近60年來西江流域年輸沙量變化特征分析

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(中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司，廣東廣州510610)

受氣候變化和人類活動影響，水文序列往往容易發(fā)生變異而導(dǎo)致其原變化趨勢發(fā)生改變。目前，在水文序列趨勢變化和突變分析上廣泛采用的方法是Mann-Kendall法[1]。此方法是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，可檢驗(yàn)水文時間序列的變化趨勢和變化程度，即可揭示已發(fā)生的水文時間序列是上升還是下降趨勢和說明上升或下降趨勢變化是否顯著，但無法獲取水文序列未來的趨勢變化。大量的研究發(fā)現(xiàn)，水文時間序列具有統(tǒng)計(jì)自相似性，未來與過去存在相同或相反的變化特征，即具有分形特征[2-4]。R/S法是基于分形理論的提出的一種統(tǒng)計(jì)方法[5-6]，可用于分析獲取水文時間序列的分形特征，但無法確定水文序列未來趨勢變化是上升或下降。

鑒于R/S法和Mann-Kendall法分別在分析水文時間序列過去、未來趨勢變化上各有特點(diǎn)，本文嘗試將R/S法和Mann-Kendall法相結(jié)合，以西江梧州站1960—2015年年輸沙量時間序列為研究對象，力求揭示西江中上游年輸沙量時間序列的過去及未來的趨勢變化。

1 研究方法與資料

1.1 研究方法

水文時間序列趨勢變化分析常用分析方法有累積距平法、線性傾向估計(jì)法、滑動t檢驗(yàn)法、游程檢驗(yàn)法、Mann-Kendall法和R/S法等[7-8]。本文綜合運(yùn)用R/S法和Mann-Kendall法分析水文時間序列過去及未來的趨勢變化特征。

1.1.1R/S法

R/S分析法，也稱重標(biāo)極差分析法(Rescaled Range Analysis)，是由水文學(xué)家Hurst經(jīng)大量實(shí)證研究提出的一種非參數(shù)方法，可用于揭示非線性系統(tǒng)如水文時間序列長期記憶性[7]。其原理和方法是對給定某一時間序列，t=1，2，…，可構(gòu)建其極差和標(biāo)準(zhǔn)差：

(1)

赫斯特指數(shù)H(0

1.1.2Mann-Kendall法

Mann-Kendall法是基于秩的非參數(shù)檢驗(yàn)法[9-10]，檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量Z計(jì)算如下式：

(2)

當(dāng)統(tǒng)計(jì)量Z大于0時，時間序列呈上升趨勢，小于0時呈下降趨勢。給定置信水平α，若|Z|≥Z1-α/2，則時間序列數(shù)據(jù)存在顯著的上升或下降趨勢。當(dāng)α取5%時，|Z1-0.05/2|=1.96。

當(dāng)進(jìn)一步進(jìn)行時間序列突變分析時，其統(tǒng)計(jì)量計(jì)算式如下：

(3)

UFk服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，給定顯著性水平α，如果|UFk|≥Uα/2，則表明序列趨勢變化顯著。將時間序列x按逆序排列，再按照上式計(jì)算，同時使：

(4)

綜合分析UFk和UBk可進(jìn)一步獲取時間序列的趨勢變化、突變點(diǎn)以及突變區(qū)域。若UFk值大于0，表明時間序列呈上升趨勢；小于0則表明時間序列呈下降趨勢。當(dāng)它們超過臨界值時，表明時間序列上升或下降趨勢顯著。超過臨界值的范圍確定為出現(xiàn)突變的時間區(qū)域。如果UFk和UBk兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界直線之間，則交點(diǎn)對應(yīng)的時刻便為突變開始的時間。

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1.2 研究資料

本文使用的年徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)由水利部珠江水利委員會水文局提供，數(shù)據(jù)可靠。選取西江干流重要控制站梧州站為研究，資料年限接近60 a(1960—2015年)，系列較長，代表性好。

2 研究區(qū)概況

西江是珠江流域的主干流，從源頭至思賢滘全長2 075 km，平均坡降0.58‰，集水面積353 120 km2，占珠江流域總面積的77.8%。西江自馬雄山源頭下流，自西向東各河段依次稱為南盤江、紅水河、黔江、潯江和西江，總稱西江，西江流至思賢滘后匯入珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)。西江為少沙河流，多年平均含沙量在0.032～0.570 kg/m3之間(梧州站)。雖然含沙量較少，但由于年徑流量大，因此輸沙量較大，多年平均徑流量和輸沙量分別為2 017億m3和5 412萬t(梧州站，見表1)。同時，輸沙年際變化大，年輸沙量變差系數(shù)Cv值為0.60，極值比高達(dá)33.6。

