鑒江流域徑流變化特征分析

胡 培，邱 靜，陳思淳，李深林

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635)

在氣候、地形、下墊面等自然因素的影響下，流域徑流的變化呈現(xiàn)規(guī)律性和隨機(jī)性的變化特征[1-2]。隨著流域人類(lèi)活動(dòng)的強(qiáng)烈干預(yù)，河川徑流量出現(xiàn)了明顯的變化，對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展也有較大的影響[3-4]。

2010年，廣東省政府頒布《廣東省鑒江流域水資源分配方案》，開(kāi)展鑒江流域枯水期水量調(diào)度，通過(guò)對(duì)高州水庫(kù)、攔河壩、梯級(jí)水庫(kù)、取水戶(hù)的調(diào)度管理，改變流域枯水期徑流過(guò)程，以保障枯水期用水安全。本文通過(guò)開(kāi)展鑒江流域徑流變化特征分析，深入了解鑒江流域水資源特性，為流域水資源的開(kāi)發(fā)利用、節(jié)約、保護(hù)等提供依據(jù)[1]。

1 鑒江流域概況

鑒江流域發(fā)源于信宜縣的虎豹坑，流經(jīng)茂名市高州、化州、電白、市區(qū)，在湛江市吳川沙角旋出海，流域總面積為9 464 km2(茂名市境內(nèi)為7 949 km2、湛江市境內(nèi)為770 km2，廣西境內(nèi)為745 km2)，多年平均水資源總量為89.4億m3，是茂名市、湛江市主要生活、生產(chǎn)水源地。

20世紀(jì)60年代初，茂名市在鑒江流域上游修建石骨、良德兩庫(kù)相聯(lián)通的大型水庫(kù)——高州水庫(kù)，控制集雨面積為1 022 km2。鑒江干流現(xiàn)已建大坡山、旺羅、秧地坡、紅荔、南盛、江邊村、高嶺、積美、吳陽(yáng)攔河壩和鑒江樞紐等梯級(jí)樞紐，同時(shí)，中上游各支流還興建大批小型水庫(kù)及山塘，解決了茂名市、湛江市吳川地區(qū)的生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水，對(duì)沿岸社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。

鑒江流域主要包括高州、合江、化州等控制斷面，其中，化州斷面控制全流域65%以上集水面積，其徑流情勢(shì)代表了整個(gè)鑒江流域水量調(diào)控的效果，因此，本文選取化州站作為本次鑒江流域徑流變化特征分析的代表站點(diǎn)。圖1是鑒江流域水系和主要控制斷面位置示意。

圖1 鑒江流域水系及控制斷面位置示意

2 天然徑流特征分析

2.1 資料數(shù)據(jù)

收集化州水文站1956—2016年共61 a逐月實(shí)測(cè)徑流量數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖2)。另外，為作徑流的還原計(jì)算，還收集了高州水庫(kù)逐月蓄水變量、蒸發(fā)資料，茂名市、湛江市吳川市歷年灌溉面積、灌溉定額、田間滲漏、城市生活用水量、城市工業(yè)用水量等資料。

圖2 化州水文站1956—2016年逐月實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)示意

2.2 徑流還原

為分析化州水文站天然徑流特征，研究天然徑流的變異情況，識(shí)別徑流變化的主要影響因素，需要對(duì)實(shí)測(cè)徑流量進(jìn)行還原計(jì)算。根據(jù)《全國(guó)水資源調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)細(xì)則》，采用水量平衡法對(duì)徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行還原，見(jiàn)式1。

W還原=W實(shí)測(cè)+ΔW庫(kù)蓄+W引水+W分洪+W農(nóng)耗+W工業(yè)+W生活

(1)

式中W還原為還原后的天然徑流量水量；W實(shí)測(cè)為水文站實(shí)測(cè)徑流量；ΔW庫(kù)蓄為統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)流域水庫(kù)蓄水變量(增加取+，減小取-)；W引水為跨流域引出引入水量(引出取+，引入取-)；W分洪為河道分洪流出流入水量(流出取+，流入取-)；W農(nóng)耗為農(nóng)業(yè)灌溉用水耗損量；W工業(yè)為工業(yè)用水耗損量；W生活為城鎮(zhèn)生活用水耗損量。

