长江流域干流水沙阶段性分析(1956～2009年)

王海斌

(陕西省水土保持勘测规划研究所，陕西西安 710004)

长江流域干流水沙阶段性分析(1956～2009年)

王海斌

(陕西省水土保持勘测规划研究所，陕西西安 710004)

由于自然因素和人类活动的影响，近年来长江水沙过程发生了变化，径流量和输沙量变化尤为引人关注。采用Mann－Kendall检验方法和累积距平方法分析了长江流域干流屏山站，屏山站，朱沱站，宜昌站，汉口站和大通站(1956～2009年)年径流和年输沙量的变化情况。结果表明，长江流域年径流量阶段性变化大体上分为，上游:丰－枯－丰3个阶段，中下游无明显趋势变化。年输沙量上游:枯－丰－枯－丰－枯共5个阶段，中下游:丰－枯两个阶段。并且年径流量在2006年前后发生明显突变，年输沙量除屏山站在1962和2006年发生突变，朱沱站在2001年出现突变外，其他站点无明显突变。

长江流域;水沙;时空特征;Mann－Kendall分析

水沙变化是流域系统中最为敏感的一部分，水沙的变化间接地体现了一个动态流域系统对气候变化和人类活动的综合响应，这些响应表现在水沙时空特征上，而对流域水沙的时空特征分析有助于正确理解其河势、河道的变化情况，对预测河道险情同样具有一定的积极作用［1］。河川径流不仅是陆地水循环与水量平衡的重要组成部分，也是最有价值和易于开发利用的水资源，地表水资源的数量主要取决于河川径流量［2］。一般而言，河川的径流量和输沙量会随着以年为尺度的季节变化而呈现出一定的周期性和波动性，可以通过适当的数学方法可以更直观地将这些波动和规律表现出来，再经过一定的统计分析手段对导致这些周期变化的原因阐释清楚［3］。阶段性是描述河流径流量丰枯变化持续长度的主要特征。除了以自然年代为阶段的分析外，还常用数据系列滑动平均值、距平累计值、Mann－Kendall秩次趋势分析法确定跃变点和小波分析等方法，其中距平累计值法可以灵活的确定阶段，在水沙分析中得到广泛应用［4－6］。本文采用距平累计和Mann－Kendall等分析方法及最新资料，对长江干流的径流和泥沙进行综合分析研究，认知规律，得出长江水沙的时空变化特征以及分析引起这些变化的主要原因，为治理长江提供参考。

1 长江流域概况

长江是贯通中国东西的交通大动脉，全长6 380 km，流域面积180万 km2，占中国陆地面积的18.8%，其支流流域面积1万km2以上的支流有49条，共有通航河道3 600条，占中国内河通航里程的52.6%。流域内地貌类型复杂，其中山地和丘陵占84.7%，平原占11%，呈阶梯状向东降低。本文中选用的5个干流水文站点屏山、朱沱、宜昌、汉口、大通的集水面积分别是 45.86、69.47、100.55、148.8 和 170.54万 km2，其中屏山站和朱沱站属于长江的上游，宜昌站和汉口站属于长江的中游，大通站属于长江的下游。

2 数据与方法

2.1 数据

本文选用《中国河流泥沙公报》长江干流，大通，汉口，屏山，宜昌和朱沱等5个水文控制站1956－2009年的年径流量和年输沙量数据。

2.2 分析方法

2.2.1 Mann －Kendall法

Mann－Kendall法是一种非参数统计检验方法，非参数检验方法也称为无分布检验。与参数检验方法相比，其优点是不需要样本遵从一定的分布规律，也不受少数异常值的干扰，更适合于类型变量和顺序变量，计算也比较简便［7］。本研究应用Mann－Kendall变点检测技术，取显著性检验水平=0.05，对应的检验临界值 C(α)=1.96，对长江干流 5 个水文控制站的径流和输沙量进行变点分析。

2.2.2 距平累积曲线法

水文要素具有阶段性特征。“距平累积法”可明显地显现水文要素年际变化的阶段性。该方法先计算每年的水文要素距平，然后按年序累加，得到距平累积序列。计算公式即:

式中:LPi为第i年的距平累积值;Xi为第i年的水文要素值;为某水文要素的多年平均值。根据距平有正有负的特点，当距平累积持续增大时，表明该时段内水文要素值大于平均值;当距平累积持续不变表明时，该时段水文要素值等于平均值;当距平累积持续减小时，表明时段内水文要素值小于平均值。据此，可以较其他方法更能直观而准确地确定水文要素变化的阶段性［4］。

