重大水利工程运用对长江入海径流量的影响

刘嘉琦 ，龚 政 ，2，张长宽

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京 210098；2.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098）

重大水利工程运用对长江入海径流量的影响

刘嘉琦1，龚 政1，2，张长宽1

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京 210098；2.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098）

采用长江大通水文站1950～2011年逐日平均流量资料，运用Pettitt突变点检验法对年、枯季、汛后平均流量序列进行突变点分析。用突变点对时段平均流量序列进行分段，采用M-K趋势性检验法分析各段及整体序列的变化趋势。结果表明，20世纪初，长江上游区域呈现降温、降水减少是造成年平均径流量缓慢下降的原因。20世纪80年代以来全球气候变暖，可能是导致1988～2011年的枯季平均径流量相对1950～1987年有明显的抬升、发生均值突变的原因之一；上游水库群在枯季对长江下游的径流补给加剧了枯季入海径流量上升趋势。汛后平均径流量在1990年和2003年都出现了突变点：1950～1990年间，显现出微弱的下降趋势；1990～2003年间虽然为上升趋势，但平均径流量明显低于前40 a；2003～2011年期间转为较为明显的下降趋势，同时平均径流量也低于以往。从三峡工程蓄水运行时间来分析，2003年之后的汛后径流趋势转变可能与三峡工程运行有直接关系，但需要进一步的证实。

入海径流；突变性；趋势性；Pettitt检验；Mann-Kendall趋势检验；长江

Biography：LIU Jia-qi（1988-），male，master student.

河口地区经济发达、人口众多，气候变化导致大江大河入海径流量变化，上游控制性工程建设对入海径流年内分配进行了调节，对于河口水动力和水环境条件、地貌演变等具有重要的影响［1］。长江干流上已建有大型水利枢纽。三峡工程是长江干流上具有防洪、发电和航运综合功能的大型水利枢纽。葛洲坝枢纽位于长江上、中游的交界处，距三峡工程坝址约38 km，是三峡工程的反调节和航运梯级，水库以上流域面积占长江流域总面积的55%，该工程于1971年开工兴建，1988年12月全部竣工［2-3］。葛洲坝和三峡工程运行调节了长江入海径流量的年内分配，对河口生态环境将产生影响，如河口地区海水入侵加重与入海径流量的减少有直接关系［4-5］。因此，研究重大水利工程运用对长江入海径流量的影响，具有十分重要的意义。

以往关于长江径流变化的研究，主要基于长系列流量资料［6］，采用周期图法、最大熵谱法［7］、Mann-Kendall趋势分析法［8］等，对年/汛期/非汛期/月径流量变化过程［6］、三峡工程建成运用后河口盐水入侵、感潮河段极值水位［7］，以及全球变暖后长江水灾形势、径流年内分配［8］等问题进行了分析。本文基于大通站1950～2011年逐日平均流量资料，运用Pettitt突变点检验法和Mann-Kendall趋势检验法（简称M-K法），对长江入海径流量的年际、年内变化进行突变性和趋势性分析，探讨重大水利工程运用等人类活动影响对径流变化的驱动性，为预测长江入海径流变化趋势提供参考依据。

