60年来湘江干流径流泥沙过程变化及驱动力分析

胡光伟　毛德华　张旺　等

摘要运用M-K非参数检验法、小波分析法和均值差异T检验法对1951—2011年湘江干流年径流量和年输沙量变化特征进行分析，并探讨了其主要影响因素.结果表明：（1）年径流量和年输沙量均呈逐步减少趋势，但输沙量的减少趋势较为显著；（2）年径流量未发生明显突变，年输沙量在1997年发生了突变；（3）年输沙量在演变过程中表现出很明显的阶段性特征，可以将输沙序列分为1951—1996年的多沙期和1997—2011年的少沙期；（4）年径流量存在35年、11年、16年、6年和4年的周期性，输沙量存在32年、11年、20年、4年和6年的周期性规律；（5）在1951—2011年湘江干流年降水量无明显变化的情况下，其年输沙量显著减少归因于人为作用，主要是水利工程拦沙和水土保持工程措施导致湘江输沙量显著减少.

关键词径流量；输沙量；变化特征；驱动力；湘江

中图分类号TV143+～4文献标识码A文章编号1000-2537（2014）02-0012-05

湘江是洞庭湖流域最大的支流，对洞庭湖流域的水资源安全有较大贡献.随着人类活动的不断增强，洞庭湖各主要支流径流量和输沙量均呈现出显著变化，学者们针对洞庭湖流域的径流泥沙变化特征、演变规律和驱动因素开展了一系列研究[1-7]，但对湘江流域径流泥沙演变过程的系统研究较少，且采用的多是传统统计学方法[8]，很难准确揭示出其内在变化规律.本文采用较为精确的时间序列分析方法中的M-K趋势分析法和均值差异T检验法对湘江年径流量和年输沙量的演变规律进行分析，主要分析气候变化和人类活动对湘江年径流量和年输沙量的影响机制，为深入分析湘江流域及洞庭湖区水沙演变规律提供参考.

1流域概况

湘江是湖南省最大的河流，发源于广西东北部兴安、灵川、灌阳、全州等县境内的海洋山，上游称海洋河，在湖南省永州市区与潇水汇合，称湘江，向东流经永州、衡阳、株洲、湘潭、长沙，至湘阴县芦林潭入洞庭湖后归长江.全长856 km，湘江干流在湖南省内全长670 km，流域面积94 660 km2，其中湖南省内面积为85 383 km2，占总面积的90.2%，沿途接纳大小支流2 157条，主要支流有潇水、耒水、洣水、舂陵水、蒸水、涟水等，多年平均径流量939×108 m3，实测最大流量20 800 m3/s.湘江流域属于亚热带季风湿润气候，雨量丰沛，年内分配不均，降水多集中在春夏季，多年平均降水量1 300～1 500 mm，降雨多集中在4～6月，占全年的40%～45%；7～9月干旱少雨，降水量约占年降水量的18%；1～2月最少，仅占全年的8%.湘江流域的洪水主要由气旋雨形成，每年的4～9月为汛期，年最大洪水和洪峰水位多发生于每年的4～8月，其中5、6月出现次数最多，涨洪历时10天左右，并且与暴雨发生时间相对应.

2数据来源与研究方法

2.1数据来源

采用湘江入洞庭湖控制站——湘潭水文站1951—2011年的年径流量和年输沙量数据、湘潭站1956—2011年逐月径流量和输沙量数据资料，以及湘潭市年降雨量等数据资料，数据来源于湖南省水文水资源勘测局、《长江泥沙公报2000—2011》[9]和中国气象科学数据共享服务网.

2.2研究方法

（1）Mann-Kendall（M-K）非参数检验法[10-12]，用于对长序列数据的趋势突变进行检验分析.M-K法因为不要求原始数据服从特定概率分布，只满足时间序列随机独立即可，因此受到水文学者的广泛认可.

（2）小波分析[13].小波分析（Wavelet Analysis）的基本思想是用一簇小波函数系来表示或逼近某一信号或函数，小波函数是指具有震荡性、能够迅速衰减到零的一类函数.目前，小波分析理论已在信号处理、图像压缩、模式识别、数值分析和大气科学等众多非线性科学领域内得到广泛应用.

（3）均值差异T检验法.在径流泥沙长时间序列中，若出现从某变点起前期及后期平均径流量、输沙量均呈现出明显增加或减少的现象，称为跳跃点或突变点.具体计算方法参照文献[12].

3结果分析

3.1年径流量和年输沙量演变的趋势性

3.2突变分析

根据M-K检验结果，湘江径流量在1951—1955年和1994—2011年径流量处于波动增长变化，1956—1993年径流量处于波动减少变化，但并未突破95%置信水平.年径流量UF和UB曲线相交于1955、1980、1983、1987等年份，且均落入0.05显著性水平区间内，即湘江径流量在1955年、1980年、1983年和1987年可能发生突变.因UF曲线未突破0.05显著性水平，表明径流量没有出现显著性变化.湘江输沙量在1951—1955年、1961—1962年和1976—1987年呈现增加波动变化，其余时间均呈现输沙量减少的波动变化.UF和UB曲线在信度区间内相交于1997年，说明在这一年输沙量可能发生了突变现象，并且UF曲线在1999年突破95%的置信水平，表明输沙量呈现出显著减少的趋势.

