近60年黄泽江流域降雨径流变化趋势及突变分析

秦琳琳，过寒超

(1.绍兴市水文站，浙江绍兴312000；2.绍兴市曹娥江大闸运行管理中心，浙江绍兴312000)

自20世纪以来，全球气候持续性显著变暖，随着人口的急剧增长和经济的快速发展，人类对水的需求增长越来越快，水资源供需矛盾日趋突出。径流是水资源的重要组成部分，也是水循环过程中的关键环节之一，其变化蕴含着随机、趋势、周期、突变等非线性变化特征，而降水作为径流形成与转化的必要条件，以及人类活动对下垫面的影响都会导致流域天然水循环过程发生变化，从而改变流域原始的降雨径流关系[1-2]。因此，详细揭示和掌握降雨、径流关联性和变化规律，理清气候变化和人类活动对流域径流变化的贡献率显得尤为重要，能够为当地实现水资源可持续利用、全面建设节水型社会提供技术依据。

目前对长时间水文序列分析的方法很多，如对趋势突变分析的多采用回归分析、滑动平均、Mann-Kendall检验等方法；而在复杂多尺度周期性分析上，采用小波分析方法比较普遍。蔡涛[3]采用Mann-Kendall方法对大凌河中上游近61 a降水变化及突变特征进行分析；吕乐婷等[4]采用滑动平均、线性回归、Mann-Kendall检验等方法检验了东江流域降水、径流的变化趋势以及两者之间的耦合关系；袁菲等[5]采用Mann-Kendall检验、小波分析等方法分析研究近50 a西、北江干流径流变化特征并预测其发展趋势；孙周亮等[6]采用Pettitt检验和Mann-Kendall检验对澴河上游降雨、径流序列进行变化趋势与突变检验，探究该区域汛期降雨径流的时空演变规律；邱玲花等[7]采用Mann-Kendall检验、滑动t检验、Yamamoto、Pettitt等方法联合识别太湖西苕溪流域降雨和径流的突变点；Hadi等[8]利用修正Mann-Kendall检验、Sen趋势分析算法等方法评估印度中部不同时间尺度的降雨变化趋势；Krishna等[9]利用修正Mann-Kendall检验等方法研究印度西孟加拉邦不同尺度降雨变化趋势及幅度，用于指导当地农业实践和用水管理。

近年来，随着经济社会的不断发展，黄泽江流域的水利工程开发建设和河道整治等工程较多，人类活动对流域自然环境的影响显著加强，加之在全球气候变化的背景下，黄泽江流域水文循环条件发生了较大的改变。本文旨在分析60 a来黄泽江降雨、径流的变化特征，着重探讨径流的趋势变化规律，定量分析气候变化和人类活动对径流变化的贡献率，并揭示其径流变化的可能原因，为黄泽江流域防洪和水资源合理规划利用提供一定的参考依据。

1 研究区域概况

黄泽江属曹娥江水系，发源于海拔954 m的宁海县与新昌县交界望海岗耐烦岭，经新昌县境内至柿红山脚入嵊境内，至嵊州浦口街道万年亭附近注入曹娥江。嵊州市境内河长13.9 km，右岸有上东江(晦溪)汇入。流域面积577 km2，全长65 km，河道平均比降4.5‰，砂砾河床宽90～140 m。黄泽水文站最大洪峰流量1 770 m3/s(2009年8月9日)。多年平均流量11.4 m3/s，年径流量3.59 亿m3。黄泽江水系分布见图1。

2 数据与方法

2.1 数据来源

黄泽江流域共有5个国家基本雨量站，自上游至下游分别为雪头、沙溪、钦村、张婆坞、牛团仓；有1个国家基本水文站黄泽站，观测项目有雨量、水位、流量，集水面积542 km2，黄泽水文站的前身是官塘水文站，1978年因黄泽江治理，原官塘水文站迁建至黄泽镇设立黄泽站，为保证水文资料系列的一致性，已对迁站前的径流系列进行还原计算。

本次分析的降雨序列为黄泽江流域内所有雨量站、水文站的1958—2017年实测降雨资料按泰森加权平均法计算得到，部分站点因建站时间较晚，自有监测资料起参与计算。径流序列采用黄泽水文站1958—2017年实测资料，其中1968—1969年采用结合经验系数插补推求得到。

