雅砻江流域径流极值变化规律及影响因素分析

2020-08-11李峥嵘董晓华林青霞

水力发电 2020年5期

李峥嵘，彭涛，2，董晓华，2，林青霞

(1.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌 443002；2.水资源安全保障湖北省协同创新中心，湖北武汉 430072)

0 引言

受气候变化和人类活动的影响，众多江河水文情势发生了显著的变化，干旱、洪涝等极端水文事件频发。近年来，以极端水文事件发生规律与机理为重大科学问题的全球变化研究已经引起了国内外众多学者的关注[1-3]。针对变化环境下导致的径流极值变化问题，国内外学者开展许多相关研究工作。张强等[4]分析了鄱阳湖流域6个水文站年最大流量、最大3 d和最大7 d平均流量的概率分布以及影响因素；何艳虎等[5]采Mann-Kendall法、R/S等方法对东江流域年径流及极值流量变化特征及成因进行了分析；罗贤等[6]利用怒江流域近50年来气温、降水和径流数据，发现20世纪90年代以来怒江流域枯水径流有较为明显的增长；姚梦婷等[7]采用GP、GEV等21种分布函数对淮河流域径流极值序列进行拟合；Leander等[8]利用校正的气象模型探讨了默兹河流域气温、降水对极端径流的影响；Ruiz-Villanueva等[9]以德国西南地区极端水文事件为研究对象，探讨了极端径流对气候变化的响应。

雅砻江位居全国十三大水电基地第3位，水能资源极为丰富，因此对雅砻江流域进行径流极值演变规律分析具有重要意义。当前已有一些学者研究雅砻江流域的径流特性及其变化趋势[10-12]，但对流域极值流量演变特征及成因分析的尚不多见。基于此，本文以雅砻江流域雅江和洼里逐日径流资料为研究对象，采用Mann-Kendall检验法、有序聚类法、突变点检验(Pettitt)法以及小波分析法分析研究雅砻江流域极值流量的趋势性、突变性和周期性特征，并探讨雅砻江流域径流极值变化的影响因素，为流域洪水灾害防治、经济社会的持续发展提供参考依据。

表1 极值流量指标特征统计值及M-K检验值

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域概况

雅砻江发源于青海省巴颜喀拉山南麓，干流全长1 571 km，流域面积约13.6万km2。雅砻江流域季节干湿分明，11月至次年4月为干季，河川径流多以地下水补给为主。5月至10月为雨季，气候湿润，降雨集中，占全年的90%～95%。雅砻江流域主汛期为6月～9月，大洪水多发生于7月～8月。雅砻江中下游处于大暴雨区内，为洪水主要来源地区，其洪水特性是峰高、量小、历时短。地处雅砻江中游的雅江水文站集水面积6.57万km2，多年平均径流量659 m3/s，下游的洼里水文站集水面积10.23万km2，多年平均径流量1 170 m3/s。

1.2 数据来源

径流资料为雅砻江流域雅江站1953年～2015年和洼里站1959年～2004年的逐日流量数据，源自长江水利委员会水文局。本文所用的年最大(1、3 d和7 d)平均流量、年最小(1、3 d和7 d)平均流量基于逐日流量资料提取。由于雅江站1962年～1964年逐日流量数据缺测，年极值流量数据由洼里站同年数据插补得到。本文选用的雅砻江流域理塘、石渠、甘孜等15个气象站的降水和气温数据来源于中国气象局科学数据共享服务网 (http:∥www.cma.gov.cn/)。四期土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn/)。

2 研究方法

选用Mann-Kendall法对雅砻江流域年极值流量趋势性进行分析。Mann-Kendall法(简称“M-K法”)是目前常用的非参数检验方法[13]，可用于时间序列的趋势和突变检验。M-K趋势检验通过计算统计量Z判断序列变化趋势。若Z>0，则为上升趋势；反之，则为下降趋势。若|Z|大于一定显著性水平下的临界值，则变化趋势显著；否则不显著。

