南水北调中线调水对汉江中下游水文情势的影响

朱烨 李杰 潘红忠

摘要：2014年12月12日南水北调中线工程正式通水，调水对汉江中下游的影响逐渐显现。为更好地研究上游调水对汉江中下游的影响，对调水前后汉江中下游的水文情势进行了分析。基于黄家港、皇庄、仙桃站1990～2016年流量数据，分别计算了调水前后上述3个河段流量特征值的变化，并运用Mann-Kendall非参数检验法进行趋势检验和突变检验。结果显示：调水后，各种历时的年平均流量和丰枯率均呈下降趋势，年平均流量在2014年由于调水发生突变;调水后径流年内分配趋于均匀化（径流年内不均匀系数、集中度相对变化幅度变小）。南水北调中线工程调水对汉江中下游水文情势有明显影响，有关部门应采取相应的措施。

关 键 词：水文情势; 特征值; 年内分配; 汉江中下游; 南水北调中线工程

中图法分类号： TV67 文献标志码： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.01.015

南水北调工程是实施我国水资源优化配置，解决区域缺水问题的跨世纪重大战略工程。工程于2003年9月正式启动，2014年12月正式通水。该工程的实施对促进我国华北地区经济社会和生态环境可持续发展具有重要意义。

南水北调中线工程从丹江口水库陶岔闸引水，近期年调水量95亿m3，远期年调水量130亿m3。为此，丹江口大坝在原来基础上加高，坝顶高程由 162 m 提高至 176.6 m，正常蓄水位由157 m提高至 170 m，总库容达到290.5亿m3，由年调节水库变为不完全多年调节水库。调水后，丹江口水库的下泄水量大幅减少，从而对汉江中下游生态环境产生重大影响。一些专家学者从不同角度对调水产生的影响进行了预测分析，如2000年，张家玉等[1]对生态环境影响进行了研究;2004年，谢平等[2]对水华的影响进行了研究并提出解决对策;2005年，陈君[3]对水质影响进行了研究。2009年，肖婵等[4]以仙桃河段为主要研究对象预测分析了南水北调中线工程对汉江中下游水文情势的影响。本文采用黄家港、皇庄、仙桃3站的实测数据，分析南水北调中线工程调水前后汉江中下游水文情势变化情况。

1 研究区概况

汉江中下游干流主要水文站点如图1所示，包括黄家港、襄阳、皇庄、沙洋、潜江、仙桃等。本文选取黄家港、皇庄、仙桃站分别作为汉江中下游上、中、下河段的代表站并对这3个站点进行研究。黄家港水文站位于丹江口坝下6.19 km，集水面积95 217 km2;皇庄站水位观测始于1932年6月，1933年5月增加流量、含沙量测验，1936年9月断面上迁18 km至碾盘山，设立碾盘山水文站，1973年4月又下迁18 km回皇庄，观测至今。碾盘山、皇庄水文站集水面积分别为140 340 km2和142 056 km2，上距丹江口大坝分别为223 km和241 km。仙桃水文站距漢江河口157 km，为汉江下游在东荆河分流后的水情基本控制站。

2 水文情势变化分析

2.1 Mann-kendall非参数检验法

2.1.1 方法原理

Mann-Kendall检验法最初由M.G.Kendall 和H.B.Mann提出，起初该方法只能用于检验数据序列的变化趋势，通过不断改进完善后，可对数据序列是否发生突变进行检验。Mann-Kendall检验法属于一种非参数检验法。非参数检验法又被人们称作无分布检验，它的优点是：样本不用遵从一定的分布条件，也不会被少数异常值干扰，更加适合类型变量和顺序变量，并且计算也比较简单。

（1） 趋势检验。在M-K非参数检验中，原假设H0为时间序列数据（x1，x2，x3，x4，…，xn），是n个独立的、随机变量同分布的样本;备择假设H1是双边检验，对于所有的k，i小于等于n，且k不等于i，xk和xi的分布是不相同的，定义统计变量S

