长江工业河道中下游季月尺度径流变化特征研究

长江工业河道中下游季月尺度径流变化特征研究

近年来，在主要的节水工程的影响下，如大坝科学田、复兴和河口整治，长江流条件发生了变化。作为长江大海的最后一个采矿和公路入口，水文变化对长江河口的发展起着重要作用。目前多集中于研究径流的宏观趋势、周期和年际突变特性上,而对季、月尺度下的突变特性及年内分配特征等研究较少,且采用的分析方法有限,对径流序列的研究不够完整。鉴此,本文综合采用多种水文分析方法,系统完整地研究了长江大通站1946~2009年径流序列的趋势性、突变性、周期性和年内分配特征,并分析了大通站径流变化的原因,以期为流域水资源的合理开发利用提供科学依据。1morset小波分析在水文学中,非参数的Mann-Kendall检验是提取序列变化趋势的有效工具,以适用范围广、人为性少、定量化程度高而被广泛应用于气象和水文分析中,计算步骤见文献,zs为正态分布的检验统计量,|zs|大于1.96、2.65分别表示通过α=0.05、0.01显著水平上的趋势检验;Pettitt变点法基于非参数检测水文时间序列的突变点,计算较简便,可明确突变时间,能较好地识别突变,在变点检测方法中应用较多且物理意义清晰,计算步骤见文献,检测出径流序列的一级变点后,再以该变点为界将原序列一分为二,继续检测新的变点。重复上述步骤,可检测出多级变点;具有时频多分辨功能的Morlet小波分析可识别水文时间系列的主要周期,计算步骤见文献,小波方差图上对应峰值处的时间尺度为主周期,这些主周期决定径流序列整个时间域内的变化特性;年内不均匀系数、完全调节系数,集中度(期)和变幅则一般用于量化研究径流的年内分配特征,计算步骤见文献。分别将上述方法应用于径流序列的趋势性、突变性、周期性及年内分配特征分析中,可从径流变化的宏观趋势、周期到微观变幅、年内分配过程等角度,系统而完整认识径流的变化特征。2流量变化特征大站2.1流量生长特征图1为长江大通站逐年平均流量及丰枯率变化图。由图可看出:①大通站流量年际波动大,年最大流量为43100m3/s,最小为21400m3/s,后者约为前者的1/2;年洪季最大流量为64630m3/s,最小为27800m3/s,后者约为前者的2/5;年枯季最大流量为24430m3/s,最小为12150m3/s,后者约为前者的1/2。②流量年内分配不均,主要集中于洪季,多年平均洪季径流占全年的70.5%,枯季所占比例较小。大通站流量从20世纪40年代中后期到50年代中期较大,随后减小;到70年代中期出现极小值,而后又逐渐升高;到90年代末期出现极大值后又逐渐下降;至2009年流量仍较小。③丰枯率为汛期与非汛期径流总量的比值,体现径流量年内分配。大通站流量丰枯率在20世纪50、60年代均较大;60年代中期到80年代末期有所减小;90年代丰枯率增大,在90年代末出现极大值;21世纪初,流量丰枯率开始减少,并保持于一个相对较小值内。图2为大通站1946~2009年年均、洪、枯季流量序列、1950~2009年各月均流量序列Mann-Kendall检验图(图中,ZS为Mann-kendall趋势检验参数,若|ZS|>1.96,则表明通过α=0.05显著水平,增加(ZS为正)或减小(ZS为负)时趋势明显)。由图可看出:①年均、洪季流量有微弱的减少,枯季流量有微弱的增加,但变化趋势均不明显。②月均流量存在明显变化趋势,在α=0.05显著水平上,1、2月流量均有增加趋势,平均每年分别增加42.6、47.4m3/s;10月流量有减少趋势,在月均流量序列中变化幅度值最大,平均每年减少142.3m3/s。2.2月内月内流量突变长江大通站的多年平均流量为28650m3/s,年均、洪、枯季流量序列无明显变化趋势,但仍可能存在突变性变化,各月均流量序列也可能存在复杂的阶段性变化。运用非参数Pettitt变点分析法分别检验大通站各流量序列的突变性,表1为大通站流量突变分析结果,图3为大通站流量分期和突变幅度图。由表、图可看出:①大通站年均流量无显著突变,但洪、枯季流量存在显著突变。洪季流量突变年份为1958年,其中1946~1958、1959~2009年两时段的多年平均洪季流量分别为44200、38930m3/s,突变幅度约为-20%。枯季流量突变年份为1987、1955年,其一级突变的1946~1987、1988~2009年两时段的多年平均枯季流量分别为16300、17700m3/s,突变幅度约为8.6%;二级突变1946~1955、1956~1987年两时段的多年平均枯季流量分别为18180、15730m3/s,突变幅度约为-13.5%。