1956-2018年长江上游寸滩站径流演变特征.pdf

2023年11月引用格式：康亚静，黄婷婷，刘宇.19 5 6 2 0 18 年长江上游寸滩站径流演变特征 J.水利水电快报,2 0 2 3,4 4（11）：17-2 4.水利水电快报EWRHI第 4 4 卷第 11 期1956 2 0 18 年长江上游寸滩站径流演变特征康亚静,黄婷婷?,刘（1.中国南水北调集团水网水务投资有限公司，北京10 0 14 2；2.黄河水利科学研究院，河南郑州450003；3.西北农林科技大学水利与建筑学院，陕西杨凌7 12 10 0；4.中国水利水电科学研究院水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，北京10 0 0 3 8)摘要：厘清流域径流变化特征可为水资源利用开发、水环境污染整治和水旱灾害防治等提供重要的理论基础。基于19 5 6 2 0 18 年长江上游寸滩水文站日径流资料，采用线性回归、MannK e n d a ll突变检验、小波分析等多种方法，对近6 0 a长江上游径流的年内年际变化、突变性和周期性进行分析。结果表明：寸滩站径流主要集中在7 9 月,约占全年的5 1.9 8%,且年际变化差异较大；年均径流以10.6 m/(sa)的速率呈不显著减小趋势，该变化主要受夏季和秋季径流变化的影响；受夏季径流变化的影响，年均径流在19 6 8 年发生突变，突变后径流相对减少7.8%；年均径流变化的第一和第二主周期分别为2 8 a和14 a,第一主周期主要受秋季径流的影响，第二主周期主要受夏季径流的影响。研究成果可为流域水资源合理开发利用、生态规划和洪涝灾害防控等提供参考。关键词：径流演变；趋势分析；突变性；周期性；寸滩站；长江上游中图法分类号：TV121文章编号：10 0 6-0 0 8 1(2 0 2 3)11-0 0 17-0 80 引 言随着全球气候变化，流域水文循环过程在一定程度上发生改变，给水资源开发利用带来重大挑战 1-3 。同时，人类活动直接影响（如取用水、水资源管理等)或间接影响（如土地利用方式、下垫面变化等)着流域的产汇流机制，进而导致河川径流发生变化 4-5 。在气候变化和人类活动共同作用下，流域水文变化规律研究成为水资源领域的热点课题之一 6-7 ，特别是在水资源丰富且开发条件优越的长江流域。径流是流域水文循环过程的重要指标,其变化特征一直受国内外学者密切关注，但受自然因素和人为因素的共同影响，径流形成与演变的过程既有确定性又有模糊性,其中确定性主要表现为突变性和周期性等 8-9 。罗玉等 10 采用滑动t检验、小波分析等方法分析了长江源区径流突变和周期变化特征，结果表明长江源区19 6 12 0 16 年径流总体呈增收稿日期:2 0 2 3-0 4-0 4基金项目：国家自然科学基金(5 19 0 9 2 7 4)作者简介：康亚静，女，工程师，主要研究方向为水利规划与管理。E-mail:通信作者：刘宇，男，博士研究生，主要研究方向为水文学及水资源。E-mail:宇3，4文献标志码：AD0I:10.15974/ki.slsdkb.2023.11.003加趋势。万智巍等 11 采用累积距平、Mann-Ken-dall 非参数检验法分析了长江入海流量变化的长期趋势，结果表明近15 0 a来长江入海流量呈减小趋势。魏晓玥等 12 研究了金沙江上游近6 0 a径流变化特征,结果表明径流呈较弱的下降趋势。长江是中国第一大河流，也是世界第三大河流，因其水资源丰富且开发条件优越，流域水资源开发已成为带动当地经济发展的重要环节 13 。然而，长江流域因其特殊的地理位置和典型的季风性气候环境导致洪涝频发，这对经济和社会的可持续发展造成了严重影响 14 。此外,在2 0 世纪8 0 年代后，长江流域水利水电工程建设和水土保持工程得到全面发展,致使流域径流变化规律发生重大改变 15-16 。随着水资源开发力度的增大,河流原有生境破碎化等一系列生态环境问题日益出现，水资源开发与生态环境保护之间的矛盾日益突出 17 。因此,针对长江流域径流开展研究，结合长时间序列的径流资料分析径流演变规律,对提升流域水资源利用开发和合理配置，生态环17.2023年11月境保护、水旱灾害防治等具有重要意义。本文基于寸滩水文站（简称“寸滩站”）19 5 6 2018年日径流资料，采用线性回归、累积距平、滑动t检验、Mann-Kendall 突变检验、小波分析法等多种方法，对长江上游径流年内年际变化特征、趋势性、突变性和周期性进行研究，旨在为长江上游水资源合理开发利用及生态保护提供科学参考。1研究区域概况及数据来源1.1石研究区域概况长江发源于青藏高原的唐古拉山脉，自西向东流经青海省、西藏自治区、四川省、云南省、重庆市、湖北省等,最终注人东海，全长为6 3 8 7 km,控制面积约1.8 0 10 km。干流宜昌以上为长江上游，上游干流全长约为4 5 0 0 km，流域面积1.0 0 10 km。