S=n-1k=1sign（xi-xk）（1）

式中，sign（）为符号函数，当xi-xk小于0时，sign（xi-xk）等于-1;当xi-xk等于0时，sign（xi-xk）等于0;当xi-xk大于0时，sign（xi-xk）等于1;S为正态分布，其均值为0，方差Var （S）=n（n-1）（2n+5）/18。

Mann-Kendall统计量公式S大于、等于、小于0时分别为：

Z=（S-1）/n （n-1）（2n+5）/18 S>0 Z=0S=0 Z=（S+1）/n （n-1）（2n+5）/18 S<0（2）

在双边趋势检验中，对于给定的置信水平α，如果Z的绝对值大于等于Z 1-α/2 ，则原假设H0是不可接受的，也就是在α置信水平上，时间数据序列存在显著的上升或下降的趋势。当统计变量Z大于0时，为增加趋势;当Z小于0时，则为减少趋势;当Z的绝对值大于等于1.28，1.64和0.232时， 表示分别通过了信度90%，95%，99%的显著性检验。

（2）突变检验。设水文序列为x1，x2，…，xn，Si为第i个样本xi> xj（1≤j≤i）的累计数，定义统计变量为：

Si=ri（3）

ri=1 xi>xj j=1，2，…，I; j=1，2，…nri=0 xi≤xj j=1，2，…，I; j=1，2，…n （4）

假设时间序列是随机假定的， Si 均值和方差分别为：

E （Si） =j （j-1）/4（5）

Var（Si） =j（j-1） （2j+5）/721≤j≤n （6）

标准化后得到：

UF1= Si-E（Si）Var（Si）（7）

式中，UF1=0，在给定的显著性水平α中，如果│UFi│大于│UFα│，就表明数据序列存在显著的变化趋势。在反序列中同样引用这种方法，得出UF′i

UBi=-UF′i，i′=n+1-Ii，I′=1，2，…，n（8）

如果UFi的值大于0，那么表明数据序列呈增加趋势;如果UFi的值小于0，则表明数据序列呈减小趋势。如果UFi和UBi两条曲线出现交点，那么交点对应的时间就是突变开始的时刻。

2.1.2 结果分析

（1） 趋势检验。由于Mann-Kendall非参数检验法要求数据序列大于10，本文将1990～2016年数据分为1990～2013年和1990～2016年两部分，根据这两部分的变化趋势，可以分析得出2013～2016年数据变化趋势，即调水对黄家港、皇庄、仙桃3个站点年平均流量的影响。表1为运用Mann-Kendall非参数检验法分别对皇家港、皇庄、仙桃站1990～2013年和1990～2016年的年平均流量序列分析所得的结果汇总（感谢长江水利委员会水文局提供的实测水文数据）。由表1可知，黄家港站1990～2013年和1990～2016年Z值均大于0，但1990～2013年Z值通过了90%的显著性检验，为显著上升趋势，远大于1990～2016年Z值，表明加上调水后3a年平均流量数据，黄家港年平均流量上升趋势大幅下降，说明调水后年平均流量与之前相比呈下降趋势;皇庄和仙桃站1990～2013年Z值大于0，呈上升趋势，1990～2016年Z值却小于0，呈下降趋势，同样表明调水后年平均流量与之前相比呈下降趋势。

（2） 突变检验。根据Mann-Kendall突变原理，对黄家港、皇庄、仙桃站1990～2016年年平均流量数据进行突变检验。图2 （a）～（c）为用专业数据分析软件（DPS软件）分析得出的Mann-Kendall突变检验曲线。由图可知，3个站点的突变检验曲线都呈现相似分布，Uf，UB曲线交点都出现在2003年和2014年附近，表明汉江干流黄家港、皇庄、仙桃站1990～2016年流量在2003年和2014年附近发生突变。笔者认为2003年附近年平均流量发生突变是因为2003年为一个气候周期节点，2003年后则开始另一个气候的周期; 而