采用M-K法、有序聚类法和Pettitt法对雅砻江流域极值流量突变特征进行检验，M-K法通过分析统计序列UF和UB值，来判断序列突变点，具体计算步骤见参考文献[14]。有序聚类分析法是一种推求时间序列发生可能性突变点的有效方法[15]，实际上是推求最优分割点，使得同类之间的离差平方和最小，而类与类之间的离差平方和相对较大。Pettitt是由Pettitt 在1979年提出的一种非参数统计检验方法，结合Loess参考函数能够较好的识别序列分布的突变点[16]。

在水文系统的多时间尺度变化特征的研究中，小波分析是一种有效的方法[17]。本文采用复Morlet小波连续小波变换，通过小波功率谱分析，表现不同尺度下序列信号的强弱，据此确定序列显著周期的震荡范围。

3 结果分析

3.1 极值流量基本特性及趋势分析

雅砻江流域雅江和洼里站径流极值统计特征见表1。由表1可知，雅江站和洼里站径流极值指标变差系数在0.15～0.28之间，年际变化相对不大。相比雅里站而言，洼里站的变差系数和偏态系数较雅江站要小，这说明洼里站极值流量序列年际变化相对较小和分布对称程度更好。雅江和洼里站径流极值M-K趋势检验结果见表1。雅江和洼里站年最大(1、3、7 d)流量M-K检验统计值均为正值，且小于1.96，说明雅江和洼里站年最大流量序列均未通过显著水平α=0.05的信度检验，表明两个站年最大流量表现为不显著增加趋势。雅江和洼里站年最小(1、3、7 d)流量M-K检验值均为负值，且未通过显著水平α=0.05的信度检验，表明两个站年最小流量表现为不显著减少趋势。

图1 雅江和洼里站M-K法突变检验

图2 雅江和洼里站有序聚类法突变检验

3.2 极值流量突变分析

采用M-K法、有序聚类法和Pettitt法，综合分析雅江和洼里站极值流量序列突变特征，结果如图1、2和表2所示。

由图1、2可知，雅江站最大日流量正反序列曲线在信度线内存在3个交点(2009年、2011年和2013年)，而经过有序聚类法和Pettitt法检验得到可能的共同突变点则为1998年；雅江站最小日流量正反序列曲线于1954年、1957年和1999年在信度线内有3个交叉点，再通过有序聚类法和Pettitt法得到可能的突变点分别为2013年和1997年，但均未通过95%的显著性水平。洼里站最大和最小日流量正反序列曲线在信度线内均存在多个交点，但有序聚类法和Pettitt法检验均未检测到统计意义上的突变点。

表2 M-K法、有序聚类法和Pettitt法突变检测结果

图3 雅江和洼里站极值流量小波功率谱

类似地，对雅江和洼里站极大值(3、7 d)流量、极小值(3、7 d)流量进行分析，结果见表2。从表2可以看出，雅江站最大3 d流量由有序聚类法和Pettitt法均检验得到1998年为可能突变年，但未通过95%的显著性水平，表明雅江站最大3 d流量突变不显著，雅江站最大7 d流量亦然。由三种突变方法分析得到雅江站最小3 d、最小7 d流量存在多个可能突变点，但突变均不显著。洼里站最大3 d流量由M-K法和有序聚类法均检验得到序列可能突变点为1998年，但突变不显著。由三种突变方法分析得到洼里站最大7 d流量存在多个突变点，但均为不显著突变。从洼里站最小3 d、最小7 d流量的M-K法和有序聚类法检验结果来看，序列可能突变点均为2000年，但均未通过95%的显著性水平，表明突变不显著。