寸滩站位于重庆市江北区寸滩三家滩，是长江上游重要的基本水文站（图1）。研究区属于西南热带季风和青藏高寒气候区，气候和水文变化特性具有明显的季节性,径流以降水补给为主,多年平均降水量为2 5 0 14 0 0 mm。另外,降水和径流均集中在4 9 月份，分别占全年的8 0%和7 0%18 沱沱河工宜昌河乌江河流重庆市长江上游流城图1长江上游及水文站点位置Fig.1 Location of hydrological station in upperreaches of the Yangtze River1.2数据来源本研究选取长江上游干流主要控制站寸滩站19562 0 18 年实测逐日径流资料，该资料来源于长江水利委员会水文局。此外,按照水文相关规定将四季划分为春季（3 5 月）、夏季（6 8 月）、秋季（911月）和冬季（12 月至次年2 月），以对长江上游径流年内、年际变化特征进行分析。2研究方法2.1线性回归法本研究采用线性回归法，利用年份（自变量）和:18.水利水电快报EWRHI径流（因变量)线性回归的斜率来量化径流的变化趋势，计算公式如下 19 ：nx(ixx.)-Zix2i-1i=1L=nxZ2-(i)=式中;n为年数;x;为第i年的径流,m/s;L为斜率，m/(s:a)。2.2Mann-Kendall突变检验Mann-Kendall突变检验（简称M-K检验）已广泛应用于水文要素时间序列的趋势变化分析。M-K检验计算公式如下 2 0 ki-1Ss=ay(h=2,3,n)式中：S.为构造秩序列;k为小于等于n且不等于j的常数;为x;,(1ji)的样本累积值,计算公式见式(3)。ro(xx,且1ji)=l1(x;xj,且1ji)式中:x,和x;分别为第i和j年的径流,m/s。基于S,可计算得到UFk，计算公式如下：S:-E(S,)UF=VV(S)大河式中：E(S.）和VS.）分别为均值和方差,计算公式金沙江见式(5)。E(S.)一k(k-1)(2k+5)V(S.):72将时间序列x;按逆序排列,计算得到统计量UBk,若UF和UB两条曲线存在交点并位于临界线之间,则突变点为交点对应时间。2.3累积距平法累积距平法可用于直观判断水文要素变化趋势，同时可根据累积距平值的最大值或最小值出现位置判断突变点，计算公式如下 2 1-2 2 ：6,=Z(x;-x)=1式中：,和x分别为第t年的累积距平值和多年平均径流,m/s。2.4滑动t检验滑动t检验通过把水文要素时间序列划分为两第 4 4 卷第 11 期i(h=1,2,3,n)(4)k(k+1)4(1)(2)(3)(5)(6)康亚静等19 5 6 2 0 18 年长江上游寸滩站径流演变特征个子序列,并依据两个子序列的均值在一定显著性水平下有无显著差异判断样本是否发生突变，计算公式如下 2 0,2 3 ,(7)t=1SVn2式中：x和x分别为样本x和xz的平均值；n和n2分别为两个样本的个数；s为统计量，计算公式见式(8)。Mi+S=ni+n2-2式中：s2和s2分别为样本和x2的方差。2.5小波分析小波分析主要通过小波函数来逼近或表示一个信号，在实际应用中为减小或消除时间序列两端的边界效应，需要对时间序列两端数据进行适当的延伸。小波函数具有震荡性且能够迅速衰减到零,即(0)EL(R)且满足下式 2 4-2 5 1(t)dt=0式中：山(t)为小波函数,本研究基于径流时间序列特征，采用Morlet小波函数，计算公式见式（10）。4(t)=ee式中：为常数;t为时间。小波系数的方差能够反映不同种尺度的变化强弱及其主周期，计算公式如下：Var(a)=J/W,(a,b)2db式中:W(,b)为变换系数;和b分别为尺度因子和时间因子。3结果分析3.1径流变化特征3.1.1年内分布特征近6 0 a寸滩站各月和四季径流分布特征如图2所示。长江上游径流不均匀系数为0.7 0,年内分布具有强烈的不均匀性,径流主要集中在7 9 月，占全年径流的5 1.9 8%，而12 月至次年4 月的径流仅占15.2 4%。此外，春季、夏季、秋季和冬季的多年平均径流分别为0.5 2 万m/s、1.9 8 万m/s、1.4 2万m/s和0.3 9 万m/s，冬季径流最为集中，夏季径流最为分散。3.1.2年际演变特征基于19 5 6 2 0 18 年寸滩站实测流量序列，采用654-321234567891011112月份(a)月径流分布特征(8)(a)Characteristics of monthly runoff distribution4320春季(9)(b)季径流分布特征(b)Characteristics of seasonal runoff distribution注：图（a)上方横坐标对应占比，下方横坐标对应流量。2(10)(11)20口平均流量区最大流量最小流量夏季季节图2 径流年内分布特征Fig.2 Characteristics of annual runoff distribution线性回归法对长江上游年均和四季径流变化趋势进行分析（图3）。