香溪河流域1965—2010年径流的变化趋势及突变分析

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(1.南昌工程学院 水利与生态学院，南昌 330099；2.河海大学 水电学院，南京 210098；3.长江科学院 水土保持研究所，武汉 430012)

随着气候变化和人类活动的影响，世界上一些河流的径流量发生了明显的减小趋势[1-2]。河流的径流量减小会导致生产生活用水缺乏，使流域内部的水量分配出现矛盾。三峡工程自蓄水以来，通过跟踪监测，认为库区水质总体良好，但香溪河、大宁河等部分支流库湾回水区段出现了春季藻华，引起了各方关注[3-5]。三峡库区支流面积约为水库总面积的1/3，支流水体变化对库区水体环境将产生直接的影响。在全球变暖的背景下，研究香溪河流域径流变化特征，认识其演化规律和趋势，为香溪河流域的综合治理、水资源合理开发提供理论参考，以期为进一步研究流域水资源合理规划和利用、河道综合治理对策提供科学依据。

1 区域概况

香溪河流域地处长江流域上游,系长江三峡大坝坝首第1条支流，位于湖北省西北部，流域总面积2 247 km2。兴山境内流长78 km，秭归境内流11.1 km，为峡谷型河流。香溪河有东西2个源头：东源于神农架林区螺马店，名为东河；西源于大神农架山南的红河，名为西河。东西两河流至响淮相汇为香溪河，于香溪镇东注入长江，下泄至三峡大坝[5]。

流域内有兴山水文站，径流始测于1958年，泥沙观测始于1973年，最早的日降雨量可追溯到1935年。测站位于兴山县高阳镇，地理位置：东径110°45′，北纬31°13′，属二类精度国家重要站，是三峡水文分区1 000～3 000 km2区域代表站。兴山站位置从建站至今多次搬迁，控制面积变化较大。1958—1964年和1965年后汇流面积相比变化较大，径流按比例放大后误差较大，故将1958—1964年这段数据舍弃。

2 资料和方法

2.1 数据来源

本文所用1965—1990，2001—2010年径流数据来自长江水利委员会编撰的水文年鉴；1992—2000年径流数据由同行获得；1991年径流数据由降雨径流关系插补获得。资料为兴山水文站的逐日径流资料。对径流数据进行预处理后，分别组成以4—9月份为汛期，10—3月份为非汛期；3—5月份为春季、6—8月份为夏季、9—11月份为秋季、12月份及次年1—2月份为冬季的径流序列，同时对其平均值、最大值、最小值、变异系数等进行统计分析，得到径流特征量。

2.2 数据处理方法

采用的方法包括：线性趋势法、累积距平法、Mann-Kendall趋势分析法、Mann-Kendall突变检测和Theil-Sen’s估计法。

2.2.1 Mann-Kendall趋势检验

Mann-Kendall趋势检验法是世界气象组织推荐并已广泛使用的非参数检验方法。非参数检验亦称为无分布检验，其优点是样本不需要遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，更适合用于类型变量和顺序变量，广泛应用于水文和气象时间序列的变化趋势分析[2，6]。

2.2.2 累积距平

累积距平也是一种常用的、由曲线直观判断变化趋势的方法，方法的核心是判断离散数据对其均值的离散幅度。若累积距平值增大，表明离散数据大于其平均值，反之则小于其平均值；如果曲线由上述2个部分组成，则可确定变化趋势的拐点。从曲线明显的上下起伏，可以判断其长期显著的演变趋势及持续性变化，甚至还可以诊断出发生突变的大致时间[6]。

2.2.3 Mann-Kendall突变分析

突变监测有很多种方法：如低通滤波法、滑动T检验法(MTT)、Cramer法、Yamarnot法、Mann-Kendall法。Mann-Kendall法在研究突变时不仅能明确突变发生的时间，还能检测突变发生的区域[6-7]。