1 长江概况

长江是世界第三大河，亚洲第一大河，其干流自西向东横贯中国中部，全长6 300 km，数百条支流辐辏南北，流域面积180万km2，约占中国陆地总面积的1/5；长江流域面积、干流长度、径流量都居亚洲第一位；长江入海水沙通量巨大，对河口地貌、沉积体系、海岸带和大陆架的自然和生态环境有重要影响。长江流域位于亚热带地区，气候湿润，多年平均降水量约1 100 mm，其中约50%转换为径流入海。据不完全统计，长江流域兴建了46 000多座水坝，7 000多座涵闸，这些水利工程的修建在一定程度上改变了长江的径流特性［6］。以往对于长江年径流量变化趋势的研究大致认为，长江上游宜昌站从1970年代开始出现减少趋势；中游汉口站1956～1998年呈负增长趋势，从1999年开始出现正增长趋势；下游大通站1956～1995年呈负增长趋势，1998～2000年出现了持续的正增长趋势［9］。大通水文站是长江干流上的综合性水文站，距离河口段（徐六泾）近600 km，但大通～徐六泾河段内无大的支流汇入，大通出口断面控制着长江流域94%的汇水面积。因此，国内外都将大通水文站作为长江入海水沙通量的考察站［4，10］。长江入海径流量巨大，大通站多年平均（1923～2004年）径流量为9 156×108m3。大通站流量年际波动大，年最大流量为43 100 m3/s，最小为21 400 m3/s，后者约为前者的1/2；年洪季最大流量为64 630 m3/s，最小为27 800 m3/s，后者约为前者的2/5；年枯季最大流量为24 430 m3/s，最小为12 150 m3/s，后者约为前者的1/2。受东亚季风的影响，长江入海径流量受气候变化影响，年内变化也十分明显［11-13］。大通站月均流量6 800～84 200 m3/s，枯季径流只占全年总径流的29.11%。大通站流量从20世纪40年代中后期到50年代中期较大，随后减小；到20世纪70年代中期出现极小值，而后又逐渐升高；到20世纪90年代末期出现极大值后又逐渐下降；至2009年流量仍较小［14-17］。

2 长江入海径流量突变点分析

2.1 Pettitt突变点检验法［18-19］

2.2 入海径流量突变点分析

运用Pettitt突变点检验法，对大通站年、枯季、汛后平均流量序列（1950～2011年）分别进行了突变点分析。长江洪水主要由暴雨形成，洪水发生时间、地区分布与暴雨相应。长江流域地域辽阔、地形复杂，季风气候十分典型，年降水量和暴雨的时空分布很不均匀，洪水出现时间差异较大，如：鄱阳湖水系、湘江为4～6月，资水、沅江、澧水为5～7月，清江、乌江为6～9月，金沙江下段和四川盆地各水系为7～9月，汉江为7～10月。本文以大通站流量作为基础资料，因此针对长江下游大通站所在区域的水文特点，按照枯季1～3月、汛后10～11月进行水文情势分析。

表1为大通站各时段平均流量系列的突变点分析成果。可以看出，年平均流量序列无突变点；枯季（1～3月）平均流量序列第一突变点主要发生在1987年，第二突变点发生在2000年；汛后（10～11月）平均流量序列第一突变点发生在1990年，第二突变点发生在2003年。为了证明突变点检验的合理性，本文将各典型时段平均流量序列Pettitt值（Ut，T）曲线与时段平均流量序列二次拟合曲线进行了比较分析。

表1 长江大通站各时段平均流量序列（1950～2011年）突变点Tab.1 Change-point of mean discharges（1950～2011）of Datong station at the Yangtze River

图1为大通站年平均流量序列Pettitt值曲线，以及年平均流量序列二次拟合曲线。从Pettitt值曲线可以看出，在20世纪50年代中期和本世纪初，分别出现了Ut，T极大值，表示该两个时段内呈现出一定的向下突变趋势［12］；在20世纪70年代末期和80年代末期，分别出现了Ut，T极小值，表示该两个时段内呈现出一定的向上突变趋势。上述变化趋势，与图1中年平均流量序列的直观变化趋势是一致的。但是，显著性水平检验发现，上述突变并不显著，即近62 a来大通站年平均流量序列没有显著的突变点。大通站年平均流量序列（1950～2011年）二次拟合曲线表现出总体缓慢减小趋势。

图2为枯季（1～3月）平均流量Pettitt值曲线及枯季平均流量序列二次拟合曲线。可以看出，枯季平均流量在20世纪50年代中后期发生了向下突变，在20世纪80年代发生了向上突变，且向上突变表现地更为显著。枯季平均流量序列二次拟合曲线在以1987年为第一突变点的两侧分别表现出缓慢变化趋势；在第二突变点2000年两侧也为缓慢变化趋势。

