变化环境下岩溶区流域径流变化特征研究

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(1.广西大学土木建筑工程学院， 广西南宁530004；2.工程防灾与结构安全教育部重点实验室， 广西南宁530004；3.广西防灾减灾与工程安全重点实验室， 广西南宁530004)

0 引言

在全球气候变化和人类活动不断加剧的大背景下，我国水文循环过程发生了明显变化[1-3]，给流域水资源开发利用、管理以及水生态系统保护带来一系列影响[4]。因此，变化环境下流域径流变化特征研究成为当前的研究热点[5]，如李永坤等采用累积滤波器和小波分析等方法分析了气候变化背景下塔里木河上游的径流变化特征，发现年径流量呈现微弱下降趋势[6]；王德芳等利用M-K、小波分析、集中度和集中期等方法研究了变化环境下浑河流域径流变化特征，发现浑河径流量的年际和年内变化有助于发展流域社会经济和保护河流生态系统的健康[7]；李永格等运用数理统计方法对曹家湖流域年径流变化特征进行研究，结果表明受季节变化的影响，年径流深表现出减小的态势[8]；王万瑞等采用多种时间序列统计方法对洮河流域径流时空演变规律进行研究，发现各站点径流变化规律一致，均呈现显著减少趋势，且年内分配不均匀性较大[9]。目前，非岩溶区流域径流方面的相关研究已较为深入，但岩溶区流域径流变化特征方面却鲜有研究，岩溶区流域独特的地形地貌使得其水文特性与非岩溶地区相比更加复杂，在岩溶地区，下垫面条件的不同，常出现明流与暗流相互交替、地表水和地下水频繁转化的现象，由于地上地下双重空间结构的影响，使得岩溶区流域产汇流与非岩溶区差异较大。

本文基于岩溶区流域—平塘站1963-2014年径流资料，采用线性趋势法、滑动平均法、累积滤波器法、滑动秩和检验法、Mann-Whitney-Pettitt(MWP)检验法、滑动t检验法、Morlet小波分析法和R/S分析法研究年径流深、雨季径流深和枯季径流深的趋势、突变和周期变化特征以及未来变化趋势，以期为岩溶区流域水资源综合规划、合理开发与高效管理提供一定的科学参考，同时也为岩溶区流域径流的短期预测提供依据。

1 研究区域概况

图1 澄碧河流域位置及水文气象站点分布 Fig.1 Location of hydro-meteorological stations and the reaches of Chengbihe River watershed

澄碧河流域总面积为2 087 km2，干流河长127 km，河道比降3.87‰，总落差491 m，水库坝址以上集雨面积2 000 km2，具有多年调节性能。流域地势西北高而东南低，平均海拔高程650 m。澄碧河流域属于典型的中国西南岩溶地貌，属亚热带季风气候区，光热充沛，雨热同季，夏长冬短，流域常年平均气温为22.1 ℃，极端高和极端低气温分别为42.5 ℃和-2.0 ℃，多年平均降水量1 560 mm，汛期(4～10月)降水量约占全年降水量的87 %。多年平均流量约为37.8 m3/s，多年平均径流量11.92亿m3，径流年际变化较大。平塘站是流域内主要的水文站，位于东经106.64°、北纬24.09°，集水面积1 326 km2，记录有1963年至2014年共52年逐日流量资料，该数据资料完整且可靠，对岩溶区流域径流变化研究具有良好的代表性(见图1)。

2 研究方法

文中采用线性趋势法[10]、滑动平均法[11]和累积滤波器法[12]分析岩溶区流域—平塘站年径流深、雨季径流深和枯季径流深时间序列的趋势性变化；通过滑动秩和检验法[13]、Mann-Whitney-Pettitt(MWP)检验法[14]和滑动t检验法[15]确定年径流深、雨季径流深和枯季径流深序列的突变位置；应用Morlet小波分析法[16-18]分析年径流深、雨季径流深和枯季径流深多时间尺度的周期性；最后，基于R/S分析法[19-20]预测年径流深、雨季径流深和枯季径流深时间序列的未来变化趋势。研究中利用Excel、SPSS 和MATLAB 软件进行数据的处理和分析，以揭示澄碧河流域径流的演变规律。

3 结果与分析

3.1 趋势特征

结合1963年至2014年澄碧河流域平塘站年径流深序列、线性拟合及5年滑动平均曲线(见图2(a))，可以看出，近52 a来平塘站年径流深在393.3～1 379.7 mm之间变化，其中，多年平均径流深为845.9 mm，年最大径流深为1 379.7 mm，出现在1968年，年最小径流深为393.3 mm，出现在2011年，年径流深最大值是多年径流深平均值的1.63倍，是最小年径流深的3.51倍。52 a来年径流深整体呈减少趋势，倾向率为每10 a减少16.94 mm，52 a间减少了88.1 mm，年径流深减少比较显著。

基于平塘水文站的年径流资料，绘制累积滤波曲线(见图2(b))。结合累积均值曲线可知，1969年至1977年呈现急剧下降趋势，在1978年至1992年缓慢下降，年径流深呈减小趋势，1993年至1997年缓慢抬升，年径流深稍有增加，在1998年以后，累积均值呈现减小趋势，这表明年径流深将继续呈减小趋势。累积均值曲线的整体趋势契合年径流的线性拟合和滑动平均变化趋势。

(a) 年径流深变化过程线

(b) 年径流深累积滤波器曲线

图2 平塘站年径流深变化过程线(a)和累积滤波器曲线(b)
Fig.2 Annual runoff depth variation curve and cumulative filter curve of Pingtang Station

