绥江流域64 a年平均径流量变化特征研究

2022-05-13冼永成

广东水利水电 2022年5期

黄丽,冼永成

(广东省水文局肇庆水文分局,广东肇庆 526000)

1 概况

绥江是北江的一级支流，地处北江下游右岸，发源于清远市连山县擒鸦岭。自西北向东南流经怀集、广宁、四会、大旺高新区4个县(市、区)，在四会市马房汇入北江干流(见图1)。流域面积为7 184 km2，河长为226 km，境内集雨面积为6 530 km2，河长为197 km，河床平均坡降为0.025%，全流域多年平均径流量为73.64亿m3。绥江属山区性河流，山地约占流域面积的70%，仅在怀集县梁村盆地有一片较大的平地及四会市以下有平原地区。绥江流域主体地势呈北高南低、西高东低，山地和丘陵主要分布在广宁、怀集等县，其间分布若干盆地，如怀集梁村盆地等。河谷平原分布在东南部的四会，为珠江三角洲平原西北边缘。绥江流域属南亚热带季风气候。年平均气温为20℃～22℃，1月份平均气温约为12℃，7月份平均气温约为28.7℃。年平均降雨量约为1 650 mm，主要集中在4—9月；年蒸发量在1 300 mm以上，无霜期310～345 d。早春多阴雨，夏秋受台风外围影响，晚秋有寒露风侵袭。流域的暴雨区主要在怀集县北部山区、流域东北部的广宁和四会交界一带。暴雨洪水频繁，一般年份可能有5～6次的中高水位以上洪水，对当地自然环境和人民生命财产造成严重威胁。充分厘清流域流量变化趋势十分必要[1-2]，为此，以绥江为例，采用线性趋势法[3]、R/S分析[4]、MWP检验法[3]、EEMD分解法[5]等分析1957—2020年绥江流域出口断面年平均流量的变化特征、周期性及演变趋势，为绥江流域水资源开发利用提供技术支撑。

图1 绥江流域范围示意

2 研究数据和方法

2.1 研究数据

选取绥江流域四会水文站为典型站点，四会水文站是由石狗水文站下迁10 km而来，石狗站流域面积为6 362 km2，1997年往下游搬迁约10 km改名四会站，四会站为绥江流域出口控制站，流域面积为 6 502 km2,约占绥江流域总集水面积的90.6%，适宜选作区域代表站，四会站与石狗站间无支流汇入，故对年均流量变化特征研究时，默认石狗站与四会站作为同一系列。流量时间尺度为1957—2020年，共64 a。

2.2 研究方法

2.2.1线性趋势法

线性趋势法是数理分析中常用的方法之一，主要用来估测长时间序列数据的回归趋势，研究用于确定年平均流量与年份之间的关系。

y=ax+b

(1)

式中:

y——年均流量，m3/s；

x——年份；

b——截距；

a——斜率，若为正值，则代表趋势增加，若为负值，则代表趋势减少[3,6]。

2.2.2R/S分析法

Hurst指数可以对年平均流量序列未来趋势进行评估，计算步骤如下：

考虑时间序列y(t),t=1,2,…,n和任意正整数λ≥1，极差R(λ)定义为：

(2)

标准差S(λ)定义为：

(3)

均值序列y(λ)和累积离差序列y(t,λ)定义为：

(4)

(5)

因为θ(t),t=1,2,…,n是相互独立、方差有限的随机序列，则：

R(λ)/S(λ)=(αλ)H

(6)

α为常数；H为Hurst指数。当0.5

2.2.3MWP检定法

MWP检定法是在连续时间序列的数据中找出变异点，其计算步骤为：

设为时间序列中的时间长度y1,y2,…,yt和yt+1,yt+2,…,yT，t代表突变年份，Ut,T定义为：

(7)

对Ut,T取绝对值KT，最重要的变异点的位置发生在KT为最大值时即：

KT=max|Ut,T|

(8)

然后求最大值KT对应发生的概率：

(9)