为了验证M-K突变分析结果的准确性，下面通过均值差异T检验方法检验可能发生突变年份的科学性，取显著性水平ɑ=0.01，临界值tɑ=2.704.根据均值差异T检验结果，当M=5、30、33、38时，突变指数Aij分别为0.242、0.085、0.012和0.152，相对应的径流统计量t=1.032、-1.664、-0.096tɑ，意味着湘江输沙量在第47年附近发生了明显的趋势变化，即在1997年发生了一次泥沙突变.

3.3周期分析

从径流量小波分析图3来看，湘潭站的径流量和输沙量存在多时间尺度特征.从图3（a-c）可以得出，径流量变化过程中存在30～35年、10～15年、15～18年、5～7年和3～4年的5类尺度的周期变化规律.其中在30～35年尺度上出现了丰-枯交替的3次震荡；在10～15年尺度上出现了5次震荡.而且这两个时间尺度的周期变化在整个分析时段表现出非常稳定的特性，具有全局性特征，相反，小尺度的周期变化波动性较强.由径流量小波方差图得出，湘潭站径流存在35年、11年、16年、6年和4年的周期性.从图3（c）中可以得出，30～35年周期尺度上的模值最大，表明该时间尺度周期变化最明显，其他尺度上的周期性变化较小.湘潭站的输沙量（图3，d-f）周期性与径流的周期较为一致，输沙量有30～35年、8～14年、15～25年、3～5年和5～8年5类尺度的周期变化，其中30～35年和8～14年两个时间尺度具有全局性特征.从小波方差图看，输沙量存在32年、11年、20年、4年和6年的周期性规律.其中第一主周期为32年，其对应的模值最大.

3.4径流泥沙演变的阶段性

这2个阶段的多年平均输沙量分别为10～51 Mt和5～94 Mt，相应变点跃度为9～52 Mt.一般情况下，一定流域径流泥沙特性发

生显著变化的时候，径流量和输沙量双累积关系曲线将表现出明显的转折，即径流输沙双累积曲线的斜率会显著变化.从图4可以看出，1951—1979年曲线斜率较大，输沙量维持在缓慢增加的水平上，1980年之后曲线斜率一直呈减小趋势，特别是在1987年之后，斜率减小得非常显著.根据图4中曲线斜率的变化可将年径流量和年输沙量相关关系分成4个直线组成的折线段，4个折线分别代表1951—1979年、1980—1986年、1987—2003年和2004—2011年4个阶段的水沙变化关系.

4湘江径流泥沙演变的驱动力分析

通过对湘江干流湘潭水文控制站1951—2011年径流泥沙序列演变特征进行分析，结合已有研究成果与湘江流域已注册水库信息，对湘江流域60年来水沙演变特征及其影响因素做了探讨.

4.1降水对湘江径流泥沙演变过程的影响

湘江径流主要来源于降水，年内分配不均匀，3～7月径流量占全年的66.6%，其中5月最大，占全年的17.3%；8月～翌年2月径流量占33.4%，其中1月最小，仅占全年的3.3%.湘江枯水径流一年出现两次，第一次是10月至翌年2月的冬季枯水，这5个月平均径流只占年径流量的21.2%，湘潭站历年实测径流量最小值为100 m3/s（1996年10月6日）；第二次是夏季枯水.湘江泥沙主要来自降水特别是暴雨对流域表土的侵蚀，汛期河流含沙量最大，且含沙量、侵蚀模数、水沙比自上而下不断增大，水土流失现象也从上而下逐渐加剧.湘江多年平均侵蚀模数为100～600 t/km2.老埠头站以上来水的含沙量最大为92%，衡阳站至湘潭站区间来水的含沙量又比衡阳以上大51%.

总体上看，湘江流域年径流量存在波动变化，但无显著变化特征，流域内年径流量最大的影响因素是降水量.李景保和张剑明等人的研究表明湘江的水位变化与流域降雨量保持一致[14-15].毛德华[16]对湖南四水流域年最大流量的研究表明：1985—1995年流域内的最大流量处于较高水平，这与1996年和1988年四水流域出现了较大洪峰是一致的.与降水周期比较后发现，湘江流域的径流变化对降水有较强的依赖性，与降水量变化保持较为一致的趋势.流域内径流变化还同时受人类生产活动所引起的下垫面条件的改变，包括流域内水库建设、居民和工农业用水量变化等综合因素的影响.截至2001年湖南兴建了大中小型水库

13 318座[17]，其中大型水库达19座.湖南水库总库容达36～9 km3，占四水多年平均径流量的15%.

