漓江上游径流演变特征及其影响因素分析

李子威，唐湘玲，黎力菊

漓江上游径流演变特征及其影响因素分析

李子威，唐湘玲*，黎力菊

（桂林理工大学，广西 桂林 541000）

【目的】探究漓江流域径流演变特征及其影响因素。【方法】以上游河段大溶江为例，根据该流域1980—2019年各气象站和水文站的长期监测数据，采用趋势检验法、突变检验法、周期分析法等方法分析了径流及气温、降水量的变化趋势、突变特征及周期规律。在确定气温、降水量与径流的相关性的基础上，建立了气温、降水量与径流的多元线性方程。【结果】漓江流域径流呈减少趋势但不显著，突变年份是2018年，在40 a的尺度下漓江流域经历了4个丰-枯变换周期。漓江流域降水量呈增加趋势，突变年份为2015年，降水展现出4次偏多-偏少交替。年均气温呈显著增加趋势，其倾向率为0.38 ℃/10 a，突变年份为2016年；整体上发生了2个冷-暖周期变换，1984、2011年为偏冷期中心年份，1981、2019年为偏暖期中心年份。在气温突变中存在1个震荡周期，其周期为6 a。【结论】预测未来漓江流域在40 a尺度下由丰水期转为枯水期；漓江流域降水未来为少水期；漓江流域气温在40 a尺度下处于偏暖阶段。该流域径流突变点由土地利用的变化、防洪补水工程的修建、气候变化等因素共同所致，降水与气温发生突变时间与华南地区气候转变相一致。

径流；突变检验；影响因素；周期性；漓江流域

0 引言

【研究意义】IPCC第六次评估报告指出，人类活动引起了全球平均表面温度升高。相较工业化前水平（1850—1900年），2010—2019年人类活动引起的全球平均表面温度升高约为1.07 ℃，其中，自然强迫影响的温度变化仅为-0.1～0.1 ℃[1-3]。全球地表温度的升高可以改变海陆热力差异，进而使大尺度环流的结构发生变化，加剧区域以及全球的水循环，进一步影响降水以及强降水的空间分布。地表的蒸发也会随地面温度的升高而增加，而且温度的升高还会增强大气保持水分的能力，进而加剧水循环[4]，导致降水、河川地表径流和洪水的增多。漓江流域对气候变化的响应极为灵敏，存在雨季洪涝频繁、旱季水量不足的问题，引起社会各界的广泛关注。漓江在1978年就被国家列为重点保护的13条河流之一，然而，漓江的水资源和水环境现状却不容乐观[5]。近年来，随着社会、经济的发展，漓江流域径流量剧减，不同用水途径的争水矛盾十分突出，这在一定程度上影响了漓江水资源保护和利用发展[6]。分析漓江流域的降水与流域变化的关系并找到其规律，对流域内的水资源持续利用、维持流域内以及下游河流的经济和社会发展，具有十分重要的作用和意义[7]。【研究进展】罗映雪等[8]以开都河上游区域为研究对象，利用分布式水文模型SWAT，采用元胞自动机-马尔科夫模型（CA-Markov）预测法，揭示土地利用变化下的流域径流变化，研究表明该地区草地是影响径流最主要的调控因子，原有草地的减少会引起夏季径流较大幅度减少。李虹彬等[9]采用Mann-Kendall-Sneyers检验估计流域水文、气象数据的变化趋势和突变情况，并试图用3种改进的弹性系数法评估气候要素（尤其是温度）对阿克苏河径流变化的影响。研究表明气候变化是阿克苏河径流量变化的主要原因，其中温度的贡献率最大。王国庆等[10]研究表明，人类活动是岚河径流的主要影响因素。同套文等[11]以陕西泾河流域为例，以泾河景村水文站1981—2010年实测逐日径流量、含沙量系列数据为样本，提出了一种基于长短时记忆神经网络（LSTM）的时间序列预测方法。孙琪等[12]研究表明，西北干旱区内陆河典型流域产水量主要受气温和降水的影响。孙湘艳等[13]以桂林水文站62 a的长系列实测径流资料为基础，以不同年代作为时间划分，从径流年内分配比例、径流的不均匀特性、径流在汛期和非汛期占年径流的比例、径流的集中度和集中期、径流年内的变化幅度等方面，揭示了桂林水文站年径流的变化特征。【切入点】国内学者早期的研究主要针对漓江径流的趋势性和周期性，且多为定性分析，缺少气候因素对径流影响的定量分析。在全球变暖和人类活动日益增加的背景下，气候变化和人类活动对漓江径流演变的影响是十分必要的。【拟解决的关键问题】为此，基于1980—2019年的水文气象数据，采用趋势检验法、突变检验法、周期分析法等方法对径流、降水、气温的趋势性、突变点和周期性进行诊断，分析了径流与影响因素之间的相关性，建立了属性分析的多元线性方程，为水资源的规划和可持续利用提供了科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

