资水流域径流年内分配变化趋势研究

李 颖，姚 奕

（1.湖南省水文仪器设备检测中心，湖南 长沙 410000；2.湘潭水文水资源勘测中心，湖南 湘潭 411100）

引 言

流域的径流年内分配具有不均匀性，这种不均匀性与径流的补给条件密切相关，不均匀性特征值的变化对应着补给条件的改变，气候的变化和人类活动的影响也对不均匀性特征值的变化有着重要的驱动作用。

王金星、张建云（2008）等在《水科学进展》中利用不均匀系数、完全调节系数、集中度、集中期等对近50年来中国六大流域径流年内分配特征进行了量化研究[1]，杨远东（1984）在《地理学报》中基于汤奇成等用借鉴降雨量年内分配的向量法表示径流年内分配，提出了用集中度、集中期作为特征值量化表示径流年内分配特征的计算方法，并比较了集中度和不均匀系数表示年内径流分配特征对各月径流量敏感性的强弱，认为年径流不均匀系数对年内各月量的敏感性不如集中度明显，集中度和集中期表示年径流年内分配是一种可行的良好方法[2]。本文基于对流域内不均匀系数、调节系数、集中度、集中期4个定量化流域年内径流分配特征值的计算，利用Mann-Kendall非参数统计检验方法，线性趋势分析法对其变化趋势进行分析，并探讨其成因，以期对流域内水资源的开发利用和水利工程的规划布局提供可靠依据。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

资水自邵阳县双江口以上分为左右两支，左支为赧水，是资水正源，右支为夫夷水。资水流域面积28113 km2，全长661 km，平均坡降0.462‰。

资水流域属于亚热带湿润性大陆季风气候，具有“气候温和，四季分明，严寒期短，暑热期长，热量充足，雨水集中，春温多变，夏秋多旱”的特点，流域多年平均降水量1 481.8 mm，最大月降水多出现在6月，多年平均最大月降水占全年降水的13%～20%，最小月降水多出现在12月，多年平均最小月降水占全年的1.6%～4.0%。资水流域降雨多集中于4—7月，沿雪峰山脉为降雨高值区,衡邵丘陵区为降雨低值区。

资水流域建成了筱溪、柘溪、马迹塘、修山、六都寨等系列梯级水利水电工程，人为地削丰补枯调节径流,改变了流域自然水文情势。

1.2 数据来源

本文收集了资水流域干流的冷水江和桃江（二）两个水文站1956—2016年的实测月径流资料作为分析资水流域径流年内分配变化规律的基础数据，其中部分缺失的资料采用插补方法进行补充完整，所有实测径流数据均来自湖南省水文水资源勘测中心。冷水江站位于资水流域中游，桃江（二）站位于资水流域下游出口处。

2 研究方法

2.1 径流年内分配特征值的计算

本文对径流年内分配特征进行了定量化，利用分别位于资水流域中游和下游的冷水江站和桃江（二）站的实测月径流资料进行流域年内径流分配特征定量计算，定量值有：完全年调节系数Cr、年内分配不均匀系数Cu、集中度Cn和集中期D。郑红星、李艳、王兆礼等分别在黄河源区、北江流域等地采用了这些参数对其流域的年内径流分配特征进行了相关研究和描述，方法可行且效果良好，其计算方法参考相关文献[3～4]。

通过对该方法的研究可知，完全年调节系数Cr、年内分配不均匀系数Cu数值越大，则说明径流年内分配越不均匀，各月径流量相差越大，集中度Cn数值越大，则说明径流年内分配越集中，D则表示集中的日期。

2.2 径流年内分配特征值的变化趋势分析

采用Mann-Kendall检验法和线性倾向法2种方法相互印证，对反映径流年内分配特征的四个定量化特征值进行趋势变化分析，两种方法简述如下：

1）Mann-Kendall检验

Mann-Kendall非参数秩次相关检验法，简称M-K法。曹洁萍等在将此法应用于降雨趋势分析中指出：Mann-Kendall检验法是在时间序列趋势分析中，世界气象组织推荐并已经广泛使用的非参数检验方法，许多学者已经将其应用在降雨、径流、气温和水质等要素在时间序列中的趋势变化分析，该方法不需要样本遵从一定的分布，也不受到少数异常极值的干扰，计算简便，非常适用于水文、气象等非正态分布的数据趋势分析[5]。

2）线性倾向法

用xi表示样本量为n的某一变量，用ti表示xi所对应的时间，建立xi与ti间的一元线性回归方程

xi=a+bti(i=1,2,…,n)

式中 a——回归常数；

B——回归系数。

利用最小二乘法估计a和b。回归系数b的符号表示变量x的趋势倾向，b>0说明x随时间t的增加而呈上升趋势,反之x呈下降趋势,通常又称b为倾向值。

3 结果与分析

3.1 资水流域径流年内分配特征值和变化趋势计算结果

根据资水流域干流的冷水江和桃江（二）两个水文站1956—2016年的实测月径流资料，逐年计算各水文站的年内分配特征值，分别得到两个水文站1956—2016年的4个时间长度为61年的年内分配特征值系列，再将61年的特征值系列分成1956—1980年、1981—2000年和2001—2016年3个特征值系列，分别计算各个特征值系列的平均值，其结果见表1。