4.2水利设施建设和水土保持工程对湘江径流泥沙演变的影响

湘江年径流量在长时间序列1951—2011年下降趋势不显著，这是因为湘江水系发育，流域支流众多，降水丰沛，流域生产生活用水量并未对流域内径流量产生根本性影响.2010年，湘江流域工农业生产和城乡居民生活用水总量为17～313 km3，且每年都以7.9%的速度增加.根据湘江湘潭站实测资料统计，湘潭站径流量在时间序列上呈缓慢减少趋势，波动幅度相对较小，这表明湘江流域产水量大，水系发达，地表蒸发与植物蒸腾损失量小，而水库的大量修建以及工农业生产和城乡居民生活用水量的增加未对湘江流域的径流产生根本性的影响，但是湘江干流的输沙在时间序列上显著减少.

湘潭站泥沙演变的阶段性既与湘江上游兴建水库密切相关（湖南省最大的东江水库于1986年8月下闸蓄水，1992年枢纽全面竣工），也得益于湖南省水土保持工程的积极作用.一方面，水库蓄水时拦截了大量泥沙淤积库中，流域支流已建大型水库10座，其中9座按省防汛办计划预留防洪库容1.06 km3，已建中型水库中有116座留有防洪库容0.4 km3.据统计，湖南省四水流域水库在20世纪60～80年代共截留泥沙达954～90 Mt.另一方面，自20世纪50年代以来，湖南省水土流失综合治理面积达22 296.4 km2，共营造水土保持林10 035.3 km2，对1 100条小流域开展综合治理，建成一批水土保持示范工程，初步建立起覆盖全省的水土保持监测网络.在水利工程和水土保持措施综合作用影响下，湘江泥沙的输移量显著减少.

5结论

（1） 由上述分析可知，湘潭站径流量和输沙量存在30～35年的主要周期，并且，湘潭站径流量和输沙量还存在11年的第二主周期.从第一主周期来看，湘潭站径流量和输沙量的周期性变化规律非常吻合，而且输沙量的周期比径流量的周期滞后3～5年左右的时间，可以进一步说明径流量和输沙量的相关关系非常显著，径流量是引起输沙量变化的最重要因素.

（2） 通过M-K趋势分析法和均值差异T检验法对湘江流域1951—2011年年径流量和年输沙量序列进行分析，结果表明：湘江径流量在1951—1955年和1994—2011年径流量处于增长的波动变化，1956—1993年径流量处于波动减少变化，但是下降趋势未突破95%的置信区间，因此径流量变化并不显著；而湘江输沙量在1951—1955年、1961—1962年和1976—1987年呈现增加波动变化，其余时间均呈现输沙量减少的波动变化，并于1997年发生了突变，且于1999年突破了95%的置信区间，呈现显著下降趋势.

（3） 根据突变点分析，可以把湘潭站泥沙序列变化分为1951—1996年、1997—2011年2个阶段，这2个阶段的多年平均输沙量分别为10～51 Mt和5～94 Mt，相应变点跃度为9～52 Mt.

（4） 对湘江水沙演变过程的影响因素分析可知，60年来湘江年径流量与年降水量变化具有一致性，输沙量的变化主要受人为因素的影响，水利设施建设和水土保持工程措施是导致流域泥沙量减少的重要因素.

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（编辑王健）

（2） 通过M-K趋势分析法和均值差异T检验法对湘江流域1951—2011年年径流量和年输沙量序列进行分析，结果表明：湘江径流量在1951—1955年和1994—2011年径流量处于增长的波动变化，1956—1993年径流量处于波动减少变化，但是下降趋势未突破95%的置信区间，因此径流量变化并不显著；而湘江输沙量在1951—1955年、1961—1962年和1976—1987年呈现增加波动变化，其余时间均呈现输沙量减少的波动变化，并于1997年发生了突变，且于1999年突破了95%的置信区间，呈现显著下降趋势.

（3） 根据突变点分析，可以把湘潭站泥沙序列变化分为1951—1996年、1997—2011年2个阶段，这2个阶段的多年平均输沙量分别为10～51 Mt和5～94 Mt，相应变点跃度为9～52 Mt.

（4） 对湘江水沙演变过程的影响因素分析可知，60年来湘江年径流量与年降水量变化具有一致性，输沙量的变化主要受人为因素的影响，水利设施建设和水土保持工程措施是导致流域泥沙量减少的重要因素.

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（2） 通过M-K趋势分析法和均值差异T检验法对湘江流域1951—2011年年径流量和年输沙量序列进行分析，结果表明：湘江径流量在1951—1955年和1994—2011年径流量处于增长的波动变化，1956—1993年径流量处于波动减少变化，但是下降趋势未突破95%的置信区间，因此径流量变化并不显著；而湘江输沙量在1951—1955年、1961—1962年和1976—1987年呈现增加波动变化，其余时间均呈现输沙量减少的波动变化，并于1997年发生了突变，且于1999年突破了95%的置信区间，呈现显著下降趋势.

（3） 根据突变点分析，可以把湘潭站泥沙序列变化分为1951—1996年、1997—2011年2个阶段，这2个阶段的多年平均输沙量分别为10～51 Mt和5～94 Mt，相应变点跃度为9～52 Mt.

（4） 对湘江水沙演变过程的影响因素分析可知，60年来湘江年径流量与年降水量变化具有一致性，输沙量的变化主要受人为因素的影响，水利设施建设和水土保持工程措施是导致流域泥沙量减少的重要因素.

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（编辑王健）