2014年附近年平均流量发生突变是由于2014年南水北调中线工程正式调水。

2.2 流量特征值变化

将1990～2013年作为调水前，2014～2016年作为调水后，分别计算3个站调水前和调水后的流量特征值和径流年内分配，并对比分析其变化，进而评价调水工程对汉江中下游水文情势的影响。

2.2.1 年平均流量变化

图3 （a）～（c）分別为黄家港、皇庄、仙桃站年平均流量过程线。由图可以明显看出，调水后年平均流量低于调水前年平均流量，黄家港站2016年年平均流量达到1990～2016年历史最低。南水北调中线工程调水对多年平均流量的影响见表2。由表2可知，黄家港、皇庄、仙桃站调水后多年平均流量与调水前多年平均流量相比大幅度下降，下降率分别为37%，23%，31%，与Mann-kendall非参数检验法趋势分析结果相同。

2.2.2 枯期、汛期和平水期流量的变化

南水北调中线工程调水对多年平均汛期（6～9月）、枯期（1～3月，12月）、平水期（4，5，10，11月）流量以及丰枯率的影响见表2。由表2可知，调水后多年平均汛期、枯期、平水期流量和丰枯率（平均流量与枯期平均流量的比值）均减小。调水后丰枯率的减小说明汛期和非汛期平均流量差值减小，即流量峰谷差变小。

2.2.3 径流年内分配变化

（1） 不均匀系数。径流年内分配不均匀系数Cv是反映河川径流年内分配不均匀性的一个指标。不均匀系数Cv越大，表明径流年内分配越不均匀，反之，Cv越小，表明各月径流量相差越小，径流年内分配越均匀。

径流年内分配不均匀系数Cv的计算公式为

Cv=/R（9）

其中：= 12i=1（Ri-R）2;R=1/1212i=1Ri

式中，Ri为第i个月的径流量;R为年内月平均径流量。

（2） 集中度和集中期。月径流量计算的集中度比径流年内不均匀系数有更高的分辨能力和敏感性，径流集中度、集中期能够充分定量地表征径流在年内分配的非均匀性[5]。

集中度和集中期的计算是将各月径流量作为向量，月径流量的大小为该月径流矢量的模，即向量的长度，所处的月份为径流矢量的方向，并用圆周360°来表示。把1月份径流向量所在位置定为0°，则1月到12月每月的方位角分别为0°，30°，60°，… ，330°[6]。把每个月的径流量分解为x和y两个方向上的分量，则x和y方向上的向量合成分别为

Rx=12i=1Ricosαi

Ry=12i=1Risinαi（10）

则径流可合成为：

RT=R2x+R2y（11）

式中，Rx和Ry分别为12个月的分量之和所构成的水平、垂直分量，Ri为第i月的径流量，αi为第i月径流的矢量角度，i= 1，2，3，… ，12。

集中期（Runoff concentration period， P ）可表述为：

P=tan -1 （Rx/Ry）（12）

集中度（Runoff concentration degree， D ） 可表述为：

D=RT/R year （13）

式中，R year 为年径流量，R year=12i=1Ri。

当径流量在某一月内集中时，则它们合成向量的模与年径流总量之比为1，即集中度D为最大值，表明年内径流分配不均匀;如果每个月的径流量都相等，则它们各个分量累加后为0，即集中度D为最小值，表明年内径流分配十分均匀。也就是说，D值越大，年内径流量分配越不均匀，反之，D值越小，年内径流分配越均匀。集中期P值则表示1a中最大径流量出现时间。

（3）径流变化幅度。径流变化幅度的大小对于水利调节和水生生物的生长繁殖都有重要的影响。变化幅度过大，水资源的开发利用难度相应增加，水利调节的力度就必须相应地加强。另一方面，河川径流形势适当的变化幅度是一些水生生物重要的生存條件，过于平稳或者过于激烈的变化则可能导致水生生物生境的破坏，威胁生态安全[7]。