图3为汛后（10～11月）平均流量Pettitt值曲线及汛后平均流量序列二次拟合曲线。可以看出，汛后平均流量第一突变点发生在1990年，第二突变点发生在2003年。汛后平均流量序列二次拟合曲线在以1988～1989年为第一突变点的左右侧，分别表现出缓慢变化趋势，在1998年第二突变点之后表现为快速下降趋势。

3 长江入海径流量趋势性分析

3.1 Mann-Kendall趋势检验法

图1 长江大通站年平均流量序列（1950～2011年）Pettitt值曲线及二次拟合曲线Fig.1 Curves of Pettitt value and secondary fitting of annual mean discharges（1950～2011）of Datong station at the Yangtze River

图2 长江大通站枯季（1～3月）平均流量序列（1950～2011年）Pettitt值曲线及二次拟合曲线Fig.2 Curves of Pettitt value and secondary fitting of mean discharges（1950～2011）of Datong station at the Yangtze River

图3 长江大通站汛后（10～11月）平均流量序列（1950～2011年）Pettitt值曲线及二次拟合曲线Fig.3 Curves of Pettitt value and secondary fitting of mean discharges（1950～2011）of Datong station at the Yangtze River during flood recession period（Oct.～Nov.）

Mann-Kendall非参数秩次相关检验法［21-22］被广泛应用于水文、气象资料的趋势成分检验中，也有学者将其改进为可进行突变点检验，但其突变点检验精度不高。与参数统计检验法相比，非参数检验法更适用于非正态分布、不完整或有少数异常值的资料，而这些情况在水文时间序列分析中经常会遇到。近10 a来，M-K检验的应用研究在国内外引起了广泛的关注，在气象、水质和水文等方面涌现出了一大批应用性成果。

假定样本容量为n的时间序列变量x1，x2，…xn，先确定其所有对偶值（xi，xj，j＞i）中 xi＜xj的出现个数（设为 p），顺序（i，j）的全集是：（i=1，j=2，3，4，……，n），（i=2，j=3，4，5……，n）……，（i=n-1，j=1）。如果按顺序前进的值全部大于前一值，这是一种上升趋势，p=（n-1）+（n-2）+…+1=（n-1）n/2；如果按顺序前进的值全部小于前一值，则p=0，即为下降趋势。由此可知，对无趋势的序列，p 的数学期望 E（p）=n（n～1）/4。

此检验统计量

其中

3.2 径流量趋势性分析

在大通站入海径流量突变点分析结果的基础上，对年、枯季、汛后平均流量序列用突变点进行分段，采用M-K趋势性检验法分析各段及整体序列的变化趋势。由于M-K检验法要求最小序列长度为10，因此，当两突变点间序列长度小于10时，以其中一突变点向外延长至下一突变点或序列末。表2为长江大通站年、枯季、汛后平均流量序列（1950～2011年）M-K值统计结果，其中，显著水平α=0.1，置信限Uα/2=±1.96。

近62 a来，长江入海年平均径流量呈缓慢下降趋势，但下降趋势不显著，这与图1中大通站年平均流量序列二次拟合线总体下降趋势是一致的；枯季表现为显著上升趋势；汛后表现出显著下降趋势。

突变点形成的分段序列的变化趋势与整体序列的变化趋势可能不一致，这与突变点类型有关。以枯季为例，1987年和2000年这两个突变点（表1）将整体序列（1950～2011年）划分成1950～1987年，1988～2000年与2001～2011年3个分段序列，其均呈不显著下降趋势，而1950～2011年整体序列呈显著上升趋势。经分析，原因如下：在突变点分析中，一般把突变点分为四类：均值突变、变率突变、转折突变和翘翘板（seesaw）突变［23］。枯季平均流量序列可能因气候突变或者人为因素影响，在1987年和2000年出现了均值突变，1988～2000年，2000～2011年2个分段序列的枯季平均径流量（1.36×104m3/s和 1.36×104m3/s）大于1950～1988年分段序列（1.06×104m3/s），从而形成了向上突变。因此，尽管分段序列呈下降趋势，但向上突变点仍可能使整体序列呈上升趋势。

