李 穎，姚 奕

（1.湖南省水文儀器設(shè)備檢測(cè)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.湘潭水文水資源勘測(cè)中心，湖南 湘潭 411100）

引 言

流域的徑流年內(nèi)分配具有不均勻性，這種不均勻性與徑流的補(bǔ)給條件密切相關(guān)，不均勻性特征值的變化對(duì)應(yīng)著補(bǔ)給條件的改變，氣候的變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響也對(duì)不均勻性特征值的變化有著重要的驅(qū)動(dòng)作用。

王金星、張建云（2008）等在《水科學(xué)進(jìn)展》中利用不均勻系數(shù)、完全調(diào)節(jié)系數(shù)、集中度、集中期等對(duì)近50年來(lái)中國(guó)六大流域徑流年內(nèi)分配特征進(jìn)行了量化研究[1]，楊遠(yuǎn)東（1984）在《地理學(xué)報(bào)》中基于湯奇成等用借鑒降雨量年內(nèi)分配的向量法表示徑流年內(nèi)分配，提出了用集中度、集中期作為特征值量化表示徑流年內(nèi)分配特征的計(jì)算方法，并比較了集中度和不均勻系數(shù)表示年內(nèi)徑流分配特征對(duì)各月徑流量敏感性的強(qiáng)弱，認(rèn)為年徑流不均勻系數(shù)對(duì)年內(nèi)各月量的敏感性不如集中度明顯，集中度和集中期表示年徑流年內(nèi)分配是一種可行的良好方法[2]。本文基于對(duì)流域內(nèi)不均勻系數(shù)、調(diào)節(jié)系數(shù)、集中度、集中期4個(gè)定量化流域年內(nèi)徑流分配特征值的計(jì)算，利用Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，線(xiàn)性趨勢(shì)分析法對(duì)其變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，并探討其成因，以期對(duì)流域內(nèi)水資源的開(kāi)發(fā)利用和水利工程的規(guī)劃布局提供可靠依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

資水自邵陽(yáng)縣雙江口以上分為左右兩支，左支為赧水，是資水正源，右支為夫夷水。資水流域面積28113 km2，全長(zhǎng)661 km，平均坡降0.462‰。

資水流域?qū)儆趤啛釒駶?rùn)性大陸季風(fēng)氣候，具有“氣候溫和，四季分明，嚴(yán)寒期短，暑熱期長(zhǎng)，熱量充足，雨水集中，春溫多變，夏秋多旱”的特點(diǎn)，流域多年平均降水量1 481.8 mm，最大月降水多出現(xiàn)在6月，多年平均最大月降水占全年降水的13%～20%，最小月降水多出現(xiàn)在12月，多年平均最小月降水占全年的1.6%～4.0%。資水流域降雨多集中于4—7月，沿雪峰山脈為降雨高值區(qū),衡邵丘陵區(qū)為降雨低值區(qū)。

資水流域建成了筱溪、柘溪、馬跡塘、修山、六都寨等系列梯級(jí)水利水電工程，人為地削豐補(bǔ)枯調(diào)節(jié)徑流,改變了流域自然水文情勢(shì)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文收集了資水流域干流的冷水江和桃江（二）兩個(gè)水文站1956—2016年的實(shí)測(cè)月徑流資料作為分析資水流域徑流年內(nèi)分配變化規(guī)律的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其中部分缺失的資料采用插補(bǔ)方法進(jìn)行補(bǔ)充完整，所有實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)均來(lái)自湖南省水文水資源勘測(cè)中心。冷水江站位于資水流域中游，桃江（二）站位于資水流域下游出口處。

2 研究方法

2.1 徑流年內(nèi)分配特征值的計(jì)算

本文對(duì)徑流年內(nèi)分配特征進(jìn)行了定量化，利用分別位于資水流域中游和下游的冷水江站和桃江（二）站的實(shí)測(cè)月徑流資料進(jìn)行流域年內(nèi)徑流分配特征定量計(jì)算，定量值有：完全年調(diào)節(jié)系數(shù)Cr、年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cu、集中度Cn和集中期D。鄭紅星、李艷、王兆禮等分別在黃河源區(qū)、北江流域等地采用了這些參數(shù)對(duì)其流域的年內(nèi)徑流分配特征進(jìn)行了相關(guān)研究和描述，方法可行且效果良好，其計(jì)算方法參考相關(guān)文獻(xiàn)[3～4]。

