淮河干流径流变化特征及影响因素分析

王园欣

（信阳市水利勘测设计院，河南 信阳 464000）

0 概述

淮河流域位于我国中部，是我国洪涝灾害的高发区之一，随着淮河流域环境的变化，流域内极端水文事件出现的频率增加，洪涝灾害发生的风险增加，同时流域内径流特性也在不断地改变，对区域水资源开发利用造成了不利的影响，影响河流生态系统，不利于经济社会的发展。在过去的50 多年间，淮河流域多数雨量站年最大日降水量有不明显的增加趋势，虽然径流量的变化与降雨量的时空分布有紧密联系，但是受闸、坝等水利工程调蓄的影响，流域内河道流量与降水之间的线性关系拟合不是很理想[1]。针对淮河流域的水文特征，分析径流演变规律、变化特征及其影响因素，是合理利用区域水资源的基础。

淮河流域闸、坝等水利设施众多，改变了河道径流特征，对河流生态及环境影响较大，同时淮河流域是我国人口密度最大的区域之一，流域内的水环境及安全问题突出[2]。该文以王家坝、鲁台子、蚌埠作为典型站，从径流的变化趋势、突变特性及周期特征等几个方面，对淮河干流的径流特征进行分析，从气候变化、人类活动等方面对产汇流变化的机理及影响进行探讨，为流域闸坝调度、水资源综合利用等提供参考。

1 研究区域

淮河水系流域面积约为19 万km2，干流流经河南、湖北、安徽、江苏四省，以洪河口、三河闸作为上游-中游、中游-下游的分界点，在江苏三江营汇长江入海[3]。流域多年平均降水量约为920 mm，降水时空分布不均匀，大致是由南向北递减，南部大别山区降水量超过1400 mm，北部降水量低于700 mm；最大年降水量与最小年降水量相差3~4 倍，汛期（6-9 月）汛期降水量占全年降水量的50%~80%。根据《淮河片水资源公报》（2018 年），淮河流域多年平均地表水资源量为594.9 亿m3，地下水资源量为338.1 亿m3，水资源总量为887.0 亿m3。2018 年，总用水量为549.1 亿m3，其中地表水源供水为411.3 亿m3，占总供水量的74.9%，地表水资源开发程度较高；2018 年淮河流域全年期评价河长20991.8km，水质低于Ⅴ类水质（含Ⅴ类）河道长度为956.3km，占比27.9%，水污染问题依然严峻。

该文选取王家坝、鲁台子和蚌埠作为淮河干流不同区域的典型代表站，分析径流的变化趋势。所选典型站点在淮河干流上的位置、重要性等方面有各自的特点，其中，王家坝站位于淮河上中游结合部，控制流域面积为3.1 万km2，水位流量受王家坝蓄滞洪区消峰影响较大；鲁台子站位于淮河干流中游，控制流域面积为8.9 万km2，水位流量受临淮岗洪水控制工程、淮河中游行蓄洪区的影响较大；蚌埠站位于淮河干流中下游、洪泽湖上游，控制流域面积12.1 万km2，所处河段水流平缓，受上游闸坝影响较大，河流的自净能力较弱，生态系统脆弱，是开展水质水量联合调度的重点区域。

2 研究方法

该文采用Mann-kendall 秩次相关检验方法[4]（以下简称M-K 方法）来分析径流随时间序列的变化特征，该方法不需要样本遵循一定的分布规律，也不受少数异常值的干扰，是一种简便有效的非参数统计检验方法，在趋势分析中应用较为广泛。方法如下：在对时间序列进行M-K 检验时，定义统计量τ，样本方差στ2以及标准化的统计检验量Zc，如公式（1）~公式（3）所示。

式中：P为序列中所有对偶观测值（Xi，Xj，i＜j）中Xi＜Xj出现的次数；n为序列样本长度。给定置信水平α，如果|ZC|≥Z（1-α/2），就拒绝零假设，时间序列存在明显上升或下降的趋势。当ZC＞0 时为上升趋势，反之为下降趋势。该研究中采用置信度α=0.05，对应的临界值Z（1-α/2）为1.96。

M-K 方法也可对序列进行突变检验，大致分析序列发生突变的位置。假定时间序列随机独立，定下统计量：

式中：ri为第i个样本Xi大于Xj（2≤ j≤ i）的累计数。对dk标准化后得到UFk，给定显著水平α，当|UFk|＞U（1-α/2）时，表示存在一个上升或下降趋势。将该方法引用到反序列中，得到UFk'（k'=n+1-k），并使UBk=-UFk'，如果UFk曲线与UBk曲线在置信线之间存在交点，那么交点对应的时刻即为突变发生的时刻。

3 流域径流演变特征分析

3.1 整体特征

为了解淮河干流径流量变化的整体特征，统计分析站点的径流变化规律，如图1 所示。1960—1966 年、1984—1986年和2001—2007 年3 个阶段的径流量年际变化比较剧烈，年径流量偏大，处于波动的偏高年；1967—1984 年、1987—2000年的年径流量则处在较平稳的波动期，年径流量相对偏小。同时，各站点径流量的大小变化同流域位置分布基本一致，呈上游至下游增长的趋势。