P值越接近于1时，则变异点的现象愈加明显。若令α为置信水平，当P>Pα时，则表示存在变异的趋势明显[3]。

2.2.4EEMD分解法

采用EEMD方法分析增雨系数时间序列资料，揭示绥江流域年平均流量的周期变化特征。计算过程见参考文献[8-9]。

3 年径流量变化特征

3.1 趋势分析

使用线性趋势法对四会站64 a年平均流量数据进行线性拟合，其中最小为2004年117.0 m3/s，最大为2019年386.0 m3/s，极值比为3.30(见图2a)，得到拟合方程y=0.001 78x+213.043，方程斜率为正，说明年平均流量与年份呈正相关关系，整体以0.0017 8 m3/s的速率呈缓慢增加趋势，但是这种趋势并不明显，故认为年平均流量处于正常波动范围内。为了进一步得到绥江流域年平均流量的多年变化趋势，利用箱线图进行数理统计(见图2b)。绥江出口断面64 a平均流量为216.58 m3/s，大部分集中在187.8～239.9 m3/s，1.5倍四分位差(IQR)数值范围是117.0～312.7 m3/s，异常值有两个，分别是1973年的364.1 m3/s和2019年的386.0 m3/s，经过资料审核，原因是这两个年份降雨量充沛。

线性趋势法可以直观看出序列数据整体变化趋势，但是不能说明这种变化的时间持续性。为了进一步对四会站年平均流量年际未来变化进行评估，根据赫斯特Hurst指数，对四会站64 a年平均流量进行了进一步分析研究(结果见图3)。由图3a可以看出，lnN和ln(R/S)的线性拟合方程为ln(R/S)=0.53lnN+0.53，拟合决定性系数为R2=0.94.说明拟合效果良好，年平均流量的Hurst指数值为0.53，大于0.5，结合前面线性趋势法得出“年平均流量整体以0.001 78 m3/s的速率呈缓慢增加趋势”的结论，进一步说明在未来一段时间内会继续保持这种变化趋势。由图3b可以看出年平均流量的V统计量在lnN=2.08处第一次开始出现明显波动，由此推求出N=8.0，由此认为未来8 a内四会站年平均流量会继续保持0.001 78 m3/s的年增长速率。由于增长速率较小，说明人类活动和气候变化对绥江流域水文规律影响较小。

3.2 突变趋势分析

经MWP突变检验检定，显著性水平取5%。绥江出口控制站四会站年平均流量的统计值KT和置信度P如图4a所示。KT取最大值时P值大于0.95置信度则代表突变趋势明显,P值越接近于1突变概率越大[10,11]。图4a中，红色标记点即为KT最大值，为174，对应年份为2012年，但是对应置信度P值为0.495，未通过置信度水平0.95检验，因此，认为绥江出口控制站四会站64 a年平均流量数据序列未发生突变，整体变化比较稳定。

为了进一步证明MWP突变检验结果的可靠性，研究选取文献[7,12]中的M-K突变检验方法进行分析，结果见图4b，像相同置信度水平条件下，UBk和UFk两条线相交在2019年，且交点在±1.96临界线之间，其余各年份均无交点，说明2019年可能是唯一突变点，但前面得出2019年为异常丰水年，并非突变年份。综合两种突变检验结果认为在绥江出口控制站四会站1957—2020年64 a平均流量数据序列未发生突变。进一步证明人类活动和气候变化对绥江流域水文规律影响较小。

3.3 周期变化分析

研究使用EEMD对四会站64 a年平均流量序列进行100次分解，信噪比取值0.2倍，图5展示了5个IMF分量和趋势项R。从图5可以看出四会站年平均流量IMF1、IMF2和IMF3分量在20世纪90年代末和21世纪初振幅最大。这正是四会水文站是由石狗水文站向下游迁10 km的变迁时期，流域集水面积从6 362 km2变为6 502k m2,这是年平均流量变化原因所在。IMF5分量的振幅和持续时间贯穿整个研究周期，代表100次分解满足周期分解需求。各分量反映了序列中固有的不同特征尺度的振荡变化，从高频到低频，相同时段内的变化频率各不相同，趋势项R表明四会站年平均流量随年际时间变化呈现增长趋势，这与3.1节研究结论互相印证。

图5 1957—2020年四会站年平均流量的EEMD分解示意

经统计分解周期及其贡献率可知(见表1)，年平均流量变化中IMF1分量方差贡献率最大，达66.26%，说明四会站年平均流量最大主周期为3 a；年平均流量变化中IMF3分量方差贡献率次之，为16.30%，说明四会站年平均流量第2主周期为5 a；同理得第3、4、5主周期分别为11 a、22 a、63 a。说明四会站年平均流量主要以小尺度周期变化为主，这不利于年平均流量增加，波动变化趋势较为稳定。这对贯彻国家《关于实行最严格水资源管理制度的意见》中“实行最严格的水资源管理制度，以水定产、以水定城，建设节水型社会”的要求，规范流域水资源管理，充分发挥流域水资源开发利用的综合效益提出了挑战。