②大通站各月均流量序列中,1~3、5、7、10、11月流量均存在显著突变。各月均流量突变年份主要在1988年左右、1979年左右、2003、1955、1961年。1~3月流量一级增量突变幅度相对较大,分别为23.6%、26.0%、25.9%,二级减量突变幅度均在-30%以上;7月流量一级减量突变幅度为-21.5%;5、10、11月流量一级减量突变幅度相对较小,在-20%~-10%之间。2.3年际流量序列的分析流域径流除具有趋势性和突变性外,还表现出周期性。图4为大通站1946~2009年年均、洪、枯季流量序列和1950~2009年历年逐月平均流量序列的小波方差图。由于资料长度的限制,仅考虑20年内的周期。由图可看出,大通站年均流量主要周期为15、7、3年,洪季流量主要周期为16、7、3年。枯季流量主要周期为14、7、3年,逐月流量主要周期为92个月(7.7年)、29个月(2.4年)、18个月(1.5年)。2.4阵风下流量的变化基于大通站1950~2009年各月流量资料,分析流量年内分配特征。表2为大通站流量年内分配,图5为大通站流量年内分配各系数与变化幅度图。其中,径流年内分配不均匀系数CU和径流年内分配完全调节系数Cr值越大,则表明径流年内分配越不均匀;集中期D表示1年中最大月径流量出现的月份,集中度Cd则反映了集中期径流值占年总径流的比例;Cmmax、Cmmin分别为年内最大、最小月均流量与年均流量之比,Cm为年内最大月均流量与最小月均流量之比。由表2可看出:①CU与Cr在各年代之间变化不大,流量年内分配在20世纪60、70、90年代相对较集中,在21世纪初相对较均匀。②年内径流主要集中于7、8月。③Cmmax最大值在20世纪90年代,最小值在21世纪初;Cmmin最大值也在20世纪90年代,最小值在20世纪60年代;Cm在20世纪60年代最大,在21世纪初最小。由图5可看出:①流量年内分配在20世纪50年代中期和90年代末期相对集中,其余则相对均匀。Cr的变化规律与CU一致。②Cd的变化与CU的变化基本吻合,1955年、1999年前后流量年内分配相对较集中,1950~1953年和2000年以后流量分配相对较均匀。③Cmmax在1954、1998年出现极大值,在1972年出现极小值,并在21世纪初急剧减小;Cmmin在20世纪50年代初由较大值急剧减小直至60年代初,而后缓慢增加,整个序列内Cmmin变化相对不大;Cm由20世纪50年代初的较小值逐渐增大到60年代初期,而后一直缓慢减少,到21世纪初减少到相对较小。3径流年内变化长江流域的径流与降水关系十分密切,径流量的变化主要受降水控制。1950年以来长江中下游区的降水变化趋势及年际降水的旱涝评定与大通站年际径流量变化趋势及突变年份大体一致。大通站径流14~16年的长周期与我国近百年来降水7~14年的长周期对应,长江中下游区降水对厄尔尼诺现象的响应最明显,大通站径流7~8、3、3年以内周期与厄尔尼诺现象最显著的变化周期2~7年对应。流域径流变化还与人类活动有关。长江干、支流上修建的水库大多为季调节水库,对年径流量基本无影响。葛洲坝水库因其为小库容径流式水库,其运行对下游的的径流分配几乎无影响。本文主要分析丹江口水库、三峡水库对大通站流量年内过程的影响。表3为长江各水文站不同时段径流多年平均值,图6为长江各水文站不同时段径流年内分配图。由表、图可看出:①丹江口水库建库前后两时段内,汉江下游仙桃站洪季径流明显减少,枯季径流增加,洪季多年平均径流所占比例约减少10%,年内分配变得均匀平缓;汉口站洪、枯季径流变化不明显,洪季多年平均径流所占比例仅减少0.4%,年内分配过程变化不明显。汉口站径流有1/2以上来自上游宜昌,而丹江口水库建库前后宜昌站洪季多年平均径流所占比例减少0.9%,表明丹江口水库对汉口站径流年内过程影响很小。下游大通站洪季多年平均径流所占比例减少约0.7%,丹江口水库对大通站径流年内过程影响微弱。②与蓄水前相比,三峡水库一、二期蓄水后,宜昌站洪季径流削减,枯季径流增加,洪季多年平均径流所占比例分别减少了1.9%、3.4%,年内分配明显变得均匀平缓;汉口站洪季径流削减,枯季径流增加,洪季多年平均径流所占比例分别减少了2.6%、3.3%,年内分配也变得相对均匀;大通站洪季径流削减,枯季径流变化不大,洪季多年平均径流所占比例分别减少了2.1%、3.3%,年内分配变得平缓,表明三峡水库的运行对大通站径流年内过程有一定影响。此外,径流经上游水库调蓄后由宜昌站下泄,沿程经洞庭湖水系、支流汉江、鄱阳湖水系进入大通站。江湖关系变化如洞庭湖调蓄量变化及河道冲淤等也会对大通站径流变化产生影响。4径流动态变化的影响a.综合