通過(guò)對(duì)該方法的研究可知，完全年調(diào)節(jié)系數(shù)Cr、年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cu數(shù)值越大，則說(shuō)明徑流年內(nèi)分配越不均勻，各月徑流量相差越大，集中度Cn數(shù)值越大，則說(shuō)明徑流年內(nèi)分配越集中，D則表示集中的日期。

2.2 徑流年內(nèi)分配特征值的變化趨勢(shì)分析

采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法和線(xiàn)性?xún)A向法2種方法相互印證，對(duì)反映徑流年內(nèi)分配特征的四個(gè)定量化特征值進(jìn)行趨勢(shì)變化分析，兩種方法簡(jiǎn)述如下：

1）Mann-Kendall檢驗(yàn)

Mann-Kendall非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗(yàn)法，簡(jiǎn)稱(chēng)M-K法。曹潔萍等在將此法應(yīng)用于降雨趨勢(shì)分析中指出：Mann-Kendall檢驗(yàn)法是在時(shí)間序列趨勢(shì)分析中，世界氣象組織推薦并已經(jīng)廣泛使用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，許多學(xué)者已經(jīng)將其應(yīng)用在降雨、徑流、氣溫和水質(zhì)等要素在時(shí)間序列中的趨勢(shì)變化分析，該方法不需要樣本遵從一定的分布，也不受到少數(shù)異常極值的干擾，計(jì)算簡(jiǎn)便，非常適用于水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析[5]。

2）線(xiàn)性?xún)A向法

用xi表示樣本量為n的某一變量，用ti表示xi所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，建立xi與ti間的一元線(xiàn)性回歸方程

xi=a+bti(i=1,2,…,n)

式中 a——回歸常數(shù)；

B——回歸系數(shù)。

利用最小二乘法估計(jì)a和b?；貧w系數(shù)b的符號(hào)表示變量x的趨勢(shì)傾向，b>0說(shuō)明x隨時(shí)間t的增加而呈上升趨勢(shì),反之x呈下降趨勢(shì),通常又稱(chēng)b為傾向值。

3 結(jié)果與分析

3.1 資水流域徑流年內(nèi)分配特征值和變化趨勢(shì)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)資水流域干流的冷水江和桃江（二）兩個(gè)水文站1956—2016年的實(shí)測(cè)月徑流資料，逐年計(jì)算各水文站的年內(nèi)分配特征值，分別得到兩個(gè)水文站1956—2016年的4個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度為61年的年內(nèi)分配特征值系列，再將61年的特征值系列分成1956—1980年、1981—2000年和2001—2016年3個(gè)特征值系列，分別計(jì)算各個(gè)特征值系列的平均值，其結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 資水流域2個(gè)水文站徑流年內(nèi)分配特征值和特征值變化趨勢(shì)分析結(jié)果表

采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法和線(xiàn)性?xún)A向法對(duì)4個(gè)特征值1956—2016年系列進(jìn)行趨勢(shì)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，線(xiàn)性關(guān)系圖見(jiàn)圖1。

圖1 資水流域2個(gè)水文站徑流年內(nèi)分配特征值序列及線(xiàn)性關(guān)系圖

表2 資水流域2個(gè)水文站徑流年內(nèi)分配

3.2 資水流域徑流年內(nèi)分配特征值變化趨勢(shì)分析探討

分析結(jié)果顯示，流域內(nèi)徑流年內(nèi)分配不均勻性呈減小趨勢(shì)，即流域內(nèi)徑流年內(nèi)分配正趨于均勻化，這與流域內(nèi)大量的水利發(fā)電工程的興建有著密切的關(guān)系，根據(jù)1995年《資水流域規(guī)劃報(bào)告》可知，資水開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧防洪、灌溉、航運(yùn)及其他綜合利用，自20世紀(jì)70年代以來(lái)，流域內(nèi)建成了筱溪、柘溪、馬跡塘、修山、曬谷灘等眾多中型水庫(kù)，雙江口以下資水干流規(guī)劃有13級(jí)水利水電工程，這些水利工程的興建，對(duì)資水流域內(nèi)的徑流起到了非常大的調(diào)蓄作用，極大地影響了流域內(nèi)徑流年內(nèi)分配的不均勻性。

1）同一系列年不同水文站對(duì)比結(jié)果顯示，上游的冷水江站徑流年內(nèi)分配特征值比下游的桃江（二）站更大，主要考慮兩個(gè)方面的因素影響：一是流域自身的調(diào)蓄作用，下游的桃江（二）站集水面積較上游的冷水江站更大，相應(yīng)的流域調(diào)蓄作用會(huì)更大，所以徑流年內(nèi)分配會(huì)更均勻；二是因?yàn)樗こ虜?shù)量的增加，同樣會(huì)對(duì)徑流的調(diào)蓄作用更大。

