武水流域水文资料“三性”及径流特性趋势分析

2022-07-14张英智

湖南水利水电 2022年3期

张英智

（湘西水文水资源勘测中心，湖南吉首 416000）

1 基本情况

1.1 河流概况

武水上游称峒河（河溪以上干流称峒河，于河溪纳入沱江后称武水），是沅江中游一级支流，流域在东经109°20′～109°55′，北纬28°01′～28°29′之间，发源于花垣县雅酉镇坡脚村老人山，流经禾排、大兴寨、矮寨、寨阳、吉首市区、河溪、潭溪、洗溪，于泸溪县武溪镇城北社区汇入沅江，左岸主要支流有小龙洞河、德夯溪、洽比河、文溪河(分为浪头河和龙舞河)、司马河、丹青河等；右岸主要支流有万溶江、沱江、能溪河等，河流总长150 km，干流平均坡降1.95‰，流域面积为3 691 km2（其中湖南省占3 614 km2）。流域内植被良好，流域内最高点为花垣莲花山，海拔高1 179 m。武水流域水系情况见图1。

图1 武水流域水系及水文站网分布图

1.2 地形地貌

流域地貌属中低山峡谷地貌，地势西南高、东北低，山势起伏险峻，群峰连绵，若干条峡谷纵横其间，两岸山峰耸立，溪河沿山环绕，形成沟壑万千、山高谷深，地面被切割成大小不等的小盆地、台地、高峰、沟谷和陡坡、相互交错、千姿百态的奇特地势。

1.3 径流洪水

流域地处亚热带季风湿润区，产流方式以蓄满产流为主；多年平均降水量1 400 mm左右，多年平均降雨日数在160天左右；多年平均径流深787 mm。

洪水主要源于暴雨，暴雨和洪水在时空分布上基本一致，大暴雨洪水的主要天气系统高空是低涡、切变线，地面是冷锋或静止锋。根据吉首、河溪站50多年实测资料统计，洪水一般发生在4—9月，尤以5—8月较多，武水属典型的山溪性河流，河道坡降大，洪水陡涨陡落，一次洪水过程多为2～5天，单峰多于复峰。

1.4 站网布置

武水流域干流主要布设有吉首、凤凰、河溪3个国家基本水文站；有雅酉等13个国家基本雨量站。

凤凰水文站位于凤凰县沱江镇沙湾社区，设立于1962年1月，1966年1月上迁1 100 m改为凤凰（二）水文站，是武水一级支流沱江中游的重要控制站。现测验项目有水位、流量、降水量。

吉首水文站位于吉首市峒河街道新桥路，设立于1953年8月，属省级重要水文站，为武水上游峒河区域代表站，处在沅江水系一级支流武水上游。测验项目有水位、流量、降水量。

河溪水文站位于吉首市河溪镇河溪村，设立于1956年11月，1957年1月开始观测，属于沅江一级支流武水控制站，在峒河与沱江汇合口下游1.3 km处，现测验项目有水位、流量、泥沙、降水量和蒸发量。武水流域站网情况见图1和表1。

表1 武水流域国家基本水文站情况表

2 流域水文资料“三性”分析

水文资料是水文分析计算的依据和基础，资料的质量好坏关乎水文信息预报、水文分析计算、水利工程设计的合理性，因此，在使用水文资料之前，必须进行水文资料的可靠性、一致性、代表性分析。本文重点对径流资料的“三性”进行分析。

2.1 可靠性分析

水文资料的可靠性，其实就是指水文资料的正确与否；对于径流资料来说主要应从径流资料的来源、测验方法、整编精度和水量平衡等方面进行检查。主要检查洪水沿河长演进是否相应，洪峰流量沿河长变化及其发生时间是否相应合理，洪水总量是否平衡；河槽蓄水量与出水量是否大致相等等。检查上下游日平均流量变化是否相应；检查上下游水量是否平衡、径流模数是否合理，以及降水径流关系的检查与对照。

经检查分析，本次采用的武水流域干支流各代表站资料，均来源于水文机构经过整理、校核、复核、整编、复审、验收并统一进行刊印后的《水文年鉴》成果；其资料均进行了单站和综合合理性检查；本次分析检查，凤凰、吉首、河溪站的径流模数分别为0.022 m3/s·km2、0.031 m3/s·km2、0.026 m3/s·km2，由于各站控制断面以上多年平均面降雨、下垫面、产汇流条件等差异，径流模数相差较大（如吉首站以上多年平均面降雨及流域坡降较大，致使径流模数较凤凰站偏大40.9%）；河溪站多年平均年径流量大于吉首站与凤凰站的多年平均年径流量之和，即上下游水量平衡；检查年最大洪水（取典型年2014年7月14—17日洪水）过程，洪峰流量分别是凤凰站984 m3/s（7月15日）、吉首站1 500 m3/s（7月16日）、河溪站5 060 m3/s（7月16日），洪水沿河长演进、洪峰流量沿河长变化及其发生时间是相应且合理的，且洪水总量平衡；各水文站多年平均流量与集水面积关系合理（见图2）；流域各站历年断面变化较小，水位流量关系较稳定；因此，武水流域径流资料可靠性较高。