漓江属珠江流域西江水系，位于广西壮族自治区东北部。其源头位于桂林市兴安县华江乡越城岭主峰海拔2 141.5 m的猫儿山东麓处。自北向南依次流经兴安县、灵川县、桂林市城区、阳朔县和平乐县，全长约229 km，面积约5 831 km2，主要支流包括黄柏江、陆洞河、川江、大溶江、灵河等[14]。研究区涉及桂林水文站以上的漓江流域范围，面积2 762 km2（图1）。

图1 漓江流域上游水系

该区域主要由岩溶和非岩溶组成，地势为北高南低，主干长105 km，流向由北向南，植被良好，森林茂密，上游河床坡度极陡；中下游为丘陵、峰丛、峰林等岩溶地貌，河床坡度平缓。流域内多年平均降水1 853.7 mm，雨季（3—7月）占全年的67.52%，其中5月多年平均降水334.2 mm，占全年18.03%；旱季（9月—次年2月）降水仅占全年39.43%，其中12月多年平均降水46.9 mm，仅占全年2.53%。年径流深平均值为1 510 mm，年径流量为41.8×108m3。年径流系数为0.63，径流模数为48.2 L/(s·km2)，平均流量为132.6 m3/s[15]。

1.2 研究方法

1.2.1 趋势检验法

Mann-Kendall非参数检验法，常用于水文与气候方面的趋势性检验，优点为样本序列无须服从特定分布，少量的数据缺失及异常数据对结果的影响较小。该方法先假设样本序列在显著水平下（本文取=0.05）无趋势变化，当值在Z为1.96和-1.96之间满足原假设，说明无显著趋势变化；否则拒绝原假设，表明序列发生显著变化。当>0说明序列呈上升趋势，<0表明序列为下降趋势，||值越大对应趋势越强[16]。

1.2.2 突变检验法

1）Mann-Kendall突变检验

Mann-Kendall突变检验的基本原理是：对于时间序列（含有个样本），构造1个秩序列：

在时间序列随机独立的假定下，定义统计量：

式中：秩序列S是第时刻数值大于时刻数值个数的累计数。1=0；(S)、var(S)是累计数S的均值和方差，并且当1，2，…，x相互独立时，(S)、var(S)具有相同分布，则：

UF为标准正态分布，是以时间序列计算得到的统计量序列。在给定显著性水平，根据正态分布表，如果|UF|＞U，则序列存在明显趋势性变化。

将时间序列逆序排列，重复上述过程，设定UB＝-UF，＝，-1，…，1，1=0。计算得到UF和UB，绘制曲线。若UF的值大于0，则序列呈上升趋势，值小于0则为下降趋势。取显著性水平＝0.05，当UF超过临界曲线±1.96时，则发生突变的概率增大。在置信区间内，若UF与UB曲线有交点，则即为可能的突变点。但Mann-Kendall突变检验不适用于存在多个或多尺度突变的序列。即当置信区间内有多个交点时，可能存在伪变点，需去除杂点[17]。