梧州水文站位于西江下游，西江干流與支流桂江匯合口以下約3 km處，集水面積327 006 km2，占西江流域總集水面積的92.6%?？梢姡嘀菡臼俏鹘闪鞯闹匾刂普?，分析研究該站的泥沙變化特征，對了解西江流域中上游水庫建設(shè)后清水下泄的對泥沙變化的影響有著十分重要意義。西江流域水系見圖1。

圖1 西江流域示意

項(xiàng)目時段多年平均Cv最大值最小值極值比輸沙量1960—2000年6 705萬t0.4214 037萬t1 691萬t8.32001—2015年1 879萬t0.645 341萬t418萬t12.81960—2015年5 412萬t0.6014 037萬t418萬t33.6徑流量1960—2015年2 017萬m30.192 961萬m31 024萬m32.9

3 結(jié)果分析

西江梧州站1960—2015年年輸沙量的M-K突變檢驗(yàn)曲線見圖2，年徑流量M-K突變檢驗(yàn)曲線見圖3，逐年輸沙量及徑流量變化過程見圖4。西江梧州站1960—2015年年輸沙量和徑流量趨勢特征見表2。

3.1 年輸沙量趨勢分析

采用Mann-Kendall法對梧州站年輸沙量進(jìn)行檢驗(yàn)可得，梧州站1960—2015年輸沙量統(tǒng)計(jì)量Z=-5.22，|Z|>|Z0.05/2|=1.96，因此，梧州站輸沙量序列呈顯著下降趨勢(表2)。

3.2 年輸沙量突變分析

3.2.1突變點(diǎn)

由圖2可知，自1995年以來，西江中上游年輸沙量呈減少趨勢，且2001—2015年的減少趨勢大大超過α=0.05的臨界線。根據(jù)UF、UB曲線的交點(diǎn)位置，可以確定西江中上游輸沙量的減少為突變現(xiàn)象，突變點(diǎn)為2000年。

表2 西江梧州站1960—2015年年輸沙量和徑流量趨勢特征

突變點(diǎn)前后輸沙差異較大。由表1可知，1960—2000年多年平均輸沙量為6 705萬t，2001—2015年多年平均輸沙量為1 879萬t，下降幅度達(dá)72.0%；變差系數(shù)Cv值由0.42增大為0.64，極值比由8.3增大為12.8。

3.2.2原因分析

河流輸沙量變化受自然因素、徑流變化和人類活動等影響，其中人類活動主要有水庫大壩修建、水土保持措施等。限于資料，本文僅從徑流變化及流域大型建設(shè)攔沙兩方面進(jìn)行突變原因分析。

圖2 西江梧州站年輸沙量M-K突變檢驗(yàn)

a) 徑流變化。對梧州站1960—2015年徑流量進(jìn)行Mann-Kendall檢驗(yàn)分析，力求獲取該站輸沙量下降趨勢及突變是否與徑流量變化有關(guān)。梧州站1960—2015年徑流量Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z=-0.77(表1)，徑流量呈下降趨勢。梧州站年徑流量UF值在α=0.05的臨界線之間波動(圖3)，未超過顯著檢驗(yàn)，說明徑流量下降趨勢不明顯，這與圖4線性趨勢分析結(jié)果一致。另外，UF和UB曲線基本在臨界線內(nèi)波動，雖有幾個交點(diǎn)，但變化趨勢不顯著，且年徑流量Cv較小(Cv=0.19，表1)，不存在突變現(xiàn)象。由圖4可知，梧州站1960—2015年的逐年輸沙量和徑流量均呈鋸齒形震蕩，但輸沙量總體呈下降趨勢，而徑流量變化趨勢不明顯。從20世紀(jì)90年代中期開始，輸沙量呈減少趨勢，但徑流量仍圍繞多年平均值(2 017億m3，表1)波動，即徑流量并未與輸沙量序列同步波動。