由图3 可知，年均径流为1.0 8 万m/s，年最大流量和最小流量分别为1.3 5 万m/s（19 6 8 年）和0.7 9 万m/s（2 0 0 6 年）。年均径流存在明显的年际变化特征，极值比和变差系数分别为1.70和0.11。近6 0 a，长江上游流量呈不显著（未通过=0.1显著性检验)减小趋势，减小速率为10.6m/（s a)。此外,基于R/S分析法计算出年均径流的Hurst指数为0.7 1（0.5），表明年均径流将继续维持原变化趋势，即未来年均径流将呈减小趋势。从不同季节流量变化来看，春季和冬季的流量呈波动增加趋势，增加速率分别为10.3 m/（s a）和14.4 m/（s a)；夏季和秋季的流量呈波动减小趋势，减小速率分别为3 6.4 m/（s a）和3 0.3m/（s a)。这表明长江上游年均径流变化的主要原因是夏季和秋季流量减小。寸滩站年均径流和四季径流各年代距平的变化特征如图4 所示。近6 0 a，长江上游年均径流仅在20世纪6 0 年代和8 0 年代超过平均值，其余均小于平均值,尤其是2 0 0 0 年后径流明显减少。此外，长19.40%/1号60-80100秋季冬季2023年11月1.4(S.,叫LO)/鲁0.8FJ=3.18-0.00106xR=0.0250.60S6109610L6108610661年份(a)年径流变化(a)Changes in annual runoff3.2J-9.21-0.00364x2.80.0402.42.01.61.20S610961()夏季径流变化(c)Changes in summer runoff0.6(,s.,u)/鲁y=-2.48+0.00144x0.5R0.3540.40.30S6109610L6108610661年份(e)冬季径流变化(e)Changes in winter runoff图3 年均径流和四季径流变化趋势Fig.3Annual runoff and seasonal runoff change trend江上游径流季节分配规律为：夏季 秋季 春季冬季,但在2 0 0 0 年前，春季和冬季径流各年代变化相对平稳，夏季和秋季的波动较大,2 0 0 0 年后春季和冬季径流明显增大,夏季和秋季相对减少，主要原因是上游人类活动对径流年内分配造成了影响 2 6 。3.2突变特征分析利用M-K检验、累积距平和滑动t检验等方法对寸滩站年均径流和四季径流时间序列进行突变分析,如图5 所示。M-K检验结果表明,年均径流在19 6 1,19 7 0,2 0 0 2 年通过9 5%置信度检验；由累积距平法可知发生突变的年份为19 6 8 年和2017年；由步长为10 的滑动t检验可知在0.0 1显著水平下发生突变的年份为19 6 8 年。综合3 种突变检验结果认为长江上游在19 6 8 年发生显著突变,突变前多年平均流量为1.15 万m/s,突变后多年平均流量为1.0 6 万m/s，突变后流量相对减少了7.8%。从不同季节径流突变检验结果来看，20.水利水电快报EWRHI0.8长江上游春季流量并未发生显著突变；夏季和冬季流量分别在19 6 8 年和19 9 8 年发生显著（0.0 10.6显著水平)突变；累积距平和滑动t检验结果均表0.4明秋季流量在19 9 0 年发生显著（0.0 5 显著水平）J-1.52+0.00103xR-0.0390.2OS6109610L610861年份(b)春季径流变化(b)Changes in spring runoff2.4y=7.44-0.00303.x(S.uLO/吾2.01.61.20.80L610661年份第 4 4 卷第 11 期减小的突变。这表明年径流的突变主要受夏季流0661量变化的影响。0.100.08(,s.叫)/明善0.060.04R0.0430.020-0.020000S6109610L610861年份(d)秋季径流变化(d)Changes in autumn runoff0661-0.04-0.060.30.2(s.叫)/吾0.10-0.1-0.2-0.3图4 年径流和季径流年代变化特征Fig.4Characteristics of chronological changes of annualrunoff and seasonal runoff3.3周期特征分析小波系数实部和方差能够反映水文要素变化的周期特征（图6）。依据小波系数实部图，年均径流在2 4 3 2 a时间尺度上周期变化最明显，在1123a时间尺度上周期变化次之,在5 10 a时间尺度上周期变化最弱。依据方差图，年均径流演变过程中存在14 a和2 8 a两个时间尺度的主周期,2 8 a时间尺度对应最大峰值，为长江上游年均径流演变的第一主周期;14 a时间尺度对应第二峰值,为年径流演变的第二主周期。