近60年来西江流域年输沙量变化特征分析

2019-02-28,,,

人民珠江 2019年2期

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(中水珠江规划勘测设计有限公司，广东广州510610)

受气候变化和人类活动影响，水文序列往往容易发生变异而导致其原变化趋势发生改变。目前，在水文序列趋势变化和突变分析上广泛采用的方法是Mann-Kendall法[1]。此方法是一种非参数检验方法，可检验水文时间序列的变化趋势和变化程度，即可揭示已发生的水文时间序列是上升还是下降趋势和说明上升或下降趋势变化是否显著，但无法获取水文序列未来的趋势变化。大量的研究发现，水文时间序列具有统计自相似性，未来与过去存在相同或相反的变化特征，即具有分形特征[2-4]。R/S法是基于分形理论的提出的一种统计方法[5-6]，可用于分析获取水文时间序列的分形特征，但无法确定水文序列未来趋势变化是上升或下降。

鉴于R/S法和Mann-Kendall法分别在分析水文时间序列过去、未来趋势变化上各有特点，本文尝试将R/S法和Mann-Kendall法相结合，以西江梧州站1960—2015年年输沙量时间序列为研究对象，力求揭示西江中上游年输沙量时间序列的过去及未来的趋势变化。

1 研究方法与资料

1.1 研究方法

水文时间序列趋势变化分析常用分析方法有累积距平法、线性倾向估计法、滑动t检验法、游程检验法、Mann-Kendall法和R/S法等[7-8]。本文综合运用R/S法和Mann-Kendall法分析水文时间序列过去及未来的趋势变化特征。

1.1.1R/S法

R/S分析法，也称重标极差分析法(Rescaled Range Analysis)，是由水文学家Hurst经大量实证研究提出的一种非参数方法，可用于揭示非线性系统如水文时间序列长期记忆性[7]。其原理和方法是对给定某一时间序列，t=1，2，…，可构建其极差和标准差：

(1)

赫斯特指数H(0

1.1.2Mann-Kendall法

Mann-Kendall法是基于秩的非参数检验法[9-10]，检验的统计量Z计算如下式：

(2)

当统计量Z大于0时，时间序列呈上升趋势，小于0时呈下降趋势。给定置信水平α，若|Z|≥Z1-α/2，则时间序列数据存在显著的上升或下降趋势。当α取5%时，|Z1-0.05/2|=1.96。

当进一步进行时间序列突变分析时，其统计量计算式如下：

(3)

UFk服从标准正态分布，给定显著性水平α，如果|UFk|≥Uα/2，则表明序列趋势变化显著。将时间序列x按逆序排列，再按照上式计算，同时使：

(4)

综合分析UFk和UBk可进一步获取时间序列的趋势变化、突变点以及突变区域。若UFk值大于0，表明时间序列呈上升趋势；小于0则表明时间序列呈下降趋势。当它们超过临界值时，表明时间序列上升或下降趋势显著。超过临界值的范围确定为出现突变的时间区域。如果UFk和UBk两条曲线出现交点，且交点在临界直线之间，则交点对应的时刻便为突变开始的时间。

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1.2 研究资料

本文使用的年径流量和输沙量数据由水利部珠江水利委员会水文局提供，数据可靠。选取西江干流重要控制站梧州站为研究，资料年限接近60 a(1960—2015年)，系列较长，代表性好。

2 研究区概况

西江是珠江流域的主干流，从源头至思贤滘全长2 075 km，平均坡降0.58‰，集水面积353 120 km2，占珠江流域总面积的77.8%。西江自马雄山源头下流，自西向东各河段依次称为南盘江、红水河、黔江、浔江和西江，总称西江，西江流至思贤滘后汇入珠江三角洲河网区。西江为少沙河流，多年平均含沙量在0.032～0.570 kg/m3之间(梧州站)。虽然含沙量较少，但由于年径流量大，因此输沙量较大，多年平均径流量和输沙量分别为2 017亿m3和5 412万t(梧州站，见表1)。同时，输沙年际变化大，年输沙量变差系数Cv值为0.60，极值比高达33.6。

梧州水文站位于西江下游，西江干流与支流桂江汇合口以下约3 km处，集水面积327 006 km2，占西江流域总集水面积的92.6%。可见，梧州站是西江干流的重要控制站，分析研究该站的泥沙变化特征，对了解西江流域中上游水库建设后清水下泄的对泥沙变化的影响有着十分重要意义。西江流域水系见图1。

图1 西江流域示意

项目时段多年平均Cv最大值最小值极值比输沙量1960—2000年6 705万t0.4214 037万t1 691万t8.32001—2015年1 879万t0.645 341万t418万t12.81960—2015年5 412万t0.6014 037万t418万t33.6径流量1960—2015年2 017万m30.192 961万m31 024万m32.9

3 结果分析

西江梧州站1960—2015年年输沙量的M-K突变检验曲线见图2，年径流量M-K突变检验曲线见图3，逐年输沙量及径流量变化过程见图4。西江梧州站1960—2015年年输沙量和径流量趋势特征见表2。

3.1 年输沙量趋势分析

采用Mann-Kendall法对梧州站年输沙量进行检验可得，梧州站1960—2015年输沙量统计量Z=-5.22，|Z|>|Z0.05/2|=1.96，因此，梧州站输沙量序列呈显著下降趋势(表2)。

