水利工程影响下锦江流域水文情势变化研究

林伟平

(广东省水文局韶关水文分局，广东 韶关 512028)

水库、大坝等水利工程对人类创造了重要的经济价值和生态价值，但不少社会组织和个人认为大坝等水利工程对生态环境甚至地质活动造成很大负面影响，一些研究表明：人类的水土利用实际上已经改变了很多流域的水文情势[1]，而很大程度上决定了流域生态系统内的生物组成，结构及功能，影响了流域内农业、工业生产，而在地质活动方面并没有研究成果[2]。径流的变化通常包括“量”和“结构”的变化[3]。前者通常是指径流总量、流量等数值上的变化[4]。后者则注重从径流过程线的“形状”上进行分析，它反映不同时段内径流的比例[5-8]。锦江流域水文情势密切影响流域内生产、生活和生态环境，随着流域内水利工程建设，锦江的水文情势一定程度上因人类行为而改变[9]。

1 研究区域概况及数据来源

锦江属珠江流域北江水系，是北江上游主源浈江的一级支流。流域地理坐标为东经113°30′～114°02′，北纬24°54′～25°29′。流域集水面积为1 913 km2，河长为108 km，坡降为1.71‰,总落差为1 061 m。锦江水库坝址集水面积为1 410 km2，约占锦江流域总面积的74%。

锦江水库总库容为1.89亿m3，调洪库容为 0.44亿m3，调节库容为0.68亿m3，调节特性为季调节。该工程1990年6月1日开始施工。1993年8月一号机组并网发电，同年12月30日二号机组并网发电，锦江水电站主体工程完工，进入试运行阶段。1997年8月13日，仁化县锦江水电站工程竣工验收委员会对工程进行了竣工验收。仁化水文站为锦江流域控制站(流域站点分布如图1所示)。

图1 锦江流域各站点位置示意

本文的基础资料如下：长坝水文站1959—2009年50 a降水量、蒸发量及流量资料;仁化、犁市水文站1958—2008年50 a降水量及流量资料;整理后的50 a年径流量、丰水期径流量、枯水期径流量和年降水量资料用于年际变化研究的M-K秩次相关检验的趋势性分析及突变诊断；月径流量资料用于年内分配变化分析。

2 研究方法

2.1 M-K秩次相关检验

Mann-Kendall法是一种非参数统计检验方法，亦称无分布检验，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值得干扰，更适用于类型变量和顺序变量，计算也比较简便[10]。由于最初由H.B.Mann和M.G.kendall提出了原理并发展了这一方法，故称其为Mann-Kendall法。但是，当时这一方法仅用于检测序列的变化趋势。后经进一步完善和改进，才形成目前的计算格式[11-12]。

对于具有n个样本量的时间序列x，构造一秩序列：

(1)

其中：

(2)

可见，秩序列sk是第i时刻数值大于j时刻数值个数的累计数。

在时间序列随机独立的假定下，定义统计量:

(3)

式中:

UF1=0,E(sk),var(sk)——累计数sk的均值和方差，在x1,x2,…,xn相互独立，且有相同连续分布时，可由下式算出：

(4)

UFi为标准正态分布，是按时间序列x顺序x1,x2,…,xn计算出的统计量序列，给定显著性水平α，查正态分布表，若|UFi|

按时间序列x逆序xn,xn-1,…,x1，再重复上一步骤求得UBi。

这一方法的优点在于不仅计算简便，而且可以明确突变开始的时间，并指出突变区域。因此，是一种常用的突变检测方法。在本文中计算步骤及分析方法如下：

1)计算顺序时间序列的秩序列sk，并按公式(3)计算UFk。

2)计算逆序时间序列的秩序列sk，并按公式(3)计算UBk。

3)给定显著性水平，本文取α=0.05，那么临界值u0.05=±1.96。将UFk和UBk两个统计量序列曲线和±1.96两条直线均绘制在同一张图上。

4)分析绘制出的UFk和UBk曲线图。若UFk或UBk的值大于0，则表明系列呈上升趋势，小于0则表明呈下降趋势。当它们超过临界直线时，表明上升或下降趋势显著。超过临界线的范围确定为出现突变的时间区域。如果UFk和UBk两条曲线出现交点，且交点在临界线之间，那么焦点对应的时刻便是突变开始的时间。

2.2 月径流量分配比较

取锦江水库建成运营的1993年作为分界，将仁化站、长坝站和犁市站1958—2009年的月流量系列分为1958—1993年、1993—2009年两个时段，计算各时段各月份的流量均值，以及各时段各月流量占该年年径流量比例的均值，作图以比较分析，锦江水库对仁化站、长坝站和犁市站月径流量分配的影响，以此推断锦江水库对流域径流年内分配的影响。

3 水文情势变化分析

3.1 年内变化

对以下11项资料进行M-K秩次相关检验的趋势性分析及突变诊断：长坝站50 a年蒸发量系列；长坝站50 a年降水量系列；仁化站、长坝站和犁市站50 a年径流量系列；仁化站、长坝站和犁市站50 a丰水期径流量系列；仁化站、长坝站和犁市站50 a枯水期径流量系列。

检验结果见表1，年蒸发量20世纪90年代起有显著上升趋势；年降水量无显著趋势；年径流量方面，仁化站和长坝站90年代均有较显著下降趋势，突变点未检测出，犁市站无显著趋势；丰水期径流量方面，仁化站和长坝站90年代初均有较较弱的显著下降趋势，突变皆从1991年开始，犁市站无显著趋势；枯水期径流量方面，犁市站从80年代起有很显著的上升趋势，突变从1967年开始，长坝站从80年代起有较显著的下降趋势，突变从1972年开始，仁化站80年代初有较弱的显著下降趋势，突变从1970年开始。

