流未來的變化趨勢(shì)(見表6)。

西江下游梧州站逐月徑流在汛期4月～6月和8月～10月均有不同程度的遞減趨勢(shì)，而非汛期逐月徑流和7月則呈增加趨勢(shì)。從各月徑流M-K統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)值和Hurst系數(shù)值可以看出，1月和3月徑流都有顯著的上升趨勢(shì)，且其未來徑流將微弱呈持續(xù)上升趨勢(shì)；8月和9月徑流均有較顯著下降趨勢(shì)，其未來徑流將呈較強(qiáng)的持續(xù)下降趨勢(shì)。分析表明：

(1)梧州站徑流年內(nèi)變化情勢(shì)總體呈現(xiàn)蓄峰補(bǔ)枯的良好趨勢(shì)，這主要得益于西江中上游的天生橋一級(jí)、龍灘水庫、百色水庫等骨干性水利工程發(fā)揮了調(diào)控作用。

(2)汛期7月徑流呈微弱的上升趨勢(shì)，且其未來徑流呈較強(qiáng)的持續(xù)上升趨勢(shì)。劉建業(yè)[12]曾指出，西江防洪控制站梧州站年最大洪水多發(fā)生在前汛期(4月～7月)，尤以6月、7月洪水最盛，占到69%。而陳立華等[4]在西江流域干流徑流演變特征與趨勢(shì)分析的研究中曾指出，遷江站6月、7月份月徑流呈遞減趨勢(shì)。一方面說明西江干流遷江站上游水庫發(fā)揮了削峰防洪的作用；另一方面，姚章民等[13]在珠江流域暴雨天氣系統(tǒng)與暴雨洪水特征分析中曾指出，西江流域發(fā)生流域性大洪水的暴雨中心落在柳江的概率最大，其次是桂江，暴雨中心落在右江的概率最小；說明在遷江站至梧州站干流及其區(qū)間支流(柳江、郁江、桂江等較大支流)仍缺少足夠調(diào)節(jié)能力的骨干性水利工程。

表6 梧州站徑流逐月變化趨勢(shì)

注：*和**分別表示顯著性檢驗(yàn)水平超過0.05和0.01。

2 徑流變化周期性分析

2.1 小波變換結(jié)果分析

復(fù)數(shù)小波函數(shù)-Morlet小波的實(shí)部和模方值是兩個(gè)主要變量(見圖5)。小波系數(shù)實(shí)部可反映系統(tǒng)在不同時(shí)間尺度下的變化特征：正位相小波系數(shù)實(shí)部對(duì)應(yīng)徑流偏豐期(對(duì)應(yīng)圖中亮區(qū))，負(fù)位相則對(duì)應(yīng)徑流偏枯期(對(duì)應(yīng)圖中暗區(qū))；小波實(shí)部絕對(duì)值越大，表明該時(shí)間尺度的年徑流序列變化越強(qiáng)烈。Morlet小波系數(shù)的模方值大小表征時(shí)間尺度信號(hào)的強(qiáng)弱，其值越大，則為年徑流序列所對(duì)應(yīng)時(shí)段或尺度的主周期。

圖5a為梧州站年徑流序列小波系數(shù)實(shí)部，反映出徑流序列存在18～26a，8～17a和3～7a共3類時(shí)間尺度的周期變化規(guī)律。在整個(gè)分析時(shí)段中，18～26a尺度的周期變化表現(xiàn)非常穩(wěn)定，存在4個(gè)豐～枯振蕩期，其周期中心在22 a左右，且到2015年等值線已閉合，說明2015年以后將呈現(xiàn)新一輪偏枯期。8～17a尺度的周期變化主要發(fā)生在50～70年代和90年代末以后，其周期中心在15a左右。3～7a尺度的徑流周期性呈現(xiàn)不穩(wěn)定的變化。圖5b為年徑流序列的小波系數(shù)模方，圖中18～26a尺度模方值最大，能量最強(qiáng)，穩(wěn)定性最好，其次為8～16a，最弱為3～7a。