b) 流域大型水庫攔截泥沙。西江干流泥沙主要來源于黔江，而黔江泥沙主要來源為紅水河[11]。流域各梯級水庫庫容復(fù)核顯示，天生橋一級水庫年均淤積量1 081萬m3(1985—2005年)，龍灘水庫年均淤積量2 384萬m3(2007—2016年)，巖灘水庫年均淤積量1 322萬m3(1993—2016年)，大壩攔沙影響明顯?？梢?，西江中上游年徑流量呈不顯著下降趨勢，輸沙量呈顯著下降趨勢且發(fā)生變異，但輸沙量的減少與變異與徑流量變化關(guān)系不大，主要受流域大型水利樞紐工程建設(shè)攔沙影響。西江中上游20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初期興建了多座大型水利樞紐工程，如天生橋一級水庫1997年底下閘蓄水，龍灘水庫2006年9月底下閘蓄水，巖灘水庫1992年3月下閘蓄水，光照電站2007年12月31日下閘蓄水，百色水庫2005年8月26日下閘蓄水。

圖3 西江梧州站年徑流量M-K突變檢驗(yàn)

圖4 西江梧州站1960—2015年年輸沙量與徑流量年際變化過程

3.3 年輸沙量未來趨勢分析

在應(yīng)用R/S和Mann-Kendall法前，首先進(jìn)行方法的可行性檢驗(yàn)。對Mann-Kendall法揭示出水文時間序列的變異點(diǎn)前的序列進(jìn)行分析，對變異點(diǎn)后序列進(jìn)行檢驗(yàn)，然后再結(jié)合整個序列的趨勢變化來預(yù)測其未來的趨勢特征。

3.3.1方法檢驗(yàn)

西江梧州站年輸沙量變異點(diǎn)為2000年。采用Mann-Kendall法分析梧州站1960—2000年和2001—2015年輸沙量的趨勢特征，西江中上游1960—2000年Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z=-1.70，|Z|<|Z0.05/2|=1.96，輸沙量呈下降趨勢，但不顯著；2001—2015年Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z=-1.48，|Z|<|Z0.05/2|=1.96，輸沙量呈不顯著的下降趨勢。用R/S法計(jì)算梧州站1960—2000年序列H=0.8274>0.5，說明梧州站1960—2000年序列趨勢變化具有持續(xù)性，即2001—2015年的趨勢變化與1960—2000年相同，即如果1960—2000年呈上升趨勢，那么2001—2015年呈上升趨勢；相反，則有下降趨勢。根據(jù)Mann-Kendall法的分析結(jié)果，梧州站2001—2015年輸沙量序列呈不顯著的下降趨勢，與R/S法對1960—2000年序列的分析結(jié)果吻合。綜上所述，R/S法和Mann-Kendall法可應(yīng)用于水文時間序列趨勢分析，且能很好地解釋水文時間序列未來的趨勢變化。分析結(jié)果見表1。

3.3.2分析結(jié)果

采用已檢驗(yàn)可行的R/S法和Mann-Kendall法對西江梧州站1960—2015年的輸沙量序列未來的變化趨勢進(jìn)行分析。Mann-Kendall法分析結(jié)果顯示，西江梧州站1960—2015年年輸沙量序列呈顯著下降趨勢，見表1。經(jīng)R/S檢驗(yàn)，西江梧州站1960—2015年年輸沙量序列極差與標(biāo)準(zhǔn)差關(guān)系為：

R(τ)/S(τ) =(0.3875τ)0.9232

(5)

可見，H=0.9232>0.5，說明西江中上游未來輸沙量的變化趨勢與1960—2015年一致，即西江中上游1960—2015年的變化趨勢具有持續(xù)性。

綜合R/S法和Mann-Kendall法的分析結(jié)果可得，西江流域中上游地區(qū)輸沙未來呈下降趨勢。西江梧州站年輸沙量這種趨勢變化特征可以為西江流域應(yīng)對清水下泄對沿江防洪工程的影響提供科學(xué)的依據(jù)。

4 結(jié)語

本文對西江梧州站年輸沙量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并將R/S法和Mann-Kendall法應(yīng)用于其變化特征分析，結(jié)果表明：西江中上游輸沙量在近60 a來年際變化大，呈顯著下降趨勢，且在2000年發(fā)生突變，其顯著下降趨勢與突變原因主要受流域大型水利樞紐工程的建設(shè)攔沙影響；西江中上游年輸沙量下降趨勢具有持續(xù)性。