汉口水文站流量演变特性分析

范嘉泽

摘要：在变化环境以及上游梯级水库调蓄影响下，分析长江中下游地区流量的演变规律，对流域管理、规划和治理均具有重要参考意义。选取长江中下游重要控制站汉口水文站1952～2019年的年均流量序列，分析了该站降水趋势特征、丰枯性以及周期特征。结果表明：汉口站年均流量序列主周期为28 a，次周期分别为12 a和5 a;汛期平均流量序列的主周期为27 a，次周期分别为13 a，5 a和3 a;非汛期平均流量序列的主周期为28 a，次周期分别为12 a和6 a;与三峡水库蓄水前相比，汉口站汛期流量总体以减小为主，8，9月份减幅分别为9.02%和8.96%。在上游水库联合调度条件下，汉口站汛期流量进一步减少，8，9月份减幅分别达到12.47%和26.01%。与三峡水库蓄水前相比，汉口站非汛期流量总体以增加为主，1，2月增幅分别为22.57%和23.22%。在长江上游水库联合调度条件下，汉口站非汛期流量进一步增加，1，2月增幅分别达到50.49%，39.81%。

关键词：流量变化; 丰枯性; 周期性; 三峡水库; 汉口水文站; 长江中下游

中图法分类号：TV121 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.005

文章编号：1006 - 0081（2022）06 - 0025 - 05

0 引 言

长江是中国水量最丰富的河流，流域内气候温和、雨量充沛。2016～2020年，长江流域水资源总量平均值为11 068.446亿m3，约占全国水资源总量的37.1%[1]。截至2021年，长江流域已建成各类水库5万多座，总库容近3 600亿m3，已建成大型水库300余座，总调节库容1 800余亿m3，防洪库容约800亿m3。其中，纳入2020年度长江流域联合调度范围的控制性水库41座[2]。长江流域水资源状况不仅影响着流域的经济、环境和发展，还影响着国家水安全战略。

近年来，在变化环境和人类活动综合影响下，水循环演变规律已成为水文学研究的国际性热点问题，尤其是径流演变分析。鉴于长江流域水资源的重要战略意义，应重点分析研究长江中下游径流量的演变规律和变化趋势。国内外学者采用多种方法对不同流域径流量序列的趋势性、突变性和周期性开展了分析[3-5]。趋势分析方面，采用的方法主要包括聚类分析法、线性趋势回归检验、坎德尔秩次检验（M-K）、斯波曼秩次检验（Spearman）以及IPTA方法等[6-8];突变分析方面，采用的方法主要包括坎德尔法（M-K）、水文变异诊断系统等[9-12];周期分析方面，则主要采用小波分析法[10-12]。序列的时域组成主要包括年际、年代际、年内（汛期及非汛期）、季度等[8-12]。

汉口水文站是有着完备水文资料的百年老站、是国家重要基本站，同时也是长江中下游典型控制站，其流量序列规律极具代表性。本文利用多种分析方法，对汉口水文站1952～2019年流量序列进行分析，为长江流域水资源演变规律分析提供参考。

1 研究区概况

汉口水文站始建于1865年，位于湖北省武汉市武汉关，是收集长江中游干流水沙资料的国家基本水文站。汉口站基本水尺位于左岸武汉关，上游4 800 m有武汉长江大桥，下游3 900 m有长江二桥，上游左岸约3 200 m处有汉江汇入。流量测验断面位于基本水尺下游约5 400 m，测验断面呈单式河床，左浅右深。左岸河床由细沙组成，冲淤变化较大，右岸河床由粗沙组成，河底不平顺，主槽偏右较稳定，左岸坡度平缓，有宽滩。下游左岸有府河入汇，其量微小，入汇处有天兴洲横亘江心。河段顺直，下游呈喇叭型，两岸均筑有砌石护坡，大堤脚有防浪林。

2 数据与方法

漢口站水文年鉴资料从1952年开始刊印，1952年以前的流量资料精度不高、连续性差，且没有经过资料整编或复查。2003年6月，三峡水库开始蓄水。三峡水库建成运行后，受其调度影响，汉口站径流年内分配较三峡水库建成前有所均化。为了保证水文资料的一致性，本文选取该站1952～2002年的实测流量资料，组成年均、汛期和非汛期3个流量时间序列，采用线性回归、距平分析、小波分析等方法，分析了汉口站流量的演变特性、丰枯性以及周期特征。此外，采用三峡水库蓄水后汉口站2003～2019年流量序列，对比分析了三峡水库调蓄影响下汉口站洪枯流量的变化趋势。