2.2.4 Theil-Sen’s估计

Theil-Sen’s法是Theil和Sen提出的一种粗略估计系列趋势变化幅度的一种方法，被广泛地应用在气象水文时间序列数据中[2，7-8]。该方法通过对时间序列X,计算倾斜度指标β，得到单调趋势度量因子。β>0表示趋势上升；β<0表示趋势下降。β值的大小反映了趋势的斜率，其是否显著,一定要通过给定显著性水平下的检验。

3 结果及分析

3.1 流域径流特征

3.1.1 流域年径流特征

图1 香溪河流域降雨和径流的年内分配特征

兴山站多年平均流量为36.58 m3/s，年内分配很不均匀，最大月7月份为65.5 m3/s，最小的1月份为13.12 m3/s，变化幅度达到500%；最大实测流量1 970 m3/s，最小实测流量1.06 m3/s。1965—2010年间各月均降水量和径流量的年内分配如图1所示，从图中可以看出降水和径流主要集中在5—9月份。最大降水和径流都出现在7月份，分别占全年的16%和15.15%，最小降水和径流皆出现在1月份，占全年的2%和3%。

表1为流域统计特征值，显示香溪河流域在46 a间的平均径流量为11.59亿m3，变差系数Cv为0.29。汛期降水量和径流量占全年的76%和71%，Cv分别为0.21和0.33，表明汛期降水量和径流所占比重大，汛期径流量较降雨量而言变化更大。

3.1.2 径流的年代际特征

图2为香溪河流域降水量和径流量的年代际变化特征。20世纪60至80年代流域内的降水较丰沛并且平稳，都超过了1 150 mm/a，径流都稳定在10亿m3/a以上，径流量和降水量的变化趋势基本保持一致。但从20世纪90年代开始至今径流量持续减小，降水和径流关系也发生了变化。流域径流量由80年代的13.2亿m3/a锐减到90年代的9.77亿m3/a，到了21世纪更是减小到9.63亿m3/a 。

图2 香溪河流域降水和径流的年代际变化特征

3.1.3 径流的季节特征

香溪河流域径流在季节上分配不均，径流主要集中在夏季，占全年的39%，秋、春、冬3季依次减小(见表1)。夏、秋2季的径流不仅所占比重大，而且变差系数也大，分别为0.42和0.56，但同期降雨的变差系数只为0.29和0.32。径流变化强度大于降雨，说明夏秋季人类活动(如水库)对流域径流进行了干预，人为地对流域径流进行调整。

表1 香溪河流域1965—2010年降雨和径流的变化特征

冬季降雨和径流分别占全年的7%和10%，变差系数Cv为0.45和0.23。香溪河流域冬季降雨所占比重小但变化较大，径流量所占比重虽小，但变幅不大。冬季径流最为稳定，说明在冬季径流主要是由地下基流补给。

3.2 径流的变化趋势分析

3.2.1 年变化趋势

46 a来流域径流表现为下降趋势。线性趋势显示流域径流以0.089亿m3/a的速度减小；从累积距平曲线(图3)上可以发现1966—1975，1980—1985年是径流量上升阶段；1989—2010年处在下降阶段。表2是1965—2010年流域的年、季径流序列的变化趋势检测和Theil-Sen’s斜率估计结果。显示年、汛期、非汛期径流下降趋势显著，下降速度分别达到0.087亿，0.055亿，0.028亿m3/a。不同的方法均表明流域年径流减少超过了0.08亿m3/a。和文献[9-10]结果一致。就整个研究时段来说，持续下降的时段明显长于上升的时段。

图3 香溪河流域年均和四季径流值累积距平趋势分析

流域径流下降，一是因为降雨总体上呈减小趋势，另一方面是流域下垫面条件的变化。据资料统计[5]，香溪河流域的林草覆被率在1988—1999年间由76.27%提高到77.9%，坡地垦殖率由7.89%降为6.58%。林草覆被率的提高拦蓄了地表径流，良好的植被覆盖能涵养水源,调节径流,缓冲雨能,保护土壤,有效地防止土壤侵蚀。