3.2 年输沙量突变分析

3.2.1突变点

由图2可知，自1995年以来，西江中上游年输沙量呈减少趋势，且2001—2015年的减少趋势大大超过α=0.05的临界线。根据UF、UB曲线的交点位置，可以确定西江中上游输沙量的减少为突变现象，突变点为2000年。

表2 西江梧州站1960—2015年年输沙量和径流量趋势特征

突变点前后输沙差异较大。由表1可知，1960—2000年多年平均输沙量为6 705万t，2001—2015年多年平均输沙量为1 879万t，下降幅度达72.0%；变差系数Cv值由0.42增大为0.64，极值比由8.3增大为12.8。

3.2.2原因分析

河流输沙量变化受自然因素、径流变化和人类活动等影响，其中人类活动主要有水库大坝修建、水土保持措施等。限于资料，本文仅从径流变化及流域大型建设拦沙两方面进行突变原因分析。

图2 西江梧州站年输沙量M-K突变检验

a) 径流变化。对梧州站1960—2015年径流量进行Mann-Kendall检验分析，力求获取该站输沙量下降趋势及突变是否与径流量变化有关。梧州站1960—2015年径流量Mann-Kendall检验统计量Z=-0.77(表1)，径流量呈下降趋势。梧州站年径流量UF值在α=0.05的临界线之间波动(图3)，未超过显著检验，说明径流量下降趋势不明显，这与图4线性趋势分析结果一致。另外，UF和UB曲线基本在临界线内波动，虽有几个交点，但变化趋势不显著，且年径流量Cv较小(Cv=0.19，表1)，不存在突变现象。由图4可知，梧州站1960—2015年的逐年输沙量和径流量均呈锯齿形震荡，但输沙量总体呈下降趋势，而径流量变化趋势不明显。从20世纪90年代中期开始，输沙量呈减少趋势，但径流量仍围绕多年平均值(2 017亿m3，表1)波动，即径流量并未与输沙量序列同步波动。

b) 流域大型水库拦截泥沙。西江干流泥沙主要来源于黔江，而黔江泥沙主要来源为红水河[11]。流域各梯级水库库容复核显示，天生桥一级水库年均淤积量1 081万m3(1985—2005年)，龙滩水库年均淤积量2 384万m3(2007—2016年)，岩滩水库年均淤积量1 322万m3(1993—2016年)，大坝拦沙影响明显。可见，西江中上游年径流量呈不显著下降趋势，输沙量呈显著下降趋势且发生变异，但输沙量的减少与变异与径流量变化关系不大，主要受流域大型水利枢纽工程建设拦沙影响。西江中上游20世纪90年代至21世纪初期兴建了多座大型水利枢纽工程，如天生桥一级水库1997年底下闸蓄水，龙滩水库2006年9月底下闸蓄水，岩滩水库1992年3月下闸蓄水，光照电站2007年12月31日下闸蓄水，百色水库2005年8月26日下闸蓄水。

图3 西江梧州站年径流量M-K突变检验

图4 西江梧州站1960—2015年年输沙量与径流量年际变化过程

3.3 年输沙量未来趋势分析

在应用R/S和Mann-Kendall法前，首先进行方法的可行性检验。对Mann-Kendall法揭示出水文时间序列的变异点前的序列进行分析，对变异点后序列进行检验，然后再结合整个序列的趋势变化来预测其未来的趋势特征。

3.3.1方法检验

西江梧州站年输沙量变异点为2000年。采用Mann-Kendall法分析梧州站1960—2000年和2001—2015年输沙量的趋势特征，西江中上游1960—2000年Mann-Kendall检验统计量Z=-1.70，|Z|<|Z0.05/2|=1.96，输沙量呈下降趋势，但不显著；2001—2015年Mann-Kendall检验统计量Z=-1.48，|Z|<|Z0.05/2|=1.96，输沙量呈不显著的下降趋势。用R/S法计算梧州站1960—2000年序列H=0.8274>0.5，说明梧州站1960—2000年序列趋势变化具有持续性，即2001—2015年的趋势变化与1960—2000年相同，即如果1960—2000年呈上升趋势，那么2001—2015年呈上升趋势；相反，则有下降趋势。根据Mann-Kendall法的分析结果，梧州站2001—2015年输沙量序列呈不显著的下降趋势，与R/S法对1960—2000年序列的分析结果吻合。综上所述，R/S法和Mann-Kendall法可应用于水文时间序列趋势分析，且能很好地解释水文时间序列未来的趋势变化。分析结果见表1。

3.3.2分析结果

采用已检验可行的R/S法和Mann-Kendall法对西江梧州站1960—2015年的输沙量序列未来的变化趋势进行分析。Mann-Kendall法分析结果显示，西江梧州站1960—2015年年输沙量序列呈显著下降趋势，见表1。经R/S检验，西江梧州站1960—2015年年输沙量序列极差与标准差关系为：

R(τ)/S(τ) =(0.3875τ)0.9232

(5)

可见，H=0.9232>0.5，说明西江中上游未来输沙量的变化趋势与1960—2015年一致，即西江中上游1960—2015年的变化趋势具有持续性。

综合R/S法和Mann-Kendall法的分析结果可得，西江流域中上游地区输沙未来呈下降趋势。西江梧州站年输沙量这种趋势变化特征可以为西江流域应对清水下泄对沿江防洪工程的影响提供科学的依据。