圖5 梧州站年徑流的小波系數(shù)實(shí)部a和模方b的時(shí)頻變化

圖6 梧州站年徑流在不同時(shí)間尺度下的小波系數(shù)實(shí)部變化

梧州站年徑流在不同時(shí)間尺度下的小波系數(shù)實(shí)部變化如圖6所示， 圖6a為22a時(shí)間尺度下的小波系數(shù)實(shí)部變化過程，年徑流經(jīng)歷了4個(gè)豐～枯轉(zhuǎn)換期，具體表現(xiàn)為1950年～1957年、1965年～1971年、1979年～1985年、1994年～2000年和2008年～2014年偏豐，1958年～1964年、1972年～1978年、1986年～1993年和2001年～2007年偏枯；圖6b為年徑流在15a時(shí)間尺度下的小波系數(shù)實(shí)部變化圖，正負(fù)位相以15a左右的時(shí)間振蕩，在1979年前后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，1979年之前逐漸遞減，之后逐漸增大，經(jīng)歷了6個(gè)豐-枯轉(zhuǎn)換期；圖6c為年徑流在5a時(shí)間尺度下的小波系數(shù)實(shí)部變化過程，正負(fù)位相以5a左右的時(shí)間振蕩，存在2個(gè)較大峰值轉(zhuǎn)折點(diǎn)，分別在1965年和1977年，該時(shí)間尺度經(jīng)歷了19個(gè)豐-枯轉(zhuǎn)換期，時(shí)頻變化強(qiáng)烈。

在22a尺度下，2015年～2020年將處于偏枯期而在15a尺度下為偏豐期，因此，大尺度下的豐期(或枯期)蘊(yùn)藏著若干個(gè)小尺度枯(豐)期，呈現(xiàn)出豐枯結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

2.2 小波分析檢驗(yàn)

年徑流序列小波方差如圖7所示，它通過波動(dòng)能量隨時(shí)間尺度的起伏變化來反映徑流序列的變化過程。圖7中存在22、15、10a和5a4個(gè)較明顯的峰值。其中，控制流域年徑流變化的第一和第二主周期分別為22a和15a，而10a和5a的時(shí)間尺度相對(duì)較弱。

圖7 梧州站年徑流的小波方差

小波方差檢驗(yàn)結(jié)果結(jié)合圖6a、b可知，流域徑流變化在15a時(shí)間尺度上存在11a左右的周期，大約有6個(gè)豐-枯轉(zhuǎn)換期；而在22a尺度上，徑流的平均變化周期為14.5a左右，為4個(gè)周期的豐-枯變化。

4 結(jié) 語

采用西江下游梧州站1950年～2015年66a的徑流資料，分別運(yùn)用Mann-Kendall法、滑動(dòng)T檢驗(yàn)法、R/S分析法和小波分析法進(jìn)行了趨勢(shì)性、變異性及周期性等變化規(guī)律的分析，得到以下結(jié)論：

(1)由線性傾向估計(jì)法得到年平均徑流整體呈遞減趨勢(shì)，其減少率為10.95 m3/(s·a)。采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法分析1950年～2015年西江下游梧州站年徑流遞減趨勢(shì)不明顯。R/S分析表明，西江下游徑流未來變化趨勢(shì)與66a來的徑流變化趨勢(shì)相同，呈持續(xù)遞減的趨勢(shì)。

(2)西江流域下游梧州站汛期4月～6月和8月～10月逐月徑流呈不同程度的遞減趨勢(shì)，非汛期逐月徑流呈增加趨勢(shì)，可知汛期洪水得到削弱，非汛期水量有所補(bǔ)充，表明龍灘下游干流水利工程具有一定的調(diào)節(jié)能力；但從7月徑流增加趨勢(shì)來看，干流水利工程仍不能滿足西江流域防洪需求，尤其是對(duì)遷江站至梧州站區(qū)間洪水的調(diào)控。

(3)在對(duì)梧州站不同序列長(zhǎng)度的年徑流變異分析中發(fā)現(xiàn)，Mann-Kendall檢驗(yàn)法的檢驗(yàn)結(jié)果易受序列長(zhǎng)度影響。通過M-K法結(jié)合滑動(dòng)T檢驗(yàn)變異點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行變異等級(jí)判定得到：1954年為中度變異，2002年為無明顯變異。

(4)從小波周期性分析表現(xiàn)來看，西江下游徑流存在22、15、5a3類時(shí)間尺度的周期性變化規(guī)律。其中，第一和第二主周期分別是22a和15a。預(yù)測(cè)在2015年～2020年后前后，西江下游徑流在22a尺度上將處于偏枯期而15a尺度下為小幅偏豐期。