2）Pettitt检验

该方法为非参数检验法，该方法结构简洁，受异常值影响小[18]。利用该方法对研究区域的径流量、年降水量进行突变点检验。定义统计量U计算式为：

式中：x、x为相同时间序列的2个样本值；为样本的排列序号；为样本总数，其统计量的本质为前1个样本值大于后1个样本值的个数。当统计量U,N最大时，对应的时间点0为突变点。计算式为：

构建统计量，判断突变点的显著性：

1.2.3 周期分析法

小波分析技术很好地克服了传统谱分析方法的缺点，它采用一种窗口大小可变，位置可动的变窗进行频谱分析，从而满足了信号时、频局部化的要求[19]。采用Morlet小波分析对1980—2019年年径流量、年降水量和气温序列进行周期性检验。

2 结果与分析

2.1 径流特征分析

2.1.1 径流趋势分析

图2为漓江流域上游径流量变化特征。由图2可知，该流域的年径流量变化趋势线性斜率为-0.525，呈逐年递减趋势，且降低速度缓慢。在1976—1992年振幅变化较大。可以从滑动过程线看出该流域径流序列呈增加趋势为1992—2000年，且在1999年该阶段均值达到了225.806 m3/s。2000—2020年该流域径流波动幅度最大相差110.610 m3/s，该阶段径流量逐步增多，表现出增加趋势，斜率为0.231。在1999—2001年虽然年径流量出现短期显著变化，但未对整体趋势造成较大影响。在显著水平=0.05下，漓江流域上游径流量统计值=-1.163，且-1.96<<0表示趋势不显著，该结果与线性分析一致（表1）。

图2 桂林水文站年径流量变化趋势

表1 径流量Mann-Kendall趋势检验

2.1.2 径流突变分析

图3显示了0.05显著性水平下漓江上游桂林水文站年径流的变化趋势及突变特征。由图3可知，桂林水文站的UF与UB曲线有交叉点位于信度线之间，表明桂林水文站年径流序列不存在明显的变化。

图3 径流量序列Mann-Kendall突变点检验

漓江流域径流量的2条检验曲线存在多个相交点，分别对应1982、1986、2004、2015—2018年。魏凤英等[17]对Mann-Kendall突变检验分析表明，不是所有的交叉点均为突变点，需要去除其中的杂点。为了进一步确认漓江流域上游径流特征的突变情况，使用Pettitt检验方法进行验证，Pettitt检验结果如图4所示。利用Pettitt检验方法对桂林水文站径流系列突变点进行检验。由图4可知，漓江流域上游的径流在研究时段内存在一定突变，但统计上不显著。这与Mann-Kendall突变检验结果基本一致。综合2种突变检验结果可知，漓江流域上游径流量的突变时间发生在2018年，显著性水平为1.829>0.5，突变不显著。突变后径流较突变前减少了18.28%。

图4 漓江流域上游径流Pettitt突变检验

2.1.3 径流周期分析

图5为漓江流域上游径流周期变化特征。图5（a）中存在2个较为明显的峰值，它们依次对应着8、21 a的时间尺度。其中最大峰值对应着21 a的时间尺度，说明21 a左右的周期震荡最强，为流域年径流变化的第1主周期；8 a时间尺度对应第2峰值，为径流变化的第2主周期。这说明上述2个周期的波动控制着流域径流在整个时间域内的变化特征，由图5（b）可知，1976—2019年存在5～10、20～25 a振荡周期；在流域径流演变过程中存在着5～10、20～25 a的2类尺度的周期变化规律。其中，在5～10 a尺度上出现了丰-枯交替的准4次震荡；在20～25 a尺度上存在准1次震荡。