径流变化幅度Cm计算公式如下：

Cm=R max/R min（14）

式中，R max为年内最大月径流量，R min为年内月最小径流量。

表3为由上述计算方法计算得出的不均匀系数、集中期、集中度，径流变化幅度的结果分析表。由表3可知，从不均匀系数看，黄家港、皇庄、仙桃3个站点不均匀系数在调水后均下降，表明调水后径流年内分配趋于均匀;从径流年内分配集中度看，黄家港、皇庄、仙桃3个站点调水后集中度均下降，同样表明径流年内分配调水后趋于均匀;从集中期看，根据集中期计算方法，从1～12月每月的方位角α分别为0，30，60， …，360°可知，黄家港、皇庄、仙桃3个站点的集中期均在8月;从径流变化幅度来看，黄家港、皇庄、仙桃3个站点径流变化幅度均变小，该结果验证了上述两种方法的分析结果，同样表明径流年内分配在调水后变均匀。

3 结 论

南水北调中线工程调水后会对汉江中下游地区产生显著影响。本文基于黄家港、皇庄、仙桃站的多年实测流量数据，采用Mann-Kendall检验以及径流年内不均匀系数、集中度等统计方法和参数，对调水前后汉江中下游的水文情势进行了量化分析，主要结论如下。

（1） Mann-Kendall突变检验发现，1990～2016年黄家港、皇庄、仙桃3站年平均流量序列均在2014年附近发生突变，分析认为主要是由中线调水引起的。

（2） 中线调水后，各种历时的平均流量（年平均、枯期、汛期、平水期）均变小，表明汉江中下游的可用水资源量减少，在不采取其他工程或非工程措施的情况下，可能会对汉江中下游的生态环境以及经济发展等产生不利影响。

（3） 中线调水后，汉江中下游丰枯率变小。调水后汉江中下游径流年内分配趋于均匀化。黄家港、皇庄、仙桃站径流年内分配除集中期不变，不均匀系数、集中度、径流变化幅度均变小。

由于中线调水到目前为止时间序列较少，本文仅为调水对汉江中下游水文情势影响的初步研究，随着时间序列的增加，会对此进行更深入的研究。

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引用本文：朱 燁，李 杰，潘红忠.南水北调中线调水对汉江中下游水文情势的影响[J].人民长江，2019，50（1）：79-83.

Influence of Middle Route Project of South-to-North WaterDiversion on hydrological regime in middle and lower reaches of Hanjiang River

ZHU Ye1，LI jie2，PAN Hongzhong 1，2

（1.College of Resources and Environment， Yangtze University， Wuhan 430100， China;2. The International Water Ecological Research Institute， Yangtze University， Wuhan 430100， China）

Abstract：On December12， 2014， Middle-Route Project of South-to-North Water Diversion was formally put into operation， and since then， the influence of water diversion on the hydrological regime of the middle and lower reaches of the Hanjiang River has appeared gradually. In order to better research the water diversion influence， this paper uses the flow data at Huangjiagang， Huangzhuang and Xiantao Hdrological stations from 1990 to 2016 to analyze the change of characteristic discharge in the middle and lower reaches of the Hanjiang river before and after water diversion and use Mann-Kendall nonparametric test to conduct trend test and mutation test. The results indicate that the average annual flows and dry-wet rates for different periods show a decline trend， the annual flow mutation is in 2014; the annual runoff distribution become more uniform （the annual runoff concentration and relative variation rate become smaller）. It is shown that water diversion has obvious influence on the hydrological regimes of the middle and lower reaches of the Hanjiang River and related departments should take corresponding measures.

Key words： hydrological regimes; characteristic value; inner-annual runoff distribution; middle and lower reaches of Hanjiang River; Middle-Route Project of South-to-North Water Diversion