2.2 研究方法

2.2.1Mann-Kendall检验法

Mann-Kendall检验法[10-11]是一种被广泛应用于实际研究的非参数检验方法，适用于水文气候序列是平稳的随机独立序列xi,i=1,2,3,…,n，对于给定样本序列定义一个统计量：

(1)

式中mi——第i个样本xi大于xj(1≤j≤i)的累计值。

在原序列的随机独立等假设下，dk的均值、方差分别为：

E[dk]=k(k-1)/4

(2)

Var[dk]=k(k-1)(2k+5)/72(2≤k≤n)

(3)

对dk标准化：

(k=1,2,…,n)(4)

UFk为标准分布，将所有的UFk组成一条曲线UF，通过信度检验可得出其是否存在明显的增长或减少趋势。同理，将同样的方法引用到反序列中，得到另一条曲线UB。如果曲线UF和UB出现交叉且位于信度线之间，那么交叉点对应的时刻便是突变开始的时间[12-13]。

2.2.2Yamamoto法

Yamamoto检验法的原理与滑动t检验相同，也是通过人为设定基准点将样本序列分为2段子序列，定义一个信噪比S/N来表征突变指数[14]：

(5)

2.2.3Pettitt检验法

Pettitt检验法是一种计算便捷的非参数检验方法，目前在水文水资源分析计算领域有比较广泛的应用[7,15-16]。该方法采用统计量Ut,n来检验同一时间序列xt的2个样本，统计量序列Ut的公式：

(6)

式中，若xt>xk，则sgn(xt-xk)=1；若xt=xk，则sgn(xt-xk)=0；若xt

kt=max|Ut| |≤t≤n|

(7)

建立检验统计量P判别突变点是否显著：

(8)

当P小于给定的显著性水平α时(本文取α=0.05)，则认为检测出来的突变点在统计意义上是显著的。

2.2.4弹性系数法估算贡献率

对于一个确定的流域，径流的变化主要由气候变化和人类活动共同影响造成的。即：

ΔR=ΔRC+ΔRH

(9)

式中 ΔR——径流变化量；ΔRC——气候变化引起的径流变化量；ΔRH——人类活动引起的径流变化量。

同时，径流变化量可通过突变点前后2个时期的实测径流量计算得到[17]，即：

ΔR=Rn+R1

(10)

式中Rn、R1——第n阶段平均径流量和基准期径流量。

降水和蒸发是影响径流变化的主要气候因子，在计算ΔRC时，本文采用弹性系数法[18-19]来评价径流对气候变化的敏感性，即：

ΔRC=βΔP+γΔPET

(11)

式中β——径流对降水的敏感系数；γ——径流对潜在蒸发的敏感系数；ΔP——平均降水变化量；ΔPET——平均潜在蒸发变化量，潜在蒸发量利用FAO Penman-Monteith方法计算得到[20]。

气候变化和人类活动对径流变化影响的贡献率计算得到：

(12)

(13)

式中δC、δH——气候变化和人类活动对径流变化影响的贡献率。

3 结果与分析

3.1 降雨变化趋势与突变分析

图2是根据黄泽江流域5个雨量站和1个水文站实测降雨资料统计的年平均降雨量及其5年滑动平均曲线。从图2中可以看出，黄泽江流域年平均降雨量主要呈现出丰枯交替变化过程，总体趋势虽呈上升趋势但不显著。从表1中可以看出，20世纪60年代的降雨量较常年明显偏少，偏少10.7%；而自2010年起降雨量显著增多，较常年增多14.35%。结合图3分析也可以看出，年平均降雨量整体上呈现先减少后增加的变化趋势。具体地说，自1961年开始，UF处于0以下，并逐渐减小，在1967年超过检验临界值-1.96(α=0.05)，表明该段时期年降雨量变化呈下降趋势显著，并于1967年达到最小值，1967—1969年可以确定为出现显著下降的时间区域；自80年代起，UF基本处于0以上，并整体上呈振荡上升趋势，在2015年超过检验临界值+1.96，表明该段时期年降雨量变化整体呈上升趋势显著，并于2015年达到最大值；20世纪80年代后期至21世纪初，和曲线相交于多处，说明在此期间年降雨量发生突变性上升或下降，呈现反复震荡过程。