其中，鑒江流域沒(méi)有跨流域引出引入水量，取值為0；流域內(nèi)僅有下游出?？谔廖卜趾楣こ蹋摴こ涛挥诨輸嗝嬉韵?，該項(xiàng)取值為0；農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城鎮(zhèn)生活耗水量采用《廣東省第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)》成果。

按照該方法對(duì)化州站逐月徑流量進(jìn)行還原，還原后天然徑流量見(jiàn)圖3。

圖3 化州水文站1956—2016年逐月天然徑流數(shù)據(jù)示意

2.3 變化及突變特征

1)Mann-Kendall檢驗(yàn)

Mann-Kendall法是世界氣象組織推薦的時(shí)間序列分析時(shí)的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，并廣泛地用來(lái)分析降水、徑流、氣溫等要素的時(shí)間序列的變化情況[5-7]。該檢驗(yàn)不需要樣本服從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適合水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，計(jì)算比較簡(jiǎn)便。

Mann-Kendall方法的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為UFk，其計(jì)算過(guò)程見(jiàn)式2。

(2)

式中k為各統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；秩序列Sk是i時(shí)刻值大于j時(shí)刻值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)，如式3；E(Sk)、Var(Sk)分別為累計(jì)數(shù)Sk的均值和方差。

(3)

UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，按時(shí)間序列x的順序計(jì)算統(tǒng)計(jì)量序列；按時(shí)間序列x的逆序，再重復(fù)上述過(guò)程，計(jì)其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為UBk。UFk、UBk兩統(tǒng)計(jì)構(gòu)成的曲線如果出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界直線之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻就是突變開(kāi)始的時(shí)刻。顯著性水平為0.05時(shí)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量臨界值為±1.96。

2)Spearman檢驗(yàn)

斯波曼檢驗(yàn)(Spearman’s rho)是一種基于秩相關(guān)的檢驗(yàn)方法[8]，以Spearman 秩相關(guān)系數(shù)衡量評(píng)估數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，計(jì)算見(jiàn)公式4。

(4)

其中R(xi)表示數(shù)據(jù)xi在時(shí)間序列中的排序(秩)，由于不存在趨勢(shì)的序列的統(tǒng)計(jì)值D滿(mǎn)足正態(tài)分布，故可定義斯波曼檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量ZSP。

(5)

如果從小到大排序，ZSP>0，表明序列有上升趨勢(shì)；ZSP<0，表明序列有下降趨勢(shì)；ZSP=0，表明序列沒(méi)有變化趨勢(shì)；如果從大到小排序，則相反。如果|ZSP|≤Zα/2，則接受零假設(shè)，即變化趨勢(shì)不顯著；否則，變化趨勢(shì)顯著。

3)計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)Mann-Kendall檢驗(yàn)計(jì)算方法，對(duì)化州站1956—2016年天然年徑流量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4?？梢钥吹?，計(jì)算時(shí)間范圍內(nèi)，除了前10 a由于計(jì)算時(shí)段較短，計(jì)算數(shù)據(jù)存在一定的波動(dòng)之外，化州站年徑流量呈現(xiàn)上升的變化趨勢(shì)，其中，1975—1976年、1983—1988年呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)，其他年份上升趨勢(shì)并不明顯。計(jì)算數(shù)據(jù)時(shí)段10 a以上的序列中(1967年以后)，UFk、UBk兩統(tǒng)計(jì)構(gòu)成的曲線未出現(xiàn)交點(diǎn)，化州站沒(méi)有明顯的突變特征。

圖4 化州站天然年徑流量M-K檢驗(yàn)示意

根據(jù)Spearman檢驗(yàn)計(jì)算方法，對(duì)化州站1956—2016年天然年徑流量進(jìn)行計(jì)算(見(jiàn)表1)。計(jì)算的時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)值和和斯波曼檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量分別為D=0.19，ZSP=1.46，從長(zhǎng)序列尺度上看，化州站年徑流量有上升的趨勢(shì)，與M-K檢驗(yàn)的結(jié)果相同。選取置信度α=0.05，相應(yīng)的臨界值Zα/2=1.96，化州站年徑流量Spearman計(jì)算結(jié)果未能通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，表明徑流量上升趨勢(shì)并不明顯。

表1 化州站天然年徑流量Spearman檢驗(yàn)