从表2中可以发现，趋势性检验的时段有些是重叠的［17］，如汛后第二突变点形成的1991～2003年与1991～2011年分段序列，这是由于M-K法要求最小序列长度为10，无法检验汛后2003～2011年分段序列的趋势性，因此分析汛后1991～2003年与1991～2011年2个分段序列，结果表明，1991～2003年与1991～2011年分段序列分别呈不显著的上升和下降趋势（后者较前者显著），可以判断，2003～2011年分段序列应为相对显著的下降趋势，这与图3中汛后平均流量2003～2011年分段序列趋势性是一致的。汛后平均径流量在1990年和2003年都出现了突变点：1950～1990年间，显现出微弱的下降趋势；1990～2003年间虽然为上升趋势，但平均径流量明显低于前40 a；2003～2011年期间转为较为明显的下降趋势，同时平均径流量也低于以往。从三峡工程蓄水运行时间来分析，2003年之后的汛后径流趋势转变可能与三峡工程运行有直接关系，但需要进一步的证实。

20世纪初，长江上游区域呈现降温，降水减少［10］是造成长江年平均入海径流量总体缓慢下降趋势的原因。1988～2011年的枯季平均径流量相对1950～1987年有明显的抬升。20世纪80年代以来全球气候变暖，可能是导致枯季流量的均值突变的原因之一；上游水库群在枯季对长江下游的径流补给加剧了枯季入海径流量上升趋势。

表2 长江大通站各时段平均流量序列（1950～2011年）M-K值统计结果Tab.2 Statistical result of M-K value of mean discharges（1950～2011）of Datong station at the Yangtze River

4 结论

本文基于大通站1950～2011年逐日平均流量资料，运用Pettitt突变点检验法分别对大通站年、枯季（1～3月）、汛后（10～11月）平均流量序列进行了突变点分析；在此基础上，用突变点对整体序列进行分段，采用MK趋势性检验法分析各段及整体序列的变化趋势。主要结论如下：

（1）20世纪初，长江上游区域呈现降温，降水减少［10］是造成年平均径流量缓慢下降的原因。长江年平均入海径流量序列在20世纪50年代中期、70年代末期、80年代末期和21世纪初，均呈现出一定的突变，但该突变并不显著；在1950～2011年间呈不显著的缓慢下降趋势。

（2）20世纪80年代以来全球气候变暖，可能是导致1988～2011年的枯季平均径流量相对1950～1987年有明显的抬升、发生均值突变的原因之一；上游水库群在枯季对长江下游的径流补给加剧了枯季入海径流量上升趋势。

（3）汛后平均径流量在1990和2003年都出现了突变点：1950～1990年间，显现出微弱的下降趋势；1990～2003年间虽然为上升趋势，但平均径流量明显低于前40 a；2003～2011年期间转为较为明显的下降趋势，同时平均径流量也低于以往。从三峡工程蓄水运行时间来分析，2003年之后的汛后径流趋势转变可能与三峡工程运行有直接关系，但需要进一步的证实。

［1］Rossi N M B L A.The response of the Mississippi River to climate fluctuations and reservoir construction as indicated by wavelet analysis of streamflow and suspended sediment load，1950～1975［J］.Journal of Hydrology，2009，（3-4）：237-244.

［2］陈启慧，郝振纯，夏自强，等.葛洲坝对长江径流过程的影响［J］.长江流域资源与环境，2006，15（4）：522-526.

CHEN Q H，HAO Z C，XIA Z Q，et al.Effects of Gezhou dam on the hydrologic regimes in Yangtze river［J］.Resources and Environment in the Yangtze Basin，2006，15（4）：522-526.

［3］赵云发.葛洲坝水库的防洪潜力分析［J］.人民长江，1999（S1）：33-35.