3 结果与分析

3.1 长江流域干流站点的水沙时空变化

通过对长江干流5个站点的年输沙量距平累计变化分析可知，大通站、汉口站、宜昌站在研究时段内，输沙量距平累积曲线(MC－ASL)均大于均值，分别在1985、1991和1991年MC－ASL达到峰值，而这3个站的年径流量距平累积曲线(MC－AR)在这54年里仅发生微小波动，即这3个水文站基本上都是由一个丰沙平水期和枯沙平水期两个阶段组成［8］，不同的是大通站在1956－1985年呈丰沙平水态势，1986－2009年则是其枯沙平水期，而宜昌站和汉口站水沙年际变化大致相同，基本上在1956－1991年是丰沙平水期，1992－2009年是枯沙平水期。朱沱站和屏山站的水沙距平累积曲线变化的波动性比较大，水沙的枯丰阶段比较多，整个研究时段内基本上都可以划分为5个阶段。朱沱站1956－1970年为丰沙丰水期，1971－1980年为枯沙枯水期，1981－1990年为丰沙平水期，1991－1997年为枯沙枯水期，1998－2009年为枯沙平水期。屏山站1956－1964年为枯沙枯水期，1965－1969年为丰沙丰水期，1970－1983年为枯沙枯水期，1984－1997年为丰沙枯水期，1998－2009年为枯沙丰水期。图1和图2分别是长江上游屏山站和中游汉口站在54年内的水沙距平累计曲线图，其他站点图略。

图1 屏山站径流量和输沙量距平累计曲线

从表1可知，从上游到下游5个站点的多年径流量均值明显地呈现出增加的趋势，与之前部分研究的结论一致［9］，径流量由上游屏山站的1 437.37亿吨到下游大通站的8 813.2亿 t。各站测得的多年径流量最大值出现年份基本都是1998年，最主要的原因就是1998年的洪水自然灾害事件，只有朱沱站是在1965年;而多年径流量的最小值出现的年份多是2006年，屏山站是1996年，大通站则是1978年。多年平均输沙量变化规律和径流量的则不尽相同，上游是2.46亿 t，到中游宜昌增加到4.35亿 t，到下游又略有减小，降为3.89亿 t，这和前人研究结论一致［10］。分析得出的多年输沙量变化的分布规律并没有呈现单调递变趋势，而是呈现出不同程度的波动，从上游到下游输沙量最大值先增后减［11］，最小值先减后增。总之，年径流量最大值、最小值以及多年平均径流量从上游至下游呈现递增的趋势，而输沙量的最大值、最小值以及多年平均输沙量从上游至下游呈现先增再减、先减再增、先增再减的趋势，且最大输沙量和年平均输沙量虽然在下游有所降低，却仍高于上游相应的输沙量值。究其原因，是综合了自然原因和人类生产活动后的综合结果［12］，至于各占几成，有待于进一步深入探索研究。

图2 汉口站径流量和输沙量距平累计曲线

表1 长江干流5个水文站点的特征值 亿m3、亿t

3.2 水沙趋势突变点分析

长江流域5个水文站在研究时段内年径流量均存在突变点，其中屏山站和朱沱站的突变点最多(图3)，分别都出现了四次突变;宜昌和大通站一致在1959年和2006年出现突变点。各站突变点基本集中出现在1959年前后和2006年，表明在这两年流域内径流量突变存在一致性。尽管各站点在突变时间上不尽相同，但从△R看，长江流域径流量时间突变点在2006年前后，径流量均值差最大，说明流域径流量在2006年前后变化最为剧烈。

从长江流域年输沙量看，除屏山站在1962年和2006年以及朱沱站在2001年存在突变点外，其他站点突变点均不显著。也就是说，在研究时段内，长江流域年输沙量只在上游地区存在突变点，而中下游地区年输沙量不显著。

图3 长江干流水沙Mann－kendall分析图

表2 长江干流径流量和输沙量突变点

4 结语

本文采用Mann－Kendall检验方法和累积距平方法分析了长江流域5个水文站年径流量和输沙量的变化情况，结论如下:

1)研究时段内，宜昌、汉口、大通站的水沙变化的阶段性由一个丰沙平水期和枯沙平水期组成，宜昌和汉口站在1991年前后由丰沙转为枯沙阶段，大通站在1985年左右由丰沙转为枯沙阶段，且输沙量的增幅大于径流量的增幅。位于三峡水库上游的屏山站和朱沱站在54年内的水沙丰枯阶段比较复杂，大致由5个水沙丰枯阶段组成，屏山站丰枯阶段分界年份大致是1964、1969、1984和1997年，朱沱站的丰枯阶段分界年份大致是1970、1980、1990和1997年。

2)长江流域在54年的研究时段内，多年平均径流量自上游至下游整体上成明显的增加趋势，多年平均输沙量在整个河段内成先增后减的趋势，虽到下游的大通站减至3.89亿 t，但仍大于上游的2.46亿 t。年径流量最大值、最小值以及多年平均径流量从上游至下游呈现递增的趋势。输沙量的最大值、最小值以及多年平均输沙量从上游至下游呈现先增再减、先减再增的趋势，且最大输沙量和年平均输沙量相似，虽然在下游降低到6.78亿 t，却仍高于上游的5.01亿 t输沙量。

3)利用Mann－Kendall法对流域干流的5个水文站点近54年的径流量和输沙量进行突变性检验表明，流域各站点径流量均存在突变点，突变点自上游至下游逐渐减少，径流量变化幅度变小，剧烈变化次数变少，2006年前后发生明显突变。年输沙量突变点自上游至下游同样表现出逐渐减少的规律，除屏山站在1962和2006年有2次突变，朱沱站在2001年出现1次突变外，流域中、下游的输沙量突变不显著，未发生输沙量剧增或剧减的情况。

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2012－02－15

王海斌(1970－)，男，陕西武功人，工程师，主要从事水土保持及生态研究工作。