2）同一水文站不同系列年之間比較顯示，1956—1980年系列與1981—2000年系列相比下降幅度明顯，而1981—2000年系列與2001—2016年系列特征值的平均值基本沒(méi)有變化，考慮其主要的影響因素與資水流域內(nèi)極端降雨的時(shí)空分布有關(guān)。李兵、章新平等對(duì)資水流域極端降水量時(shí)空變異特征研究中指出：資水流域的年最大日降水量，上游在20世紀(jì)60年代呈減少趨勢(shì)，90年代后呈增加趨勢(shì)，中游20世紀(jì)60年代呈現(xiàn)明顯波動(dòng)，70年代后整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，尤其是90年代后增加趨勢(shì)越來(lái)越顯著；下游20世紀(jì)90年代前波動(dòng)特征明顯，90年代后呈增加趨勢(shì)，增加趨勢(shì)較明顯[6]?？梢?jiàn)，資水流域整體在20世紀(jì)90年代后極端降雨呈增加趨勢(shì)，也就是說(shuō)降雨分配的不均勻性增加了，而隨著流域內(nèi)水利工程數(shù)量的增加，降雨分配不均勻性增加給徑流年內(nèi)分配帶來(lái)的影響相應(yīng)的削減了，所以導(dǎo)致1981—2000年系列與2001—2016年系列特征值的平均值基本不發(fā)生變化。

3）采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法進(jìn)行趨勢(shì)計(jì)算結(jié)果顯示，冷水江站不均勻系數(shù)Cu、完全年調(diào)節(jié)系數(shù)Cr均通過(guò)了99%的置信度顯著性檢驗(yàn)，而集中度Cn未通過(guò)90%的置信度顯著性檢驗(yàn)，此結(jié)果印證了文章上述所提到的年徑流不均勻系數(shù)Cu對(duì)年內(nèi)各月量的敏感性不如集中度Cn明顯。對(duì)冷水江站集中度Cn未通過(guò)90%的置信度顯著性檢驗(yàn)進(jìn)行分析認(rèn)為，與冷水江站集水區(qū)域內(nèi)的極端降水有關(guān)，資水流域上游存在2個(gè)極端過(guò)程降水量與極端日降水量較大值區(qū)，一個(gè)位于城步，另一個(gè)位于隆回，同時(shí)還存在1個(gè)極端過(guò)程降水量最小值區(qū)位于“武岡－邵陽(yáng)－新邵”一帶。從不均勻系數(shù)和集中度的計(jì)算公式可知，影響不均勻系數(shù)數(shù)值的決定性因素是各月偏離月平均徑流值之和，而影響集中度數(shù)值的決定性因素是單月最大徑流量的值，綜上因素，造就了冷水江站集中度Cn減少趨勢(shì)不顯著的計(jì)算結(jié)果。

4）流域集中期D有上升趨勢(shì)，但上升趨勢(shì)不顯著，分析與流域內(nèi)氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)有關(guān)，大氣環(huán)流和氣候的變化以及對(duì)水熱條件影響的變化，將引起降雨時(shí)空分布的變化，從而導(dǎo)致徑流在時(shí)空分布上的變化。隨著全球氣候變暖和人類(lèi)活動(dòng)加劇，流域水文過(guò)程必然會(huì)發(fā)生巨大變化。

4 結(jié) 論

對(duì)資水流域中游和下游的冷水江水文站和桃江（二）水文站的徑流年內(nèi)分配特征進(jìn)行定量計(jì)算，定量值有：完全年調(diào)節(jié)系數(shù)Cr、年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cu、集中度Cn和集中期D，并采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法和線(xiàn)性?xún)A向法2種方法對(duì)流域徑流年內(nèi)分配特征的4個(gè)定量化特征值進(jìn)行趨勢(shì)變化分析計(jì)算，主要結(jié)論如下：

1）資水流域中上游的年內(nèi)分配不均勻性要大于流域中下游；徑流集中期流域中上游與中下游對(duì)比相差不大，近似相等。

2）受到水利工程建設(shè)等方面的影響，資水流域徑流年內(nèi)分配正在趨于均勻，由于后期受到流域內(nèi)極端降雨趨勢(shì)增加的影響，導(dǎo)致在時(shí)間序列內(nèi)前期均勻化速度快于后期。

3）資水流域中上游的年內(nèi)徑流分配不均勻性減小速度要快于中下游。

4）受到氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響，流域集中期D有上升趨勢(shì)，但不顯著。