ZHAO Y F.Potential flood control ability of Gezhou dam［J］.Renmin Changjiang，1999（S1）：33-35.

［4］张二凤，陈西庆.长江大通～河口段枯季的径流量变化［J］.地理学报，2003（2）：231-238.

ZHANG E F，CHEN X Q.Changes of Water Discharge between Datong and the Changjiang Estuary during the Dry Season［J］.Acta Geographica Sinica，2003（2）：231-238.

［5］茅志昌，沈焕庭.长江径流变化对南港盐水入侵影响分析［J］.海洋科学，1994（2）：60-63.

MAO Z C，SHEN H T.Effects of Freshwater Discharge at the Datong Station on Saltwater Intrusion in the South Channel of the Changjiang Estuary［J］.Marine Sciences，1994（2）：60-63.

［6］邹振华，李琼芳，夏自强，等.人类活动对长江径流量特性的影响［J］.河海大学学报：自然科学版，2007（6）：622-626.

ZOU Z H，LI Q F，XIA Z Q，et al.Human induced alterations in runoff of the Yangtze River［J］.Journal of Hohai University：Natural Sciences，2007（6）：622-626.

［7］吴玲莉，张玮.长江下游感潮河段极值水位的周期分析［J］.水运工程，2011（4）：134-139.

WU L L，ZHANG W.Analysis of the periodicity of yearly extreme water level in the tidal reaches of the Yangtze River［J］.Port&Waterway Engineering，2011（4）：134-139.

［8］秦年秀，姜彤，许崇育.长江流域径流趋势变化及突变分析［J］.长江流域资源与环境，2005（5）：589-594.

QING N X，JIANG T，XU C Y.Trends and Abruption Analysis on the Discharge in the Yangtze Basin［J］.Resources and Environment in the Yangtze Basin，2005（5）：589-594

［9］张瑞，汪亚平，潘少明.近50年来长江入海径流量对太平洋年代际震荡变化的响应［J］.海洋通报，2011（5）：572-577.

ZHANG R，WANG Y P，PAN S M.Response of discharges from Changjiang River on Pacific Decadal Oscillation in the past 50 years［J］.Marine Science Bulletin，2011（5）：572-577.

［10］张瑞，汪亚平，潘少明.长江大通水文站径流量的时间系列分析［J］.南京大学学报：自然科学版，2006（4）：423-434.

ZHANG R，WANG Y P，PAN S M.Analyses with Wavelet and Hilbert Huang Transform on Monthly Water Discharges at Datong Station，Yangtze River［J］.Journal of Nanjing University：Natural Sciences，2006（4）：423-434.

［11］XU K，Milliman J D.Seasonal variations of sediment discharge from the Yangtze River before and after impoundment of the Three Gorges Dam［J］.Geomorphology，2011，104（3-4）：276-283.

［12］YANG S，ZHAO Q，Belkin I M.Temporal variation in the sediment load of the Yangtze river and the influences of human activities［J］.Journal of Hydrology，2002，263（1-4）：56-71.

［13］张瑞，汪亚平，潘少明.近50年来长江入河口区含沙量和输沙量的变化趋势［J］.海洋通报，2008（2）：1-9.

ZHANG R，WANG Y P，PAN S M.Variations of Suspended Sediment Concentrations and Loads into the Estuary Area from Yangtze River in Recent 50 Years［J］.Marine Science Bulletin，2008（2）：1-9.

［14］方娟娟，李义天，孙昭华，等.长江大通站径流量变化特征分析［J］.水电能源科学，2011，29（5）：9-12..

FANG J J，LI Y T，SHUN S H，et al.Analysis of Runoff Change Characteristics at Datong Station of Yangtze River［J］.Water Resources and Power，2011，29（5）：9-12.

［15］ GONG Z，ZHANG C K，WAN L M.Tidal Level Response to Sea Level Rise in the Yangtze Estuary［J］.China Ocean Engineering，2012，26（1）：109-122.

［16］蔺学东，张镱锂，姚治君，等.拉萨河流域近50年来径流变化趋势分析［J］.地理科学进展，2007（3）：58-67.