由图3(a)知，平塘站雨季(4月份至10月份)径流深呈减少趋势，气候倾向率为每10 a减少20.8 mm，52 a减少了108.2 mm；枯季(11月份至次年3月份)径流深呈增长趋势，气候倾向率为3.86 mm/(10a)，52 a增加了20.1 mm(见图3(b))。结合累积均值曲线可知，平塘站雨季径流深符合年径流深的减少规律，枯季径流深呈现先微弱减少后增加的趋势(见图4(a)和(b))。

(a) 雨季径流深变化过程线

(b) 雨季径流深累积滤波器曲线

图3 平塘站雨季径流深变化过程线(a)和累积滤波器曲线(b)
Fig.3 Runoff depth of rainy season variation curve and cumulative filter curve of Pingtang Station

(a) 柘季径流深变化过程线

(b) 枯季径流深累积滤波器曲线

图4 平塘站枯季径流深变化过程线(a)和累积滤波器曲线(b)
Fig.4 Runoff depth of dry season variation curve and cumulative filter curve of Pingtang Station

3.2 突变特征

鉴于突变点检验的特殊性和复杂性，文中采用滑动秩和检验法、MWP检验法和滑动t检验法对澄碧河流域平塘站年径流深序列、雨季径流深序列和枯季径流深序列进行突变点的检测。

由图5可知，滑动秩和、MWP和滑动t检测结果均显示平塘站年径流深在1998年发生突变(见图(a)、(b)和(c))；雨季突变点的识别结果显示，滑动秩和检验的统计值在2013年达到最大值，MWP和滑动t检验的统计值表明，序列在2008年发生突变，由于序列长度只到2014年，因此可确定平塘站雨季径流深序列在2008年前后发生突变(见图(d)、(e)和(f))；枯季突变点的识别结果显示，平塘站枯季径流深可能在1987和1991年前后发生突变(见图(g)、(h)和(i))。

3.3 周期特征

为了识别径流时间序列的周期成分及其在时域上的分布，文中利用Morlet小波分析法对岩溶区流域—平塘站年径流深、雨季径流深和枯季径流深时间序列进行周期性分析。

由图6(a)知，年径流深变化过程存在着2～4 a，5～7 a和16～22 a的三类尺度的周期变化规律，结合图6(b)可进一步得到1963年至2014年平塘站年径流深序列的第一主周期为20 a，第二主周期为6 a，第三主周期为3 a。又结合图6(c)和6(d)可知，平塘站雨季径流深变化过程也存在着2～4 a，5～7 a和16～22 a的三类尺度的周期变化规律，其第一主周期为20 a，第二主周期为6 a，第三主周期为3 a，这表明雨季径流深在时域的变化规律上同年径流深是一致的；同理可知，枯季径流深的变化规律为第一主周期24 a，第二主周期9 a，第三主周期5 a(见图(e)和(f))。

(a) 年径流深滑动秩和检验

(b) 年径流深MWP检验

(c) 年径流深滑动T检验图

(d) 雨季径流深滑动秩和检验

(e) 雨季径流深MWP检验

(f) 雨季径流深滑动t检验

(g) 枯季径流深滑动秩和检验

(h) 枯季径流深MWP检验

(i) 枯季径流深滑动t检验

3.4 未来变化特征

本文运用R/S分析法(重标极差分析法)计算Hurst指数来判别平塘站径流深的未来变化趋势。年径流深的Hurst指数H=0.558 0(大于0.5)，故可预测年径流深序列呈现显著的持续性，与1963年至2014年整体趋势保持一致，呈减少趋势；雨季径流深的Hurst指数H=0.586 3(大于0.5)，预测可知雨季径流深序列呈现显著的持续性，变化趋势与过去一致，呈减少趋势；枯季径流深的Hurst指数H=0.513 6(大于0.5)，预测可知枯季径流深序列呈现微弱持续性，变化趋势与过去一致，即呈增加趋势(见图7(a)、(b)和(c)，其中横坐标lnN表示径流深时间序列号N的自然对数，纵坐标ln(R/S)表示径流深时间序列的极差R和标准差S比值的自然对数)。依据计算得到的Hurst指数可以看出，若全球气候变化依旧保持现在发展趋势或者变化更为激烈，那么岩溶区流域—平塘站未来年径流深和雨季径流深将继续呈现减少的趋势，枯季径流深则将呈现微弱增加趋势，且短时期内不会发生逆转。

(a) 年径流小波实部图

(b) 年径流小波方差图

(c) 雨季径流小波实部图

(d) 雨季径流小波方差图

(e) 枯季径流小波实部图

(f) 枯季径流小波方差图

图6 年径流深、雨季径流深和枯季径流深的小波分析
Fig.6 Wavelet analysis of the runoff depth of annual,rainy and dry season

(a) 年径流深Hurst指数

(b) 雨季径流深Hurst指数

(c) 枯季径流深Hurst指数

4 结论

①平塘站年径流深呈现显著减少趋势，倾向率为每10 a减少16.94 mm，52 a减少了88.1 mm；雨季径流深减少趋势亦明显，倾向率为每10 a减少20.8 mm，52 a减少了108.2 mm；枯季径流深则呈现微弱增加趋势，倾向率每10 a增加3.86 mm，52 a增加了20.1 mm。

②平塘站年径流深在1998年发生突变，雨季径流深在2008年发生突变，枯季径流深在1987年和1991年发生突变。

③平塘站年径流深与雨季径流深第一、第二和第三主周期分别为20 a、6 a和3 a；枯季径流深的第一、第二和第三主周期分别为24 a、9 a和5 a。

④平塘站年径流深、雨季径流深和枯季径流深的Hurst指数分别为0.558 0、0.586 3和0.513 6，表明其未来变化趋势具有持续性。