鉴江流域径流变化特征分析

胡 培，邱 静，陈思淳，李深林

(1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2.河口水利技术国家地方联合实验室，广东 广州 510635)

在气候、地形、下垫面等自然因素的影响下，流域径流的变化呈现规律性和随机性的变化特征[1-2]。随着流域人类活动的强烈干预，河川径流量出现了明显的变化，对区域经济社会的可持续发展也有较大的影响[3-4]。

2010年，广东省政府颁布《广东省鉴江流域水资源分配方案》，开展鉴江流域枯水期水量调度，通过对高州水库、拦河坝、梯级水库、取水户的调度管理，改变流域枯水期径流过程，以保障枯水期用水安全。本文通过开展鉴江流域径流变化特征分析，深入了解鉴江流域水资源特性，为流域水资源的开发利用、节约、保护等提供依据[1]。

1 鉴江流域概况

鉴江流域发源于信宜县的虎豹坑，流经茂名市高州、化州、电白、市区，在湛江市吴川沙角旋出海，流域总面积为9 464 km2(茂名市境内为7 949 km2、湛江市境内为770 km2，广西境内为745 km2)，多年平均水资源总量为89.4亿m3，是茂名市、湛江市主要生活、生产水源地。

20世纪60年代初，茂名市在鉴江流域上游修建石骨、良德两库相联通的大型水库——高州水库，控制集雨面积为1 022 km2。鉴江干流现已建大坡山、旺罗、秧地坡、红荔、南盛、江边村、高岭、积美、吴阳拦河坝和鉴江枢纽等梯级枢纽，同时，中上游各支流还兴建大批小型水库及山塘，解决了茂名市、湛江市吴川地区的生活、工业、农业用水，对沿岸社会经济发展起到了积极的推动作用。

鉴江流域主要包括高州、合江、化州等控制断面，其中，化州断面控制全流域65%以上集水面积，其径流情势代表了整个鉴江流域水量调控的效果，因此，本文选取化州站作为本次鉴江流域径流变化特征分析的代表站点。图1是鉴江流域水系和主要控制断面位置示意。

图1 鉴江流域水系及控制断面位置示意

2 天然径流特征分析

2.1 资料数据

收集化州水文站1956—2016年共61 a逐月实测径流量数据(见图2)。另外，为作径流的还原计算，还收集了高州水库逐月蓄水变量、蒸发资料，茂名市、湛江市吴川市历年灌溉面积、灌溉定额、田间渗漏、城市生活用水量、城市工业用水量等资料。

图2 化州水文站1956—2016年逐月实测径流数据示意

2.2 径流还原

为分析化州水文站天然径流特征，研究天然径流的变异情况，识别径流变化的主要影响因素，需要对实测径流量进行还原计算。根据《全国水资源调查评价技术细则》，采用水量平衡法对径流数据进行还原，见式1。

W还原=W实测+ΔW库蓄+W引水+W分洪+W农耗+W工业+W生活

(1)

式中W还原为还原后的天然径流量水量；W实测为水文站实测径流量；ΔW库蓄为统计时段内流域水库蓄水变量(增加取+，减小取-)；W引水为跨流域引出引入水量(引出取+，引入取-)；W分洪为河道分洪流出流入水量(流出取+，流入取-)；W农耗为农业灌溉用水耗损量；W工业为工业用水耗损量；W生活为城镇生活用水耗损量。

其中，鉴江流域没有跨流域引出引入水量，取值为0；流域内仅有下游出海口塘尾分洪工程，该工程位于化州断面以下，该项取值为0；农业、工业、城镇生活耗水量采用《广东省第三次水资源调查评价》成果。

按照该方法对化州站逐月径流量进行还原，还原后天然径流量见图3。

图3 化州水文站1956—2016年逐月天然径流数据示意

2.3 变化及突变特征

1)Mann-Kendall检验

Mann-Kendall法是世界气象组织推荐的时间序列分析时的非参数检验方法，并广泛地用来分析降水、径流、气温等要素的时间序列的变化情况[5-7]。该检验不需要样本服从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，适合水文、气象等非正态分布的数据，计算比较简便。

Mann-Kendall方法的检验统计量为UFk，其计算过程见式2。

(2)

式中k为各统计数据；秩序列Sk是i时刻值大于j时刻值个数的累计数，如式3；E(Sk)、Var(Sk)分别为累计数Sk的均值和方差。

(3)

UFk为标准正态分布，按时间序列x的顺序计算统计量序列；按时间序列x的逆序，再重复上述过程，计其检验统计量为UBk。UFk、UBk两统计构成的曲线如果出现交点，且交点在临界直线之间，那么交点对应的时刻就是突变开始的时刻。显著性水平为0.05时检验统计量临界值为±1.96。

2)Spearman检验

斯波曼检验(Spearman’s rho)是一种基于秩相关的检验方法[8]，以Spearman 秩相关系数衡量评估数据的变化趋势，计算见公式4。

(4)