图5 径流周期变化特征

2.2 径流影响因素分析

2.2.1 降水特征分析

1）降水趋势分析

由图6可知，1980—2019年漓江流域年内降水分配总体呈正态分布，降水量的年内变化表现为：1、2、3月的降水量占全年降水量的15.29%；4、5、6月的降水量占全年降水量的49.68%；7、8、9月的降水量占全年降水量的23.88%；10、11、12月的降水量占全年降水量的11.14%。该流域降水偏多主要集中在4、5、6、7月。可见漓江流域降水年内分配不均匀，因此形成了明显的雨季和旱季。降水在年内分配的不均匀性形成了明显的雨季和旱季，3—8月降水量接近或略高于月平均降水量定为雨季，降水占全年降水量的76.92%；9月—次年2月，月降水量远低于月平均降水量定为旱季，降水量仅占全年降水量的24.43%。综上所述，漓江流域年内降水分布极不均匀，不利于流域水资源的利用，旱季缺水矛盾突出，雨季洪涝灾害时有发生，这严重影响了中下游流域居民的正常生产和生活。

漓江流域上游降水量变化趋势见图7，1980—2019年线性相关斜率为1.547，呈增长趋势，多年降水量均值为1 915.87 mm。整体存在较大幅度变化，其中2015、2002、1993年产生较大降水。以5 a滑动平均角度观察到降水经历了4个阶段，1981—1990年降水量减少，1991—2002降水量趋势缓慢增加，在2003—2010年降水量呈缓慢下降状态，2011—2019年为降水量增加时段。对漓江流域上游降水量进行趋势检验，其统计量值为0.338，且0<<1.96，说明降水量未通过显著性检验，表明降水量逐渐增长，且增加趋势不显著（表2）。

图6 多年平均月降水量

图7 降水量变化特征

表2 降水量Mann-Kendall趋势检验

2）降水突变分析

进一步采用Mann-Kendall突变检验确定漓江流域上游降水量的突变点，给定显著水平=0.05，结果如图8所示。由图8可知，漓江流域降水量在20世纪80年代至90年代中期UF曲线大多为负值，表明这个时段降水量以下降趋势为主，且降水量序列UF值都未超过=0.05的显著检验，说明下降趋势不显著；20世纪90年代中后期开始，漓江流域降水量序列UF值大多为正值，表明这个时段降水量总体偏多，呈上升趋势，但也未超过=0.05的显著检验，表明降水量上升趋势不显著。由图8所示，漓江流域降水量的2条检验曲线存在多个相交点。使用Pettitt检验方法验证漓江流域降水量突变情况，结果如图9所示。由图9可知，漓江流域上游的降水量在研究时段内存在突变，但统计上不显著。这与图8反映的结果基本一致。综合2种突变检验结果可知，漓江流域上游降水量的突变时间发生在2015年，但突变不显著。

图8 降水量序列Mann-Kendall突变点检验

图9 漓江流域上游降水量 Pettitt 突变检验

3）降水量周期分析

图10为漓江流域上游降水量周期变化特征。图10（a）中存在4个较为明显的峰值，它们依次对应着5、8、11、17 a的时间尺度。最大峰值对应于17 a的时间尺度，表明17 a左右的周期振荡最强，是流域年降水变化的第1个主周期；8 a时间尺度对应于第2个峰值，这是降水量变化的第2个主要时期。上述4个周期的波动控制着降水量在整个时间域的变化特征。由图10（b）可知，1980—2019年存在5～10、20～25 a振荡周期；在流域降水量演变过程中存在着4～6、8～16 a的2类尺度的周期变化规律。其中，在4～6 a尺度上出现了丰-枯交替的准4次震荡；在8～16 a尺度上存在准2次震荡。

2.2.2 气温特征分析

1）气温趋势分析

由图11可知，1980—1996年和1999—2001年漓江流域年平均气温距平为负值，说明该时间段气温下降，该时间段平均气温低于多年平均气温；1997—1998年和2002—2019年漓江流域年平均气温距平大多为正值，说明该时间段气温升高，年平均气温高于多年平均气温。由图12可知，根据漓江流域上游年平均气温标准序列可知，年平均气温呈明显上升趋势，其倾向率为0.38 ℃/10 a。自20世纪90年代，漓江年平均气温明显上升。与20世纪90年代相比，2000—2020年的年平均气温增加了0.57 ℃；与20世纪80年代相比，年平均气温增加了0.89 ℃。在显著水平=0.05下，漓江流域上游气温统计值=5.312，且0<1.96<，表示趋势显著（表3）。