3.2 径流变化趋势与突变分析

图4为黄泽水文站年径流量Mann-Kendall检验曲线。从图4中可以看出，黄泽水文站年径流量在整个时间序列内呈现丰枯交替的变化过程，总体趋势虽呈减少趋势但不显著。从时间尺度来看，降雨、径流的周期变化存在一定的同步性。20世纪50年代中期至60年代初期，UF处于0以上，径流量变化呈现上升趋势，其中1961—1962年超过检验临界值+1.96(α=0.05)，说明该段时期的年径流上升趋势明显，并于1962年达到极大值，1961—1962年可以确定为显著上升的时间区域；自60年代中期至70年代初期，UF值骤然下降，并于1969年超过检验临界值-1.96，说明该段时期径流量下降趋势十分显著；自70年代中期起，UF基本处于0以下(除1977年外)，但均未超过检验临界值-1.96，说明该段时期径流量变化整体呈下降趋势但不显著。从图4还可以看出，统计曲线UF和UB在±1.96临界线之间相交于1963、2014、2016年附近，说明1963、2014、2016年可能是黄泽江径流变化的突变年。

表1 黄泽江流域平均降雨量年代际变化情况

年代平均值/mm距平百分比/%1958—19591 5321.791960—19691 344-10.701970—19791 458-3.121980—19891 5261.401990—19991 5573.462000—20091 458-3.122010—20171 72114.35

为了对Mann-Kendall检验法检测到的突变点进行验证，笔者选用Pettitt检验、滑动t检验和Yamamoto法3种方法对年径流序列的突变点进行检验，验证突变点真伪，增加突变分析的可信度。其中，滑动t检验和Yamamoto法的检验中子序列的长度均采用的是5 a。从图5中可以看出，黄泽水文站年径流量经过4～5次较明显的突变，滑动t检验统计值有正有负，说明该站径流年际变化较明显，其中最明显的是1963—1964年的突变，滑动t检验统计值超过显著水平，说明在该段时间前后年径流量的变化趋势发生了较大变化；另外，1973、2009年也被检验出突变点(统计值超过α=0.05)，径流变化在该段时间也可能发生突变。同样，利用Yamamoto法对径流序列突变点进行检验(图6)，检验出黄泽水文站年径流量可能在1963—1964、1973年附近发生突变，特别是1963年的信噪比S/N达到1.86，超过显著水平。而利用Pettitt检验方法则检验出年径流量的突变发生在2008年，统计量，远大于显著性水平0.05，即突变年份2008年在统计意义上并不显著。

通过对比，不同方法检验得到的可能突变年份存在差异(表2)，说明黄泽江流域的径流突变在个别年份并不明显，也表明这些突变检验方法存在一定的不足之处[21-23]。

由于资料序列限制，滑动t检验和Yamamoto法并不能检验到2013年以后的径流突变情况，因此也就无法验证Mann-Kendall检验出来的2014、2016年可能突变年份，加上Pettitt检验亦未检出此段时间径流存在突变，再结合年径流过程线分析，笔者排除2014、2016年为突变年份。结合表3分析，各个突变年份前后年径流量变化最大的年份是1963年，相对变化达-45.57%，说明1963年后黄泽水文站年径流量有一个显著减少的趋势，而在2008—2009年附近该站的年径流量有较为显著增加的趋势，因此，基本可以确定1963、2008—2009年是整个径流序列的突变年份。

表2 不同方法检验得到的可能突变年份

注：*、**分别表示通过0.05、0.01显著性检验

表3 可能突变年份突变前后径流量变化

3.3 降雨径流变化原因分析

河川径流是气候条件和下垫面等自然地理因素综合作用的产物，影响其变化的驱动因子主要有两方面：一是流域气候变化改变降水和蒸发等气候因子，直接响河川径流的形成和变化；二是人类活动改变了流域下垫面状况，影响了流域产汇流特征[24]，比如植树造林、修建水利工程、上游源区引水灌溉等。