表1 M-K检验结果分析汇总

以长坝站年蒸发系列、仁化站年径流量系列、仁化站丰水期径流量系列检验过程为例，介绍M-K秩次相关检验的趋势性分析及突变诊断。

1)长坝站年蒸发量系列检验

输入长坝站50 a年蒸发资料，经过计算得到UF和UB系列(如图2所示)；添加表示95%置信区间的纵坐标为±1.96的2条虚线。1990年后UF一直小于-1.96，说明长坝站年蒸发量系列存在明显的上升趋势，UF和UB存在位于置信区间内的交点，因此认为1987年为年蒸发量系列的突变点。

图2 长坝站年蒸发量系列MK检验示意

2)仁化站年径流量系列检验

输入仁化站50 a年径流量资料，经过计算得到UF和UB系列(如图3所示)；添加表示95%置信区间的纵坐标为±1.96的2条虚线。UF曲线在90年代低于-1.96，表示长坝站流量在90年代有明显的下降趋势，虽然在60年代出现了几处UF曲线和UB曲线交点，但其距离90年代较久远，因此60年代的交点不视为90年代显著下降趋势的突变点，只可以视为60年代出现了不显著的突变。

图3 仁化站年径流量系列MK检验示意

3)仁化站丰水期径流量系列检验

输入仁化站50 a丰水期径流量资料，经过计算得到UF和UB系列(如图4所示)；添加表示95%置信区间的纵坐标为±1.96的2条虚线。UF曲线在90年代初期低于-1.96，表示长坝站丰水期径流流量在90年代初期有明显的下降趋势，1991年UF曲线和UB曲线相交，虽然略微超过置信区间，但仍可说明1991年仁化站丰水期径流量开始突变。

图4 仁化站丰水期径流量系列MK检验示意

根据图1的各站点位置，并考虑锦江水库1990年开始施工，得出如下结论：锦江水库的兴建导致坝下年径流量下降，丰水期径流量下降；导致下游干流年径流量下降，丰水期径流量下降；对下游支流处基本无影响；南水水库的建成导致下游较近处枯水期径流量显著增加，导致下游较远处枯水期径流量下降(可能是同时兴建的其他水利工程导致)。

3.2 年内分配

将仁化站、长坝站和犁市站50 a逐日平均流量资料整理成月径流量资料，分为水库建成前和水库建成后两个时段，计算各站两个时段的平均年内月径流过程(见表2)；计算各站两个时段月径流量占年径流量比例均值(见表3)。仅仅从表2、表3中观察，很难发现水库建设对流量影响的内在规律，需要绘制各站月径流分配图辅助分析(以仁化站为例，见图5～图10)。

图5 仁化站各时段月径流分配示意

图6 仁化站各时段月径流分配示意

图7 长坝站各时段月径流分配示意

图8 长坝站各时段月径流分配示意

图9 犁市站各时段月径流分配示意

图10 犁市站各时段月径流分配示意

表2 各站建坝前后各月径流量均值 万m3/s

表3 各站建坝前后月径流量占年径流量比例均值 %

分析前需要说明的是，根据长坝站资料代表的流域降水及蒸发年际资料M-K检验，随着年际增长，该流域降水量在95%置信区间内没有出现显著趋势变化，蒸发量出现了显著地减少趋势，在进行工程影响分析时需考虑以上两个因素。

1)比较图5与图6，图7和图8，图9和图10，都可以发现月径流量分配系列的形状与月经流量占比系列的形状相似。

2)观察图5和图6中两个时段系列的差别，可以直观发现，水库建成后月径流量最大值显著小于水库建成前；最大值出现月份两时段相似；各时段的月径流量最小值差距不大；两时段的径流分配曲线形状有较大差异，水库建成后3、4、5月径流量及其占比显著低于水库建成前，6、7、8、10月径流量及其占比显著高；可以说明，锦江水库对仁化站径流年内分配有显著影响，主要表现在最大月径流量减小，且丰水期流量分配差别很大。

3)观察图7和图8，与仁化站相似，锦江水库对仁化站径流年内分配有显著影响，主要表现在最大月径流量减小，且丰水期流量分配差别很大。

4)观察图9和图10，从径流量的量值来看，水库建成后月径流量最大值大于水库建成前，但从占比来看，两时段差别不大，考虑到蒸发量显著减小而降水量无减小趋势，推测月经流量最大值的增长是自然因素导致；此外，两时段4、5、7、8月流量及其占比差异较大，可以说明，锦江水库对犁市站径流年内分配有影响但小于前两站，主要表现在丰水期流量分配差异。

综上所述，经过月径流分配的分析，并考虑年际降水和蒸发趋势，可以推断锦江水库对仁化站、长坝站、犁市站的年内径流分配有影响，距离越远影响越小。

4 结语

1)分别应用M-K秩次相关检验的趋势性分析及突变诊断和月经流量分配比较进行锦江流域年际和年内水文情势分析，得到如下结论：年际方面，锦江水库的兴建导致坝下年径流量下降，丰水期径流量下降；并导致下游干流年径流量下降，其丰水期径流量下降；对下游支流处基本无影响；年内方面，锦江水库建成后，流域径流年内分配受显著影响，主要表现在最大月径流量减小，且丰水期流量分配改变，水库下游距离越近影响越大。

2)流域水文情势分析方法还有很多，年内分配方面有不均匀性系数、集中度和集中期、IHA法和变化幅度等；年际变化方面有移动平均趋势分析和HURST指数分析等，这些方法各有何特点，有何作用，有待进一步研究。此外，仅仅分析出水利工程对水文情势的影响还不够，这些影响对生态环境、社会生产有何负面影响，如何对这些负面影响应对，都有待进一步研究。