图10 降水量周期变化特征

图11 年平均气温距平变化曲线

图12 桂林年平均气温变化趋势

表3 气温Mann-Kendall趋势检验

2）气温突变分析

采用Mann-Kendall突变检验和Pettitt检验2种方法检验漓江流域上游气温序列突变点，如图13所示，漓江流域上游气温在20世纪80年代至21世纪20年代曲线大多为正值，表明这个时段气温以上升趋势为主，且气温序列值超过=0.05的显著检验，说明上升趋势显著。在2条临界线内并无交点，说明该方法并未检验出突变性。同时，图14为Pettitt检验，显著性水平为0.227<0.5，统计上显著，存在突变，突变点对应年份为2016年。故2016年为漓江流域上游气温序列突变点。

图13 气温序列Mann-Kendall突变点检验

图14 漓江流域气温Pettitt突变检验

3）气温周期分析

图15（a）显示了漓江流域上游气温1980—2019年不同时间尺度的周期特征，整体上发生了2个冷-暖周期变换，1984、2011年为偏冷期中心年份，1981、2019年为偏暖期中心年份。在气温演变中存在5～7 a为1个振荡周期。

图15 气温温度气温周期变化特征

2.3 径流影响因素分析

为分析气温和降水量对径流的影响水平，建立线性相关方程。将径流量作为因变量，以相关性较强的降水量作为自变量之一，将气温作为自变量，建立回归方程，回归方程为：

=0.054S-4.534T+125.340， （8）

式中：为漓江流域上游径流量；S为降水量；T为气温。

由表4可知，漓江流域上游径流与影响因素的回归方程显著性为0.001，显著性均在置信水平0.05下，式（8）通过检验，说明方程构建合理，且径流与影响因素之间存在线性相关关系，降水量的增加将致使径流量的持续增长，气温的升高将致使径流量的减少，气温对径流的调节作用高于降水对径流的调节作用。

表4 径流与影响因素的多元回归方程拟合结果

3 讨论

漓江上游径流呈减少趋势；结合人类活动影响与气候变化分析成因，发现漓江径流2018年产生的变异点是由土地利用的变化、防洪补水工程的修建、气候变化等因素共同所致。对比分析1998—2018年的土地利用类型[20]，漓江流域林地面积由1998年的4 072.52 km2增加到2018年的4 184.22 km2，森林植被可以通过林冠和枯枝落叶层对降水量进行再分配和截留，导致蒸发量显著增加，径流量显著减少。水域面积由1998年的63.39 km2持续减少到2018年的53.62 km2，城市扩张、围湖造陆是主要原因。建设用地面积由1998年的67.62 km2增加到2018年的277.96 km2，未来随着桂林市的快速发展，城市生活和工业用水需求将不断攀升，根据相关资料统计[21]，2015年漓江供水达到4.47亿m3，工业用水占总用水量的19%。预计到2030年达到5.50亿m3；今后漓江流域工业仍将以较高的增长率增长，需水量也必将大幅度提高。另一方面，随着漓江上游４大水库的顺利完工并投入使用，上游地表水资源的开发利用效率已达到了30.8%，已经接近水资源开发利用极限。青狮潭、小溶江等水库的调蓄作用对径流量减小也造成了一定影响。同时与华南地区气候的变化相关。华南地区平均气温明显升高，冬季升温幅度大且范围广。该流域气温也表现为上升趋势，且趋势显著；极端气温指数说明漓江流域气温极端程度将持续增加。华南地区年、冬季和夏季降水以大范围增加为主，夏季降水增加显著区域主要是粤港澳湾区，春季降水增加显著区域在湖南南部和广西东北部；春季降水的增加区域在广东、湖南南部和广西东北部；秋季降水在海南、广西、粤东西部、以及福建地区增加。该流域冬季、春季、夏季和秋季平均降水也都呈增加趋势。虽然降水量呈增加趋势，但气温的升高也伴随较大的蒸发，较大的蒸发量也是影响径流量减小的主要因素。漓江流域径流主要集中在夏季，且径流年内分配极不均匀，最大径流量通常出现在5月和6月，最小径流量则出现在1月或12月。