在所有的气候因素中，降水是径流变化的最直接影响因素，笔者利用相关分析法对黄泽江流域年降雨量与径流量进行相关分析，相关系数为0.79，说明两者整体上存在较好的相关性，变化规律基本吻合。在前述分析中可知，黄泽江流域降雨与径流序列整体变化趋势存在些许背离现象，这说明在降水量稳定变化的情况下，人类活动是造成背离现象的直接原因。通过对流域资料的考证分析，流域内引水灌溉和水库拦蓄等人类活动导致河道径流量减少，如因引水灌溉需要，黄泽江自上而下建有茹葫砩、马浪砩、劳动砩、后官桥砩、赖石砩、朱湖山砩、官俞活动坝等砩坝，灌溉面积约0.05万hm2。黄泽站上游有1座中型水库(巧英水库)，另外还有上东、新合、渔溪坑、竺家坑等6座小(1)型水库。随着上游钦寸水库(总库容2.44亿m3，集雨面积316 km2，占黄泽水文站集水面积的58.3%)的修建及投入运行，彻底改变了流域下垫面条件，影响流域产汇流规律，加上每年计划向宁波引水1.29亿m3(约占多年平均径流量的30%)，必将进一步导致降雨径流关系的改变。

3.4 径流变化影响因数定量分析

根据前述降雨、径流的突变分析结果，结合流域内水利工程建设时间等情况，划分1958—1962年为序列的基准期、1963—2007年为研究期Ⅰ、2008—2017年为研究期Ⅱ。依据划分好的时间段，结合弹性系数法定量分析气候变化与人类活动对径流变化的贡献率。从表4中可以看出，与基准期相比，2个研究时段的径流量都呈减小趋势，研究期Ⅰ的减小幅度达到34.17%；潜在蒸发量也均呈现减小趋势，研究期Ⅰ和Ⅱ分别减小了1.75%和8.82%；研究期Ⅰ的平均降雨量减小了5.32%，研究期Ⅱ则增加了8.68%。

由表5中可以看出，研究期Ⅰ内，由于气候变化引起黄泽江径流减少的贡献率为13.13%，而由于人类活动引起的径流减少的贡献率为86.87%；研究期Ⅱ内，气候变化对黄泽江径流变化的影响呈现的是增加效应，贡献率为8.91%，而人类活动对径流减少的贡献率则升高至108.91%，表明人类活动对流域径流变化的影响要远高于气候变化的影响。

表4 黄泽江流域水文气象要素变化分析

表5 气候变化和人类活动对径流变化的贡献率

4 结论

为探究黄泽江流域降雨、径流变化规律，本文采用滑动平均法、Mann-Kendall检验、滑动t检验、Yamamoto法和Pettitt检验等方法，综合分析了黄泽江流域1958—2017年降雨、径流序列的变化规律，主要结论如下。

a) 黄泽江流域年平均降雨量主要呈现出丰枯交替变化过程，总体呈上升趋势但不显著。20世纪60年代年降雨量变化呈下降趋势显著，1967—1969年可以确定为出现显著下降的时间区域；自80年代起，年降雨量变化整体呈上升趋势显著，期间发生突变性上升或下降，呈现反复震荡过程。

b) 黄泽水文站年径流量在整个时间序列内呈现丰枯交替的变化过程，总体趋势虽呈减少趋势但不显著。20世纪50年代中期至60年代初期年径流量上升趋势明显，于1962年达到极大值；自60年代中期至70年代初期年径流量下降趋势十分显著，于1969年达到极小值；70年代中期起年径流量变化整体呈下降趋势但不显著。

c) Mann-Kendall法检验出1963、2014、2016年可能是黄泽江径流变化的突变年，笔者选用Pettitt检验、滑动t检验和Yamamoto法3种方法对年径流序列的突变点进行验证，可以确定1963年为突变点；同时，结合突变前后径流变化情况对此3种方法检验出的突变点进行综合论证，2008、2009年也是黄泽江水文站年径流量的突变年份。

d) 黄泽江流域年降雨与径流序列虽在某些时段存在些许背离现象，但整体上存在较好的相关性(相关系数为0.79)，引水灌溉、修建水库、水库拦蓄等人类活动是引起背离趋势的主要原因，随着上游钦寸水库的投入运行，将会进一步促进降雨径流关系的改变。

e) 与基准期相比，径流量在1963—2007年减少了34.17%，气候变化对其的贡献率为13.13%，人类活动的贡献率为86.87%；2008—2017年，径流量减少了23.43%，但气候变化对黄泽江径流变化的影响呈现的是增加效应，贡献率为8.91%，人类活动的贡献率为108.91%。这说明人类活动对黄泽江径流变化影响很大，处于主导地位。