表1 资水流域2个水文站径流年内分配特征值和特征值变化趋势分析结果表

采用Mann-Kendall检验法和线性倾向法对4个特征值1956—2016年系列进行趋势计算，计算结果见表2，线性关系图见图1。

图1 资水流域2个水文站径流年内分配特征值序列及线性关系图

表2 资水流域2个水文站径流年内分配

3.2 资水流域径流年内分配特征值变化趋势分析探讨

分析结果显示，流域内径流年内分配不均匀性呈减小趋势，即流域内径流年内分配正趋于均匀化，这与流域内大量的水利发电工程的兴建有着密切的关系，根据1995年《资水流域规划报告》可知，资水开发任务以发电为主，兼顾防洪、灌溉、航运及其他综合利用，自20世纪70年代以来，流域内建成了筱溪、柘溪、马迹塘、修山、晒谷滩等众多中型水库，双江口以下资水干流规划有13级水利水电工程，这些水利工程的兴建，对资水流域内的径流起到了非常大的调蓄作用，极大地影响了流域内径流年内分配的不均匀性。

1）同一系列年不同水文站对比结果显示，上游的冷水江站径流年内分配特征值比下游的桃江（二）站更大，主要考虑两个方面的因素影响：一是流域自身的调蓄作用，下游的桃江（二）站集水面积较上游的冷水江站更大，相应的流域调蓄作用会更大，所以径流年内分配会更均匀；二是因为水利工程数量的增加，同样会对径流的调蓄作用更大。

2）同一水文站不同系列年之间比较显示，1956—1980年系列与1981—2000年系列相比下降幅度明显，而1981—2000年系列与2001—2016年系列特征值的平均值基本没有变化，考虑其主要的影响因素与资水流域内极端降雨的时空分布有关。李兵、章新平等对资水流域极端降水量时空变异特征研究中指出：资水流域的年最大日降水量，上游在20世纪60年代呈减少趋势，90年代后呈增加趋势，中游20世纪60年代呈现明显波动，70年代后整体呈现增加趋势，尤其是90年代后增加趋势越来越显著；下游20世纪90年代前波动特征明显，90年代后呈增加趋势，增加趋势较明显[6]。可见，资水流域整体在20世纪90年代后极端降雨呈增加趋势，也就是说降雨分配的不均匀性增加了，而随着流域内水利工程数量的增加，降雨分配不均匀性增加给径流年内分配带来的影响相应的削减了，所以导致1981—2000年系列与2001—2016年系列特征值的平均值基本不发生变化。

3）采用Mann-Kendall检验法进行趋势计算结果显示，冷水江站不均匀系数Cu、完全年调节系数Cr均通过了99%的置信度显著性检验，而集中度Cn未通过90%的置信度显著性检验，此结果印证了文章上述所提到的年径流不均匀系数Cu对年内各月量的敏感性不如集中度Cn明显。对冷水江站集中度Cn未通过90%的置信度显著性检验进行分析认为，与冷水江站集水区域内的极端降水有关，资水流域上游存在2个极端过程降水量与极端日降水量较大值区，一个位于城步，另一个位于隆回，同时还存在1个极端过程降水量最小值区位于“武冈－邵阳－新邵”一带。从不均匀系数和集中度的计算公式可知，影响不均匀系数数值的决定性因素是各月偏离月平均径流值之和，而影响集中度数值的决定性因素是单月最大径流量的值，综上因素，造就了冷水江站集中度Cn减少趋势不显著的计算结果。

4）流域集中期D有上升趋势，但上升趋势不显著，分析与流域内气候变化和人类活动有关，大气环流和气候的变化以及对水热条件影响的变化，将引起降雨时空分布的变化，从而导致径流在时空分布上的变化。随着全球气候变暖和人类活动加剧，流域水文过程必然会发生巨大变化。

4 结 论

对资水流域中游和下游的冷水江水文站和桃江（二）水文站的径流年内分配特征进行定量计算，定量值有：完全年调节系数Cr、年内分配不均匀系数Cu、集中度Cn和集中期D，并采用Mann-Kendall检验法和线性倾向法2种方法对流域径流年内分配特征的4个定量化特征值进行趋势变化分析计算，主要结论如下：

1）资水流域中上游的年内分配不均匀性要大于流域中下游；径流集中期流域中上游与中下游对比相差不大，近似相等。

2）受到水利工程建设等方面的影响，资水流域径流年内分配正在趋于均匀，由于后期受到流域内极端降雨趋势增加的影响，导致在时间序列内前期均匀化速度快于后期。

3）资水流域中上游的年内径流分配不均匀性减小速度要快于中下游。

4）受到气候变化和人类活动的影响，流域集中期D有上升趋势，但不显著。