另外,在5 a和8 a时间尺度上196919791960年份(a)年径流(a)Annual runoff口春季夏季一秋季口冬季6S619S61600元198919991979086119601970(b)Seasonal runoff199%08611990年份(b)季径流200020008102康亚静等19562018年长江上游寸滩站径流演变特征31.220.90.600.3-1UB-20.05显著水平0.01显著水平319501960197019801990200020102020(a)年均径流的M-K检验(a)M-K test for annual runoffr20-1-219501960197019801990200020102020(d)春季径流的M-K检验(d)M-K test for spring runoff3UF2.01显著永10-1-2-319501960197019801990200020102020(g)夏季径流的M-K检验(g)M-K test for summer runoff5UF4-0.01显著水平32鲁111-2-3-4519501960197019801990200020102020)秋季径流的M-K检验()M-K test for autumn runoff86420-2-4-619501960197019801990200020102020(m)冬季径流的M-K检验(m)M-Ktest forwinterrunoffFig.5 Abruptness characteristics of annual runoff and seasonal runoff也存在着两个微弱的峰值，可视为波动予以忽略。总的来说，长江上游年均径流变化的周期特征由14a和2 8 a两个主周期控制,尤其是第一主周期2 8 a32统1-2-0.3-319501960197019801990200020102020196019701980199020002010年份年份(b)年均径流的累积距平(b)Cumulative anomaly of annual runoff0.3-0.3UFUB-0.01显著永平0.05显著水平年份UB0.05显薯永平年份UB0.05显著水平年份UFUB0.01显著水平，0.05显著水平年份0.01显著水平年份(c)年均径流的滑动检验(c)Sliding Itest forannual runoff32110-0.6-2-0.9-3195019601970198019902000201020201960197019801990 2000 2010年份年份(e）春季径流的累积距平()春季径流的滑动检验(e)Cumulative anomalyof spring runofr(f)Sliding I test for spring runoff2.532.021.511.000.5-10-2-0.5-319501960197019801990200020102020196019701980199020002010年份年份(h)夏季径流的累积距平()夏季径流的滑动检验(h)Cumulative anomaly of summer runoff(i)Sliding t test for summer runoff33221010-2-31950196019701980199020002010202019601970198019902000 2010年份年份(k)秋季径流的累积距平(）秋季径流的滑动检验(k)Cumulative anomaly of autumn runoff()Sliding Itest for autumn runoff0.332010-0.3-1-0.6-2-3-0.9-4195019601970198019902000201020201960 19701980199020002010年份年份(n)冬季径流的累积距平(）冬季径流的滑动检验(n)Cumulative anomaly of winter runoff(o)Sliding Itest forwinterrunoff图5 年径流和季径流突变特征时间尺度主导着年均径流的丰枯变化。在季节尺度上，春季流量变化存在6,11a和21a三个时间尺度的主周期,并可能存在更大时间尺.210.05显著水平0.01显著水平0.05显著水平0.01显著水平0.05显著水平0.01显著水平0.05显著水平0.01显著水平0.05显著水平2023年11月水利水电快报EWRHI第4 4 卷第11期3000200010000-1000-2000-3000%19601980年份2000202008时间尺度/a(a)年径流小波系数实部(a)Annual runoff wavelet coefficients real part150010005000-500-1000-150019601980年份200020200(c)春季径流小波系数实部(c)Spring runoff wavelet coefficients real part4800320016000-1600-3200-480019601980200020200时间尺度/a(e)夏季径流小波系数实部(e)Summer