3 结果分析

3.1 流量历史演变规律

水文现象的变化具有一定规律性，流量序列的历史演变规律是定量分析水文现象、总结变化规律并预测未来趋势的重要手段。本文采用小波分析法研究汉口站流量的历史演变规律。小波函数选择Morlet函数，通过不同时间尺度之下的Wf （a， b）数值变化分析历史流量序列的丰枯变化和突变发生时间点。

3.1.1 年均流量周期变化

由汉口站年平均流量Morlet小波实部图与小波方差图（图1）可知：①该站年平均流量19～31 a尺度的周期震荡信号最为明显，1977年后震荡信号最明显尺度范围缩小到24～31 a;在19～31 a尺度的周期上，流量震荡信号正负交替，存在7个丰、枯交替循环特征和7个震荡中心，震荡中心依次位于1950年代初和末期、1960年代中后期、1970年代中期、1980年代初和末期、1990年代初期。②年平均流量的小波方差存在3个极大值，分别对应着5，12 a和28 a的周期尺度，其中以28 a为周期峰值最大，以12 a为周期峰值居次，以5 a为周期峰值最小。因此，汉口站年均流量存在28 a的主变化周期，次周期为12 a和5 a。

3.1.2 汛期和非汛期流量周期变化

由汉口站汛期（5～10月）和非汛期（11月至次年4月）平均流量Morlet小波实部图（图2）可知：① 汛期平均流量以10～15 a尺度的周期震荡最为明显，25～30 a尺度的小波实部高度闭合，存在7个丰枯循环交替特征;② 非汛期以20～30 a尺度为周期，存在7个丰枯交替循环特征和7个震荡中心（1958，1963，1968，1974，1979，1985年和1991年）。

由上述序列的小波方差图（图3）可知：① 汛期的小波方差存在4个极大值，分别对应着3，5，13 a和27 a的周期尺度，其中以27 a为周期峰值最大;② 非汛期的小波方差存在3个极大值，以28 a为周期峰值最大，非汛期平均流量的主周期为28 a，次周期为12 a和6 a。

3.2 流量未来变化趋势

3.2.1 年均流量丰枯变化

1952～2019年间（图4），汉口水文站多年平均流量为22 300 m3/s，最大年平均流量为32 000 m3/s（1954年），最小年平均流量是16 900 m3/s（2006年），变差系数为0.12。线性回归分析法表明：该序列呈现减少趋势，倾向率为-1.01 s。为进一步量化分析其变化趋势，选取不受三峡水库调蓄影响的1952～2002年作为分析对象，M-K趋势检验法统计量Z=0.54<1.96（即显著性α=0.05的临界值）。因此，综合回归分析和趋势检验结果表明，汉口站年均流量呈现不显著的减少趋势。

由3.1节分析可知，汉口站历史年均流量存在5 a的变化周期，因此将该站年平均流量距平值年际变化过程绘制于图5，图中虚线部分为流量距平的5 a滑动均值线。由圖可知，流量距平值总体正负持平，即总体而言汉口站流量年际枯丰交替频繁。2002年之前，流量“丰年”较少，但流量距平绝对值大，1954年距平值达到9700m3/s;2002年以后，年均流量整体处于偏枯期。综合图4和图5可知，三峡水库建成运行后，受水库调蓄影响，汉口站年均流量较蓄水前总体呈进一步减小趋势。

3.2.2 汛期与非汛期平均流量丰枯变化

为进一步分析汉口站的年内变化规律，汛期和非汛期流量年际变化过程如图6所示。采用M-K趋势检验法对该站1952～2002年汛期与非汛期流量序列开展趋势分析。汛期和非汛期的M-K统计量Z分别为0.02和1.29，均未达到显著性α=0.05的临界值，不具有显著变化趋势。因此，由综合变化趋势图和趋势检验结果可知，汉口站汛期流量呈减少趋势，非汛期流量呈增加趋势。此外，受三峡水库调蓄影响，年内分配较水库建成前有所均化，致使汛期流量均值减小、非汛期流量均值增大。