综合上述3种突变检验方法，雅砻江流域雅江站最大日流量在1998年发生统计意义上突变，这与1998年雅砻江流域发生特大洪水年份一致。

3.3 极值流量周期分析

采用Morlet小波分析法对雅砻江流域雅江、洼里站年最大、年最小流量系列进行周期性分析。由雅江站最大日流量小波功率谱图可知，雅江站最大日流量在1953年～2015年期间存在4个震荡周期，分别为1～2、6、10 a和16 a的周期。其中，1～2 a和6 a的震荡周期通过了置信水平为95%的红噪声检验，说明这个周期在全时域内显著，为主周期；而10、16 a的震荡周期没有通过置信水平为95%的红噪声检验(图3a)；由雅江站最小日流量小波功率谱图来看，在1955年～1980年、1983～2012年小波功率谱震荡比较强烈，存在1～2 a和6 a的震荡周期，且通过了置信水平为95%的红噪声检验，具有显著的周期特征(图3b)。洼里站最大日流量小波功率谱图显示，在1955年～2012年小波功率谱震荡强烈。其中，1～2 a和6 a的震荡周期通过了95%的红噪声检验，周期显著(图3c)；而洼里站最小日流量在1～2 a震荡周期通过了置信水平95%的红噪声检验，其余周期均未通过95%的红噪声检验(图3d)。类似地，对雅江和洼里站最大3、7 d和最小3、7 d流量序列进行周期分析，变化周期分别与相应的最大1 d和最小1 d流量序列结果相同。

综上所述，雅江和洼里站极值流量序列在时域中都存在着显著的短震荡周期。雅江站最大(1、3、7 d)流量、最小(1、3、7 d)流量有1～2年和6年的震荡周期；洼里站最大(1、3、7 d)流量存在1～2 a和6 a的震荡周期；洼里站最小(1、3、7 d)流量有1～2 a的震荡周期。

3.4 影响因素分析

3.4.1气候变化

为了研究雅江和洼里站降水与径流的关系，本文搜集了研究区域以及邻近地区15个气象站的逐日降水数据。首先采用泰森多边形法计算雅江和洼里站控制流域以上面平均降水量，然后提取与年最大日流量序列对应的降水极值序列[18]。在此基础上，计算雅江和洼里站自1970年以来降水序列Cv、Cs值20 a的滑动值变化情况，得到1989年以来降水极值和径流极值的Cv、Cs滑动值序列(见图4)。

图4 年最大日流量和降水序列参数20 a滑动Cs/Cv变化过程

由图4可知，雅江和洼里站年最大降水序列和洪峰序列的20 a滑动Cs/Cv值在1992年后变化趋势基本一致。这说明雅砻江流域径流极值突变主要是气候变化因素造成的。

3.4.2土地利用变化

为反映人类活动造成的土地利用变化对径流极值的影响，统计分析雅砻江流域1980年、1990年、2000年和2010年4个时期土地利用变化情况(见表3)。

表3 雅砻江流域不同时期土地利用占比统计 %

从表3可以看出，雅砻江流域土地利用类型以草地为主，其次是林地，这两类土地利用类型的面积占流域总面积的85%以上，水域和城乡居民用地占比不足2%。从1980年到1990年，水域面积从1.7%下降到0.4%，变化幅度为1.3%，2000年之后水域面积略有增加。总之，除了1980年～1990年水域面积明显减少以外，研究区域不同时期的土地利用变化均比较小，土地利用变化不是流域径流极值突变的主要原因。

3.4.3水利工程的影响

目前雅砻江流域已建成的大型水库有二滩和锦屏一级，分别于1998年和2012年下闸蓄水，总库容分别为58亿m3和77.6亿m3，两座大型水库均位于雅砻江下游。本文选用的雅江站位于雅砻江干流中游，故该站的水文情势不受二滩和锦屏一级水库调蓄的影响；此外，洼里站位于锦屏一级与二滩水库之间，2012年运行的锦屏一级水库对洼里站1959年～2004年的径流极值也无影响。由此来看，大型水利工程的运行对雅江和洼里站站径流极值影响不大。