图2 武水各站年平均流量与集雨面积关系图

2.2 一致性分析

水文资料的一致性分析，是水文水资源的基础性工作内容。对于某些资料，从年际来看，一是由于受观测、测验方法的改变导致所观测量的相应改变；二是因为在系列时间范围内有人类活动影响（如历史上测站断面位置发生迁移、存在有跨流域引水和上游建有影响较大的水利工程等），也就是说表征产流条件下垫面发生变化（或下垫面条件改变不在容许范围内），且变化影响很大时，系列的一致性受到影响。这些变化通常在水文刊印的资料中难以发现，因此，在使用水文资料时，必须检查历年资料的一致性。对存在明显的某些不合理的变化成分，应进行物理成因分析和统计分析，查明原因，加以排除；对有人类活动影响的情况，要根据情况进行还原或修正。对于径流量资料一致性分析，一般采用有序聚类法、降雨径流相关法进行检查分析。

有序聚类法，就是以有序分类来推估最可能的突变点，实质是寻求最优分割点，使同类间的离差平方和较小而类与类之间的离差平方和较大。一般地，若序列有两个明显的阶段性过程，则总离差平方和的时序变化呈现单谷底现象；若有几个明显的阶段性过程，则总离差平方和的时序变化会有几个谷底，这样可以根据谷底发生的时间划分序列变化的阶段。本次分析，将武水流域凤凰、吉首、河溪3个站1957—2020年水文序列采用有序聚类法分析流域年径流序列发生变化的突变点，详见图3、图4、图5。由图3、图4、图5可知，3个站年径流离差平方和总体趋于平稳状态，虽然在2012年吉首、河溪站年径流离差平方和达到最小值，但两站径流序列没有出现显著变化。

图3 凤凰站年径流量离差平方和变化过程

图4 吉首站年径流量离差平方和变化过程

图5 河溪站年径流量离差平方和变化过程

由此可知，武水流域虽建有长潭岗水库等水利工程，但经分析，水利工程建设对武水年径流系列一致性的影响不大。

降雨径流相关法检查。本文将1957—2020年凤凰、吉首、河溪站年降雨量与年径流量进行相关分析，如图6～图8。凤凰站降雨径流关系点据稍显散乱，相关系数0.687 3；吉首站、河溪站降雨径流关系点据稍好，吉首站降雨径流相关系数0.861 2；河溪站降雨径流相关系数0.7993；3站降雨径流关系无明显系统偏离；关系点据的偏离大小呈随机变化，无明显趋势性。

图6 凤凰站降雨径流相关图

图7 吉首站降雨径流相关图

图8 河溪站降雨径流相关图

综上所述，武水流域径流资料具有一致性，无需进行一致性修正。

2.3 代表性分析

水文资料代表性，就是对资料的稳定性、周期性和变化规律进行分析，揭示系列的代表程度。本文选取武水控制站河溪水文站1957—2020年径流系列进行代表性分析；年径流多年变化周期性和稳定性，可以通过年径流差积、累积流量过程进行分析，如图9。差积曲线随时间出现多个峰谷交替，也就是说自1957年来河溪站存在多个丰、枯水年的交替循环现象。如图10，随着时间的增长，河溪站年径流模比系数累积曲线趋近于1，因此，武水河溪站径流资料代表性较好。

图9 河溪站年径流模比系数差积曲线图

图10 河溪站年径流模比系数累积曲线图

由以上分析表明，径流系列中，丰、平、枯水分布较匀，基本上能反映径流系列总体的特性，满足规范要求，具有代表性。

3 径流特征趋势分析

3.1 径流年际变化

从图9可以看出，1958—2020年，河溪水文站年径流量经历了几个大的丰枯循环：1958—1966年，径流量呈递减趋势；1967—1977年，径流量总体呈递增趋势；1978—1988年，径流量总体呈递减趋势；1994—1999年，径流量呈递增趋势；2000—2011年，径流量呈递减趋势；2012—2020年，径流量呈递增趋势。点绘5年年径流滑动平均统计分析图（图11），由图11可知，河溪水文站年径流量的变化趋势与图9的变化趋势是一致的，虽有丰枯交替，但总体上呈微弱上升的趋势。

图11 河溪站年径流量5年滑动平均曲线图

3.2 Kendall秩次相关检验

采用Kendall法，对河溪水文站年径流序列秩次相关检验，当n=64、置信度水平取α=0.05时，Uα/2=1.96。本文对河溪水文站1957—2020年年径流量序列进行Kendall法检验统计计算，其结果U=0.85，|U|＜Uα/2表示序列变化趋势不显著；且U＞0表示序列呈上升趋势。也就是说河溪水文站年径流量序列变化趋势呈现出并不显著的上升趋势。

3.3 R/S法分析

根据该流域河溪水文站多年径流资料的分析，将年径流量时间序列:{X i}={1，2，3，……64}，应用R/S分析法对河溪水文站年径流量时序进行分析。对所给序列进行分析，并进行直线拟合，得到年径流量时间序列（图12）的回归方程为ln（R/S）=0.695 9ln i-0.325 6，计算结果H=0.695 9＞0.5，这表明河溪水文站年径流量的变化具有长程相关性，存在正的持续性，意味着未来的总体趋势将与过去相同，即年径流量在未来一段时期有持续增加的趋势。