其中R(xi)表示数据xi在时间序列中的排序(秩)，由于不存在趋势的序列的统计值D满足正态分布，故可定义斯波曼检验统计量ZSP。

(5)

如果从小到大排序，ZSP>0，表明序列有上升趋势；ZSP<0，表明序列有下降趋势；ZSP=0，表明序列没有变化趋势；如果从大到小排序，则相反。如果|ZSP|≤Zα/2，则接受零假设，即变化趋势不显著；否则，变化趋势显著。

3)计算结果及分析

根据Mann-Kendall检验计算方法，对化州站1956—2016年天然年径流量进行计算，计算结果见图4。可以看到，计算时间范围内，除了前10 a由于计算时段较短，计算数据存在一定的波动之外，化州站年径流量呈现上升的变化趋势，其中，1975—1976年、1983—1988年呈现显著的上升趋势，其他年份上升趋势并不明显。计算数据时段10 a以上的序列中(1967年以后)，UFk、UBk两统计构成的曲线未出现交点，化州站没有明显的突变特征。

图4 化州站天然年径流量M-K检验示意

根据Spearman检验计算方法，对化州站1956—2016年天然年径流量进行计算(见表1)。计算的时间序列统计值和和斯波曼检验统计量分别为D=0.19，ZSP=1.46，从长序列尺度上看，化州站年径流量有上升的趋势，与M-K检验的结果相同。选取置信度α=0.05，相应的临界值Zα/2=1.96，化州站年径流量Spearman计算结果未能通过显著性检验，表明径流量上升趋势并不明显。

表1 化州站天然年径流量Spearman检验

总体上看，化州站天然径流量有一定的上升趋势，但是不显著，也不存在序列突变的情况，序列一致性较好，因此，可以认为，降雨、蒸发等气候变化要素对鉴江流域近60 a的径流量影响较小，鉴江流域径流量变化的主要影响因素是人类活动的影响。

3 实测径流特征分析

3.1 年径流量变化特征

将化州站天然年径流量与实测年径流量相减，绘制逐年的径流量差值示意(见图5)。可以看到，化州站各年份的天然径流量均大于实测径流量，表明鉴江流域在提供和保障茂名市、湛江市生活、工业、农业用水方面起到了相应的作用。而且，1960年以前化州站天然径流量和实测径流量的差值较小，主要是该时段流域范围内没有可调节的大型水利工程，流域水资源利用率较低，高州水库建成后，通过蓄丰补枯，极大的改善了鉴江流域的供水。

图5 化州站天然与实测径流量差值示意

3.2 枯水期径流变化特征

在化州站逐月实测径流量的基础上，统计各年份枯水期(4—9月)的径流量，并分不同时段计算枯水期径流量的占比，计算结果见表2。从表2可以看到，1980年以前，鉴江流域供水以农业用水、发电用水为主，枯水期供水量较少，化州站枯水期径流量约占全年径流量的19%；1981—2009年期间，鉴江流域涉及的茂名市、湛江市城市用水逐渐增加，鉴江流域综合考虑区域的生活用水、生产用水，结合高州水库的调度，逐步提高流域枯水期的下泄流量，化州站枯水期径流量约占全年径流量的21%，较上一段时间枯水期径流量有所提高；2010年以来，广东省政府颁布《广东省鉴江流域水资源分配方案》，开展鉴江流域枯水期水量调度，充分发挥流域内的调蓄工程，进一步保障流域的枯水期用水，该时段内，化州站枯水期径流量占全年径流量比例提高至31%，水量调度效果明显。

表2 化州站不同时段枯水期径流占比

4 结语

1)本文以鉴江流域控制站点——化州站为研究对象，研究鉴江流域天然径流特征、实测径流特征，分析鉴江流域枯水期水量调度效果，为流域水资源的开发利用、节约、保护等提供依据。

2)采用水量平衡法对化州站径流量进行还原，并利用Mann-Kendall检验和Spearman检验研究化州站天然径流量的变化和突变特征，结果表明，以化州站为代表的鉴江流域近60 a来天然径流量呈现不显著的上升趋势，序列一致性较好，不存在突变，流域径流量变化的主要影响因素是人类活动。

3)通过对比化州站实测年径流量和天然年径流量，可以看到，由于流域供水，鉴江流域各年份的天然径流量均大于实测径流量，且在高州水库建成后，对流域水资源利用率进一步提高；通过统计不同时段化州站枯水期径流量占比，可以发现，2010年广东省开展鉴江流域枯水期水量调度以来，化州站枯水期径流量占全年径流量比例由原来的20%左右提高至31%，水量调度效果明显。

4)本文重点研究了鉴江流域天然和实测的径流特征，分析对径流特征的主要影响因素，未来的研究可以结合具体的人类活动方案，定量研究人类活动产生的影响，探索提出对鉴江流域水量、水质的保障措施。