图1 1956—2008 年典型站年径流变化过程

根据站点径流年代际分配情况，1971—1980年和1991—2000 年的平均径流量相对较小，整体上同样存在上下游之间的增长变化规律，见表1。

表1 典型站径流年代际平均径流量分配统计（单位：108m3)

典型站各月平均径流量占年径流量的比例见表2，5—9月各站径流量占全年径流量的比例较大，上下游站点之间的分配比例基本相同，均占到年径流量的70%以上，与降水量年内分布规律基本一致。

表2 典型站径流年内分配统计（单位：%）

3.2 趋势分析

采用M-K 方法对各站径流时间序列进行趋势检验分析，计算结果见表3。结果显示，站点年径流量序列的M-K检验值Zc分别为0.68，-0.27 和-0.13，|Zc|＜1.96，均未通过95%的显著性检验，表明典型站点1956—2008 年的径流量变化趋势并不明显。其中，王家坝站的检验值为正，表明径流量呈不明显上升趋势，鲁台子和蚌埠站的统计值为负，表明年径流量呈不明显下降趋势。蚌埠站1 月径流量具有显著上升趋势，4 月和5 月径流量具有较明显下降趋势，8 月和9 月具有较明显上升趋势；鲁台子站径流量在4—6 月、10—12 月均呈现下降趋势；蚌埠站在4—6 月、10 月—次年1 月径流量均呈现下降的趋势。

表3 典型测站径流序列M-K 统计表（Zc）

3.3 突变性分析

从典型站的径流整体变化特征来看，年径流量具有十分明显的波动，其M-K 突变检测曲线如图2 所示。各站点的M-K 曲线基本处于临界线之间，王家坝站UFk曲线多在0 以上，表明径流量整体上呈增加趋势，鲁台子站、蚌埠站的UFk曲线多为负值，表明两站径流呈减少的趋势。UFk曲线与UBk曲线在2条信度线之间存在多个交点，但UFk没有超过信度线，所以没有突变点。因此，典型站径流量出现阶段性增加或减少趋势，虽然出现多处变化转折点，但是并非突变现象。

图2 典型站年径流序列M-K 曲线

3.4 周期性分析

根据典型站的年径流变化图，其径流量变化存在一定的周期性规律。该文采用傅里叶变换方法对径流量数据进行功率谱分析，确定径流变化的周期性特征。以傅里叶变换为基础的功率谱分析，可将时间序列的总能量分解到不同频率的分量，然后用不同频率的波动方差贡献得出序列的周期[5]。通过功率谱分析得出径流时间序列的频谱图王家坝站径流主要存在6 年、4 年的周期和2.5 年的显著周期，鲁台子站存在20年、6 年、4 年的周期和2.5 年的显著周期，蚌埠站的径流量变化周期和鲁台子站基本相同，如图3 所示。

图3 典型站径流时间序列的频谱图

4 径流变化趋势影响因素

4.1 人类活动影响

淮河流域现有各类拦河闸5000 余座，河流开发程度较高，河流天然径流量发生大幅改变，特别是淮河干流的闸坝工程，对沿线水文站径流量的年内变化影响较大。调查发现，淮河各级支流水文形势受人类活动影响日益加剧，闸坝下游流量长期得不到保障，甚至出现断流的现象。以蚌埠闸为例，该闸建于1959 年，建闸前后水文情势变化明显，建闸后枯水季节的平均流量明显大于建闸前，原因在于建闸后枯水季节人为调控能力增强。闸坝对河流的影响，除了对水量分配存在影响，对河流水质的变化也有较大影响[6]。

4.2 气候变化因素

河川径流变化是区域气候和自然地理条件等要素变化的综合反映，与降水、蒸发等气象要素关系密切。气候的变化直观地反应在降水量的变化上，进而导致河川径流量改变。相关研究成果显示，20 世纪80 年代以来，淮河流域年降水量呈现略微下降的趋势，但是下降程度并不明显[7]，但多数雨量站的年最大日降水量呈现出增加的趋势，只有少部分站点有减少的趋势，虽然增加和减少的趋势均不显著[8]，但是也可看出洪涝或干旱发生的概率增加。这和该文研究的径流量的整体变化趋势是一致的。

5 结语

该文以淮河流域干流王家坝站、鲁台子站及蚌埠站为典型站，采用M-K 分析方法对年径流量及月径流量的变化趋势进行了研究，分析了淮河流域的径流的变化规律及演变特征。结果表明，淮河干流的年径流量变化趋势不明显，不同站点的径流量年内分配趋势有差别，月径流量的增加和减少同年径流量大小有关，上下游的径流量变化趋势基本相同。淮河流域径流年内分配的变化受到人类活动、气候变化等因素的影响，闸坝工程对区域径流量变化具有很大的调节作用。因此，闸坝工程的科学合理调度，对流域的防洪控污、水资源高效开发利用具有重要意义。