runoff wavelet coefficients real part7500500025000长-2 5 0 0-7500Y9601980200020200时间尺度/a(g）秋季径流小波系数实部(g)Autumn runoff wavelet coefficients real part8006004002000-200-400-60019601980年份200020200时间尺度/a()冬季径流小波系数实部(i)Winter runoff wavelet coefficients real part图6 年径流和季径流周期特征Fig.6 Annual runoff and seasonal runoff cycle characteristics度上的主周期;夏季流量变化存在5,11a和2 7 a三个时间尺度的主周期,并以11 a时间尺度为第一主周期；秋季流量变化存在8 a和2 9 a两个时间尺度的主周期,并以2 9 a时间尺度为第一主周期；冬季2220601084108-868-1844-28203224163216尺度/a时间尺32-458024168322416321.81.5(.01x)/1.20.90.60.30(b)Annual runoffwavelet coefficients variance4.013003.57923.0(01x)/284-224-732-124038202140460-1220-290052502920590-1740-4070-6400650408166-76-318-5605101520253035时间尺度/a(b)年径流小波系数方差1.00.50(d)Spring runoffwavelet coefficients variances5.04.0(01x)/43.02.01.00(f)Summer runoffwavelet coefficients variance10.08.0(01x)/6.04.02.00(h)Autumn runoff wavelet coefficients variance1.00.8(oLX)/0.60.40.20()Winter runoffwavelet coefficients variance流量变化存在7 a和2 1a两个时间尺度的主周期，并可能存在更大时间尺度上的主周期。总的来看，长江上游年径流在长时间尺度上的第一主周期主要受秋季径流变化的影响，短时间尺度上的第二主周5101520253035时间尺度/a(d)春季径流小波系数方差5101520 253035时间尺度/a()夏季径流小波系数方差5101520253035时间尺度/a(h)秋季径流小波系数方差5101520253035时间尺度/aG）冬季径流小波系数方差康亚静等19 5 6 2 0 18 年长江上游寸滩站径流演变特征期主要受夏季径流变化的影响。4结 论本研究基于寸滩水文站19 5 6 2 0 18 年日径流资料,采用M-K检验、滑动t检验、小波分析等方法,对长江上游径流的年内年际变化、突变性和周期性进行分析,结果表明：（1）长江上游径流季节分配符合夏季 秋季春季 冬季的特点,且在2 0 0 0 年后人类活动对径流的年内分配造成了明显的影响。（2）近6 0 a,受夏季和秋季径流减小的影响,年径流以10.6 m/（s a)的速率减小,且未来将继续呈减小趋势。（3）年均径流在19 6 8 年发生显著减小的突变，突变后减小7.8%，且突变主要受夏季径流变化的影响。（4）年均径流的丰枯变化由2 8 a时间尺度的第一主周期所主导,同时受14 a时间尺度的第二主周期影响。此外，年径流的第一主周期主要受秋季径流的影响,第二主周期主要受夏季径流的影响。参考文献：1 CHEVUTURI A,KLINGAMAN N P,TURNER A G,etal.Projected changes in the East Asian hydrological cyclefor different levels of future global warming J.Atmos-phere,2022,13(3):405.2王大超，杜丽芳，路贺，等.大通河流域近6 0 年径流变化特征和趋势分析 J.水利水电快报，2 0 19,4 0（4)：17.-21.3XU Y P,ZHANG X J,RAN Q H,et al Impact of climatechange on hydrology of upper reaches of Qiantang RiverBasin,East China J.Journal of Hydrology,2013,483:51-60.4HU Y N,DUAN W L,CHEN Y N,et al.An integrated as-sessment of runoff dynamics in the Amu Darya River 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Changjiang River from 1956 to 2018第4 4 卷第11期KANG Yajing*,HUANG Tingting,LIU Yu.