由相关分析可知，径流与降水为正向相关，与气温为负相关性，气温对径流的调节作用高于降水量对径流的调节作用。影响径流变化因素众多，重点分析气温、降水与径流的相关性，未展开影响机制的讨论，如青狮潭水库位于桂林水文站的上游，青狮潭水库入库径流与降水量的相关性最高，水库入库径流受降水量的影响很大；出库量与降水量的相关性小于入库径流与降水量的相关性，是由于水库出库量受水库调度的影响。所以流域上游的径流量变化对下游的影响很大，需深入研究影响机理及更多因素对径流的影响。

4 结论

1）漓江流域上游径流年际变化为下降趋势但不显著，突变年份为2018年。漓江流域上游气温呈显著增加趋势，其倾向率为0.38 ℃/10 a。整体上发生了2个冷-暖周期变换，1984、2011年为偏冷期中心年份，1981、2019年为偏暖期中心年份。在气温演变中存在5～7 a的1个振荡周期。

2）漓江流域上游径流在5～10、20～25 a尺度下经历了2次丰-枯变化，且未来近年逐渐变为枯水期；漓江流域上游降水量呈增加趋势，突变年份为2015年，降水量呈4次偏多-偏少交替。

3）流域降水分布不均匀。气温对径流的影响大于降水对径流的影响，气温是径流变化的主要影响因素，径流与各影响因素之间存在着线性相关。气候变化为导致径流变化的主要原因，其次为人类活动。

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Temporal Change in Runoff and Its Determinants in Upper Reach of Lijiang River Basin

LI Ziwei, TANG Xiangling*, LI Liju

(Guilin University of Technology, Guilin 541000, China)

【Objective】Climate change and anthropogenic activities have combined to change flow in many rivers and catchments in the world. This paper analyzes the change in runoff of the Lijiang Basin in southwestern China, as well as its determinants. 【Method】The analysis was based on data measured from 1980—2019 from meteorological and hydrological stations along the Dayun river in the upstream of the basin. The temporal trend, abrupt changes and periodicity of the runoff, temperature and precipitation were analyzed using the Pettitt mutation test, Mann Kenddall test and Morlet wavelet analysis. The correlation between them was calculated using the multivariate linear regression equation. 【Result】The runoff in the basin had been in decline though not at a significant level. There was an abrupt runoff change in 2018. From 1980 to 2019, the basin had experienced four drying - wetting cycles. The precipitation in the basin had been increasing and experienced an abrupt change in 2015. Approximately four periodicities were identified for the precipitation. The average annual temperature had increased significantly at 0.38 ℃/decade from 1980 to 2019, with an abrupt change occurring in 2016. There are two cold-warm cycles in the studied period, with 1984 and 2011 being the cold years, and 1981 and 2019 being the warm years. The period for temperature was 5～7 a. 【Conclusion】Our analysis showed that the Lijiang basin will become increasingly dry. The basin will enter a warm stage in a 40- decade period. The abrupt change in runoff was due to the change in land usage, construction of flood control and water replenishment projects, climate change and other factors, while the abrupt change in precipitation and temperature is due to the climate change as experienced by other regions in South China.

runoff; mutation test; influencing factors; periodicity; Lijiang River

李子威, 唐湘玲, 黎力菊. 漓江上游径流演变特征及其影响因素分析[J]. 灌溉排水学报, 2022, 41(10): 98-105.

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1672 - 3317（2022）10 - 0098 - 08

P467

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022033

2022-01-16

广西自然科学基金项目（2020GXNSFAA297266，2018GXNSFAA050009）

李子威（1996-），男。硕士研究生，主要从事水文水资源研究。E-mail: 14747042599@qq.com

唐湘玲（1976-），女。研究员，主要从事水文水资源研究。E-mail: 915907173@qq.com

责任编辑：白芳芳