總體上看，化州站天然徑流量有一定的上升趨勢(shì)，但是不顯著，也不存在序列突變的情況，序列一致性較好，因此，可以認(rèn)為，降雨、蒸發(fā)等氣候變化要素對(duì)鑒江流域近60 a的徑流量影響較小，鑒江流域徑流量變化的主要影響因素是人類(lèi)活動(dòng)的影響。

3 實(shí)測(cè)徑流特征分析

3.1 年徑流量變化特征

將化州站天然年徑流量與實(shí)測(cè)年徑流量相減，繪制逐年的徑流量差值示意(見(jiàn)圖5)?？梢钥吹?，化州站各年份的天然徑流量均大于實(shí)測(cè)徑流量，表明鑒江流域在提供和保障茂名市、湛江市生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水方面起到了相應(yīng)的作用。而且，1960年以前化州站天然徑流量和實(shí)測(cè)徑流量的差值較小，主要是該時(shí)段流域范圍內(nèi)沒(méi)有可調(diào)節(jié)的大型水利工程，流域水資源利用率較低，高州水庫(kù)建成后，通過(guò)蓄豐補(bǔ)枯，極大的改善了鑒江流域的供水。

圖5 化州站天然與實(shí)測(cè)徑流量差值示意

3.2 枯水期徑流變化特征

在化州站逐月實(shí)測(cè)徑流量的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)各年份枯水期(4—9月)的徑流量，并分不同時(shí)段計(jì)算枯水期徑流量的占比，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看到，1980年以前，鑒江流域供水以農(nóng)業(yè)用水、發(fā)電用水為主，枯水期供水量較少，化州站枯水期徑流量約占全年徑流量的19%；1981—2009年期間，鑒江流域涉及的茂名市、湛江市城市用水逐漸增加，鑒江流域綜合考慮區(qū)域的生活用水、生產(chǎn)用水，結(jié)合高州水庫(kù)的調(diào)度，逐步提高流域枯水期的下泄流量，化州站枯水期徑流量約占全年徑流量的21%，較上一段時(shí)間枯水期徑流量有所提高；2010年以來(lái)，廣東省政府頒布《廣東省鑒江流域水資源分配方案》，開(kāi)展鑒江流域枯水期水量調(diào)度，充分發(fā)揮流域內(nèi)的調(diào)蓄工程，進(jìn)一步保障流域的枯水期用水，該時(shí)段內(nèi)，化州站枯水期徑流量占全年徑流量比例提高至31%，水量調(diào)度效果明顯。

表2 化州站不同時(shí)段枯水期徑流占比

4 結(jié)語(yǔ)

1)本文以鑒江流域控制站點(diǎn)——化州站為研究對(duì)象，研究鑒江流域天然徑流特征、實(shí)測(cè)徑流特征，分析鑒江流域枯水期水量調(diào)度效果，為流域水資源的開(kāi)發(fā)利用、節(jié)約、保護(hù)等提供依據(jù)。

2)采用水量平衡法對(duì)化州站徑流量進(jìn)行還原，并利用Mann-Kendall檢驗(yàn)和Spearman檢驗(yàn)研究化州站天然徑流量的變化和突變特征，結(jié)果表明，以化州站為代表的鑒江流域近60 a來(lái)天然徑流量呈現(xiàn)不顯著的上升趨勢(shì)，序列一致性較好，不存在突變，流域徑流量變化的主要影響因素是人類(lèi)活動(dòng)。

3)通過(guò)對(duì)比化州站實(shí)測(cè)年徑流量和天然年徑流量，可以看到，由于流域供水，鑒江流域各年份的天然徑流量均大于實(shí)測(cè)徑流量，且在高州水庫(kù)建成后，對(duì)流域水資源利用率進(jìn)一步提高；通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同時(shí)段化州站枯水期徑流量占比，可以發(fā)現(xiàn)，2010年廣東省開(kāi)展鑒江流域枯水期水量調(diào)度以來(lái)，化州站枯水期徑流量占全年徑流量比例由原來(lái)的20%左右提高至31%，水量調(diào)度效果明顯。

4)本文重點(diǎn)研究了鑒江流域天然和實(shí)測(cè)的徑流特征，分析對(duì)徑流特征的主要影響因素，未來(lái)的研究可以結(jié)合具體的人類(lèi)活動(dòng)方案，定量研究人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的影響，探索提出對(duì)鑒江流域水量、水質(zhì)的保障措施。