(1.China South-to-North Water Diversion Group Water Network Water Investment Co.,Lid.,Bejing 100142,China;2.YellowRiver Institute of Hydraulic Research,Zhengzhou 450003,China;3.College of Water Resources and Architectural Engineering,Northwest A&F University,Yangling 712100,China;4.Research Center on Flood and Drought Disaster Reduction of Ministry ofWater Resources,China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038,China)Abstract:Clarifying the characteristics of runoff changes in the watershed can provide an important theoretical ba-sis for water resources utilization and development,water environment pollution control,and flood and drought disas-ter prevention.Based on the daily runoff data of Cuntan Hydrologic Station from 1956 to 2018,this study used linearregression,Mann-Kendall mutation test,wavelet analysis,and other methods to analyze the annual and inter-an-nual variation,abruptness and periodicity of runoff in the upper reaches of the Changjiang River in the past 60years.The results showed that the runoff of Cuntan Hydrological Station was mainly concentrated in July to Septem-ber,accounting about 51.98%of the whole year,and the inter-annual variation was great.The annual runoff de-creased at a rate of 10.6 m/(s a),which was mainly affected by the runoff in summer and autumn.Affected bythe change of summer runoff,the annual runoff had an abruptness change in 1968,and the runoff decreased by7.8%after the abruptness change.The first and second major change cycles of annual runoff were 28 years and 14years,respectively.The first major cycle was mainly affected by autumn runoff,and the second major cycle wasmainly affected by summer runoff.The research results can provide a decision-making basis for rational develop-ment and utilization of water resources in the basin,ecological planning and flood disaster prevention and control.Key words:runoff evolution;trend analysis;mutagenicity;periodicity;Cuntan Hydrologic Station;upper reachesof Changjiang River欢迎关注“水库大坝之声”微信公众号24.