3.2.2 季变化趋势

从径流的季节性变化趋势(见表2)可以看到，四季趋势表现不尽相同：春季、秋季径流下降趋势显著，下降速率分别为0.027亿～0.031亿，0.042亿～0.062亿m3/a；夏季径流下降趋势不显著；冬季径流上升趋势不显著。春秋2季径流下降趋势显著一方面是因为降雨减少；另一方面为水利工程的修建蓄水，改变降雨径流过程所致。春秋季降雨占全年的49%，同时这两季降雨一般强度不大，这种降雨强度和量不大的降雨产生的径流正好为森林植被凭借自身巨大蓄水能力所贮存。夏季径流下降不显著的原因在于夏季降雨量大且集中，水库拦蓄能力有限，径流基本体现降雨的特点。冬季径流增加是因为冬季降雨有增加趋势，不显著是因为冬季降雨量小。

表2 香溪河流域1965—2010年径流量趋势分析参数统计

注：Z为Mann-Kendall趋势检验统计值；β为Theil-Sen’s统计值。

3.3 径流的突变分析

3.3.1 年突变

根据Mann-Kendall突变检测的定义可知，径流序列的突变点是顺时秩序列统计量UF和逆时秩序列统计量UB的交点。由图4(a)可知，香溪河流域年径流突变出现的年份为1989年，1989—2010年为突变时段。由UF曲线可见，自1989年流域径流有一明显的减小趋势，在1995—2010年减小趋势均超过0.05临界线，2000年后甚至超过0.001显著性水平(U0.001为2.56)，表明香溪河流域的径流减小趋势是十分显著的。同时发现流域年径流的突变发生时间是和流域降雨的突变时间一致。但降雨的突变并不显著，而径流突变显著。

图4 香溪河流域1965—2010年均径流量突变点检验分析图

3.3.2 季突变

香溪河流域径流季节突变结果显示，春季径流突变开始年份为1978年，突变时段为1978—2010年。春季径流减小显著，在1983—1989年和1994—2010年超过显著性水平0.05的显著性检验，并在1999—2010年超过0.001的显著性检验，见图4(b)。

夏季径流突变从M-K值图上来看，在1966，1995，1998，2003，2005，2006，2008年共有7个突变点，见图4(c)。通过对夏季降雨分析，1966,2006,2008年是夏季降雨突变；其余年份突变可能是人类活动导致。香溪河流域自90年代实施了大规模的水土保持措施后导致流域林草覆被提高，增大了植被对径流的拦截和延缓所致。同时流域内修建了一些水库等蓄水设施对径流进行了调节。

秋季径流突变年份发生在1989年，和年径流突变年份一致。1989—2010年为突变区域，其中1994—2010年突变的显著性通过了0.05的显著性检验，并且1998—2010年的显著性超过了0.001的显著性检验，见图4(d)。

冬季径流突变年份为1988年，以1991年为界，前段径流为下降趋势，后段为上升态势。1998—2002年冬季径流的增长通过了0.05的显著性检验，见图4(e)。

4 结 论

通过对香溪河流域兴山站1965—2010年径流量变化的研究，得到了以下结论：

(1) 香溪河流域兴山站46 a来实测平均径流为11.59亿m3/a，总体上年径流量以0.089亿m3/a速率下降。从季系列来看：春季和秋季径流下降趋势显著；夏季径流下降趋势不显著；冬季径流上升趋势不显著。

(2) 从年径流量的突变来看，兴山站径流出现突变的年份1989年，此后径流有一明显的减小趋势。在1995—2010年时段减小趋势超过0.05临界线，2000年后甚至超过0.001显著性水平。季径流系列的突变时间分别是：春季在1978年；夏季共7个突变点，情况复杂；秋季径流突变年份在1989年，而冬季为1988年。

(3) 径流下降趋势显著一方面是因为降雨减少，另一方面为水利水保工程的修建实施。从整个研究时段来看：1990年前年径流和降水有较好的一致性，表明这个阶段人类活动对径流扰动不大；但1990年后两者变化不一致，径流除受降雨的影响外还受到人类活动的强烈干预。

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