LIN X D，ZHANG Y L，YAO Z J，et al.Trend Analysis of the Runoff Variation in Lhasa River Basin in Tibetan Plateau during the Last 50 Years［J］.Progress in Geography，2007（3）：58-67.

［17］LIN X D，ZHANG Y L，YAO Z J，et al.The trend on runoff variations in the Lhasa River Basin［J］.Journal of Geographical Sciences，2008（1）：95-106.

［18］Pettitt A N.A Non-paramentic Approach to the Change Problem［J］.Αpplied staticstics，1979（2）：126-135.

［19］刘嘉琦，龚政，张长宽.长江入海径流量突变性和趋势性分析［J］.人民长江，2013，44（7）：6-10.

LIU J Q，GONG Z，ZHANG C K.Mutability and variation trend of discharges into the sea from the Yangtze River［J］.Yangtze River，2013，44（7）：6-10.

［20］樊辉，刘艳霞，黄海军.1950～2007年黄河入海水沙通量变化趋势及突变特征［J］.泥沙研究，2011（5）：9-16.

FAN H，LIU Y X，HUANG H J.Long-term trend and change point analysis on runoff and sediment fluxes into the sea from the Yellow River during the period of 1950～2007［J］.Journal of Sediment Research，2011（5）：9-16.

［21］苏布达，姜彤，任国玉，等.长江流域1960～2004年极端强降水时空变化趋势［J］.气候变化研究进展，2006（1）：9-14.

SU B D，JIANG T，RENG G Y，et al.Observed Trends of Precipitation Extremes in the Yangtze River Basin during 1960 to 2004［J］.Advances in Climate Change Research，2006（1）：9-14.

［22］丁晶，邓育仁.随机水文学［M］.成都：成都科技大学出版社，1988.

［23］符淙斌，王强.气候突变的定义和检测方法［J］.大气科学，1992（4）：482-493.

FU C B，WANG Q.The Definition and Detection of the Abrupt Climatic Change［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences，1992（4）：482-493.

Impact of large-scale water projects on the Yangtze River

LIU Jia-qi1,GONG Zheng1,2,ZHANG Chang-kuan1
（1.State Key Laboratory of Hydrology-water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China;2.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China）

Based on daily-averaged discharges of Datong station at the Yangtze River,Pettitt change-point tests were employed to detect the change-points of discharge time series accounting for the duration of a year,dry season,flood season,flood recession period and each month,respectively.The discharge time series were divided into several segments by change-points.The tendency of discharges was explored by Mann-Kendall method.The results show that the temperature reduction and precipitation reduction in the upstream of the Yangtze River are the main reasons of the average discharge′s slight decreasing.The global warm since 1980s may be one of the reasons why the average discharge of dry season during 1988 and 2011 is higher than the one during 1950 and 1987.The discharge replenishment of the reservoir groups in the upstream strengths the increasing trend of discharge into sea of dry season.The average discharge of flood recession period,whose change points of appear in 1990 and 2003,experiences a slight reduction from 1950 to 1990 before an increasing trend can be found until 2003.Between 2003 and 2011,the discharge experiences a significant decrease and is lower than before.According to the timetable of impoundment of the Three Gorges Project,the changes of the average discharge of flood recession period may be caused by the Three Gorges Project,but more evidences are needed.

discharge into the sea;change-point;trend;Pettitt change-point test;Mann-Kendall trend analysis;Yangtze River

TV 12；P 332.4

A

1005-8443（2013）06-0461-06

2012-12-25；

2013-02-06

国家重点基础研究发展计划（973）资助课题“长江口海域水动力过程与生态系统演变机制”（2010CB429001）；国家科技支撑计划课题“沿海大规模围垦工程关键技术研究”（2012BAB03B02）；新世纪优秀人才支持计划资助

刘嘉琦（1988-），男，江西省吉安市人，硕士研究生，主要从事河口海岸水动力学研究。