（1） 汛期流量变化趋势。2003年三峡水库建成蓄水，2012年溪洛渡、向家坝、三峡梯级水库联合蓄水，两阶段汛期流量变化情况统计见表1和图7。由表1和图7可知，不考虑联合调度条件下，与1952～2002年多年平均相比，汛期流量总体以减小为主。主汛期8，9月份平均流量较1952～2002年同期月平均流量减少了3 400 m3/s和3 100 m3/s，减幅分别为9.02%和8.96%。上游水库联合调度条件下，受上游溪洛渡、向家坝等梯级水库综合调蓄作用，汉口站汛期流量进一步减少，8，9月份平均流量较1952～2002年同期月平均流量进一步减少为4 700 m3/s和9 000 m3/s，减幅分别达到12.47%和26.01%。

（2） 非汛期流量变化趋势。两阶段非汛期流量变化情况统计见表2和图8。由表2和图8可知，不考虑联合调度条件下，与1952～2002年多年平均相比，非汛期流量总体以增加为主。1，2月份平均流量较1952～2002年同期月平均流量增加了1 860 m3/s和1 960 m3/s，增幅分别为22.57%和23.22%。上游水库联合调度条件下，受上游溪洛渡、向家坝等梯级水库综合调蓄作用，汉口站枯水期流量大幅增加，1，2月份平均流量较1952～2002年同期月平均流量增加达到4 160 m3/s和3 360 m3/s，增幅分别达到50.49%和39.81%。考虑纳入联合调度的水库群数量进一步增加，汉口站枯季流量将会进一步增加。

4 结 论

本文以长江中下游典型控制站汉口站为分析对象，选取实测长序列实测流量资料。考虑三峡水库的调蓄影响，分1952～2002年（蓄水前）和2003～2019年（蓄水后）两个时段，采用回归分析、距平分析、小波分析等方法，分析了该站各代表时段的流量特征、丰枯性以及周期性，主要结论如下。

（1） 汉口站年均流量的主周期为28 a，次周期为12 a和5 a;汛期平均流量的主周期为27 a，次周期为13 a，5 a和3 a;非汛期平均流量的主周期为28 a，次周期为12 a和6 a。

（2） 较三峡水库蓄水前，汉口站汛期流量总体以减小为主，8，9月份减幅分别为9.02%，8.96%。上游水库联合调度条件下，汛期流量进一步减少，8，9月份减幅分别达到12.47%，26.01%。

（3） 较三峡水库蓄水前，汉口站非汛期流量总体以增加为主，1，2月份增幅分别为22.57%，23.22%。上游水库联合调度条件下，非汛期流量进一步增加，1，2月份增幅分别达到50.49%，39.81%。

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Analysis of flow evolution characteristics at Hankou Hydrological Station

FAN Jiaze

（College of Hydraulic&Environmental Engineering，China Three Gorges University， Yichang 443002， China）

Abstract： The analysis of flow evolution in the middle and lower reach of Yangtze River considering changing environment and the regulation and storage of cascade reservoir in the upstream of Yangtze River has important reference for the management， planning and governance of the basin. The annual average flow series of Hankou Hydrological Station from 1952 to 2002，a typical control station in the middle and lower reach of Yangtze River， was selected， and the precipitation trend， abundance and dryness and periodic characteristics were analyzed. The results showed that the main period of the annual average flow sequence of Hankou Station was 28 a， and the secondary periods were 12 a and 5 a; the main period of the average flow sequence in the flood season was 27 a， and the secondary periods were 13 a， 5 a， and 3 a; the main period of the average flow sequence in the non-flood season was 28 a， the secondary period was 12 a and 6 a; compared with the flow before the storage of Three Gorges Reservoir， the flood season flow at Hankou Station reduced in general， and the reduction rates in August and September were 9.02% and 8.96%， respectively. Under the joint operation of the upstream reservoirs， the flood season flow was further reduced， and the declines in August and September reached 12.47% and 26.01% respectively. Compared with the flow before the storage of Three Gorges Reservoir， the non-flood season flow at Hankou Station increased， and the increase rates in January and February were 22.57%， 23.22%. Under the joint operation of the upstream reservoirs， the flow in non-flood season further increased， and the growth rates in January and February reached 50.49% and 39.81% respectively.

Key words： flow variation; abundance and dryness characteristics; periodicity; Three Gorges Reservoir; Hankou Hydrological Station; middle and lower reach of Yangtze River