绿兰水文站1982-2016年径流量演变特征分析

魏 炜，李程程，莫崇勋

（1.广西交通职业技术学院，南宁 530023；2.广西大学土木建筑工程学院，南宁 530004）

[关键字] 径流量；演变特征；小波分析；Mann-Kendall突变检验法

0 引言

近年来，党中央国务院高度重视中小河流治理，2015年11月29日起实施的《中共中央国务院关于打赢脱贫攻坚战的决定》（中发[2015]34号）明确提出要“加大对贫困地区抗旱水源建设、中小河流治理、水土流失综合治理力度”。目前绝大多数的沿岸乡镇、村屯和农田都没有设防，只有通过河岸阶梯抵御洪水，防洪标准很低，中小河流洪水灾害造成的损失已经成为广西洪涝灾害的主体[1]。因此，针对中小河流的径流量变化规律进行研究，就显得十分的必要。鉴于此，本文选择位于广西中小河流九曲河上的绿兰水文站近35 a的径流量演变特征进行分析，为中小河流的治理及水资源的利用提供科学的参考。

1 研究概况及数据处理

绿兰水文站位于广西河池东兰县，是我国基本水文控制站，站号为B0406000，该水文站于1980年设立于中小河流九曲河（又名曲江）上，控制集水面积205.2 km3。绿兰水文站上游河段有于1969年建成巴康水库，该水库的总库容为24.6万m3，有效库容为9.9万m3，水库集雨面积1.58 km2，仅为绿兰水文站集雨面积的0.77%。

九曲河是珠江水系西江红水河段支流。有两源，南源出广西壮族自治区东兰县新烟溶洞，经巴拉、伦界至绿兰林场场部；西源自达文溶洞东流至绿兰林场。向东流至东兰县县城有委荣溪注入，穿过县城中心至安篓汇入红水河，全长29 km，流域面积为335.8 km2，是广西典型的中小河流。

本次研究收集到了绿兰水文站1982-2016年共计35 a逐日平均径流量，通过算术平均值计算得到历年年均径流量，作为研究分析的基础数据。

2 研究思路与方法

为了更好地研究绿兰水文站近35 a径流量的变化特点，拟从径流量变化的趋势性、突变性和周期性3个角度进行分析。采用的方法分别如下：

（1）线性趋势法。利用线性趋势法[2]对绿兰水文站近35 a径流量整体变化趋势进行分析。

（2）Mann-Kendall检验法。此方法在检验水文时间序列突变性领域得到了广泛的应用[3～5]，本次研究通过Mann-Kendall检验法对绿兰水文站近35 a的径流量突变性进行分析。

（3）Morlet小波分析法。由于Morlet复小波变换能够同时求出径流量随时间序列变化的相位和振幅，通过相位可以求出水文参数在时间尺度上的变化周期，利用小波系数方差可以表达周期震荡的强弱程度。本次研究通过Morlet小波分析法[6]对绿兰水文站近35 a的径流量周期性进行分析。

3 结果分析

3.1 趋势性分析

根据绿兰水文站近35 a年平均径流量进行趋势分析，并绘制趋势分析图（见图1）。绿兰水文站近35 a径流量变化很小，呈微弱上升趋势，每年上升量仅为0.0 085 m3/s。近35 a来，最大年均径流量为12 m3/s，出现在2008年；最小年均径流量为2.275 m3/s，出现在2016年。

图1 绿兰水文站近35 a径流量变化趋势图

3.2 突变性分析

采用Mann-Kendall突变检验法对绿兰水文站近35 a年均进行突变性检验，并绘制UF、UB曲线（见图2），本次研究采用显著性水平α=0.05，因此统计量UF和UB的临界值为±1.96。由图2可知，UF、UB曲线在置信区间内不存在相交情况，说明在近35 a绿兰水文站径流量没有发生突变。

3.3 周期性分析

利用matlab数值软件计算绿兰水文站近35 a径流量序列小波系数，并绘制小波系数实部和模值等值线图，结果如图3、图4所示，同时计算小波系数的方差，并绘制方差在时间尺度上的变化曲线，结果如图5所示。由图3可知，绿兰水文站径流量序列存在着4～6 a、9～16 a、16～22 a、28～32 a多尺度周期变化规律；由图4可知，周期在5 a、12 a、30 a三个时间尺度处震荡较为强烈，处于周期震荡中心。由图5可知，小波方差曲线的3个峰值分别对应着5 a、12 a、30 a三个时间尺度，这跟小波模值等值线图一致，进一步印证了其震荡中心的特征。三个峰值中，30 a尺度对应的峰值最高，说明30 a为绿兰水文站径流量时间序列的第一主周期，其次为12 a、5 a，分别为第二、第三主周期。

图3 绿兰水文站径流量序列小波系数实部等值线图

图4 绿兰水文站径流量序列小波系数模值等值线图

图5 绿兰水文站径流量序列小波方差曲线图

4 讨论

（1）径流量序列变异性问题讨论。根据绿兰水文站径流量序列近35 a趋势性和突变性分析可知，径流量35 a来变化很小，也没有发生实质性突变。这主要是由于九曲河径流量比较小，开发利用程度比较低，人类对河道径流的影响小，能够保存原有自然的河流生态系统。这也是众多中小河流的特性，后续为了更为科学研究中小河流的径流演变特征，建议采用多河流多水文站对比分析研究。

（2）未来径流量变化问题讨论。由图5进一步分析，对于第一主周期，2016年正处于径流量偏多周期末期，即将进入径流量偏少周期，由此可以遇见，在未来30 a内，绿兰水文站径流量总体将处于偏少状态；对于第二主周期，2016年正处于径流量偏多周期的中心位置，说明未来6 a，绿兰水文站径流量还持续保持相对偏多状态；对于第三周期，2016年处于偏少周期前部分，未来2～3 a仍处于径流量偏少状态，这与绿兰水文站2017-2019年实际平均径流量偏少的情况相符，说明通过周期尺度预测未来径流量的变化具有较好的准确性。

5 结论

（1）近35 a，绿兰水文站径流量整体变化呈微弱上升趋势，每年上升量仅为0.0 085 m3/s。

（2）近35 a，绿兰水文站径流量没有发生实质性突变，主要是由于中小河流开发利用程度较低。

（3）绿兰水文站径流量序列存在着多尺度周期变化。第一主周期为30 a；第二主周期为12 a；第三主周期为5 a。