中图法分类号: TV121 文献标志码: A 文章编号: 1001 - 4179 (2010) 07 - 0010 - 05
Runoff characteristics and variation tendency of Jinsha River Basin
XU Changjiang, FAN Kexu, XIAO Tianguo
Abstract: By the series data of plurienNIal annual runoff of the hydrological stations at up stream, middle stream and downstream on the main stem of Jinsha River, the characteristic values reflecting annual and interannual variations of runoff, such as runoff extremum ratio of the stations, variation coefficient, inter - annual unevenly distribution coefficient of runoff, concentrative degree, concentrative period etc. , are analyzed, and the long - term variation tendency of the runoff in the J insha RiverBasin is analyzed and checked byMann - Kendallmethod. The research results show the inter - annual runoff in the basin changes little and the change in the up stream is slightly larger than that in the middle stream and downstream; the annual runoff distribution is uneven and the distribution in up stream ismore uneven than that in the downstream; since 1950 s, at confidence level of 0. 5, the check values of the annual runoff series at the main hydrological stations on the main stem have not break the critical values, demonstrating the annual runoff series have no obvious increase and decrease tendency.
Key words: inter - annual distribution of runoff; extremum ratio; Mann - Kendall check; tendency analysis; Jinsha River
金沙江流域位于我国青藏高原、云贵高原和四川盆地的西部边缘,干流全长3 496 km,总落差5 154 m,流域面积47. 3万km2 ,流域多年平均径流量1 520亿m3 ,水资源和水能资源十分丰富。按照国家西部开发的总体布局,依托金沙江流域的水资源优势,流域经济社会发展具有广阔的前景。加快金沙江水电基地建设和西电东送实施步伐,开展南水北调西线调水、引水滇中高原和川南丘陵区,实施金沙江下游的“长治”工程,是金沙江流域未来开发与治理的重要内容。因此,研究金沙江流域的径流特征和趋势变化对流域水资源的综合开发利用具有十分重要的意义。
金沙江干流以石鼓和攀枝花为界,分为上、中、下3 段。直门达至石鼓为金沙江上段,区间流域面积7. 65万km2 ,河段长984 km;石鼓至攀枝花为金沙江中段,区间流域面积4. 5万km2 ,河段长约564 km;攀枝花至宜宾为金沙江下段,区间流域面积21. 4万km2 ,河段长768 km。经长江委水文局和各水电勘测设计研究院对金沙江干流主要水文站水文资料的多次复核,金沙江干流中游河段水文站的可靠径流资料从1953年启用,下游河段水文站的可靠径流资料从1940年启用。本文利用金沙江干流中上游主要水文站1953～2005年的年月径流资料、下游主要水文站1940～2005年的年月径流资料,对金沙江流域的径流年际变化、年内分配及时间序列变化趋势进行了研究,为金沙江流域的水电站开发建设和水资源优化配置提供科学依据。
1 径流量的变化特征分析
根据金沙江干流主要水文控制站直门达、岗拖、巴塘、奔子栏、石鼓、金江街、攀枝花1953～2005年及华弹、屏山站1940～2005年的径流系列资料,统计分析了流域内径流变化特征。金沙江干流主要水文站地理位置见图1。
图1 金沙江干流主要水文站地理位置示意
二滩水电站位于雅砻江干流下游河段上,距雅砻江与金沙江的汇口33 km。1991年9月开工, 1998年7月第1台机组发电, 2000年竣工。二滩水电站是一座以发电为主,兼有其他综合利用效益的大型水利枢纽,水库正常蓄水位1 200 m,相应库容58亿m3 ,调节库容33. 7亿m3 ,属季调节水库。本次根据二滩水库1998～2005年的逐日入出库流量资料,对金沙江干流下段的华弹、屏山站径流系列进行了还原计算。
1. 1 径流量的年际变化
1. 1. 1 极值比
金沙江干流主要水文站年径流量极值比见表1。该流域径流量的年际变化不大,其中,上游较中下游的变化稍大,且随着流域面积的增大年际径流变化趋于相对稳定。上段直门达站最大年径流量217 亿m3(1989年) ,最小年径流量66. 2亿m3 (1994年) ,极值比为3. 3;中段石鼓站最大年径流量为546亿m3 (1954年) ,最小年径流量294亿m3 (1994年) ,极值比为1. 9倍;下段屏山站最大年径流量2030亿m3 (1998年) ,最小年径流量1 060 亿m3 (1994 年) ,极值比为1. 9倍。
表1 金沙江干流主要水文站年径流量极值比
1. 1. 2 变差系数
据统计,金沙江流域年径流的变差系数Cv值随集水面积的增大而趋于稳定。上段直门达站的Cv值为0.30,直门达站以下逐渐减小, 至中段的石鼓站时, Cv值已减小为0.18,石鼓以下各站Cv值基本稳定在0. 18左右。
1. 1. 3 丰、平、枯水年统计分析
对各站年径流量总体样本进行频率分析,按年径流量的大小,将频率小于12. 5%、12. 5% ～37. 5%、37. 5%～62. 5%、62. 5% ～87. 5%和大于87. 5%的年径流量分别划分为丰水年、偏丰水年、平水年、偏枯水年和枯水年5种等级。经统计,金沙江干流各主要水文站年径流量的丰枯统计见表2。由表2可知:金江街站丰水年出现的年数大于枯水年,偏丰水年出现的年数大于偏枯水年;屏山站丰水年出现的年数大于枯水年,但偏枯水年出现的年数大于偏丰水年,偏丰水年和丰水年出现的年数与偏枯水年和枯水年出现的年数则大致相当;其余各站丰水年出现的年数与枯水年出现的年数大致接近,偏丰水年与偏枯水年出现的年数相近。
表2 金沙江干流主要水文站丰、平、枯统计
所谓连丰水年是指该年段内各年都属于丰水年或偏丰水年,连枯水年是指该年段内各年都属于枯水年或偏枯水年。统计金沙江干流主要水文站连续2 a及以上连丰、连枯出现的次数,结果见表3。统计结果表明,金沙江干流连丰、连枯水年出现次数基本相当。
表3 金沙江干流主要水文站连丰、连枯水年次数统计
差积曲线法可以分析径流量的长丰、长枯变化情况,绘制金沙江干流各站年径流量模比差积曲线如图2～4所示。
图2 金沙江干流上游主要水文站年径流差积曲线
图3 金沙江干流中游主要水文站年径流差积曲线
图4 金沙江干流下游主要水文站年径流差积曲线
金沙江上游,直门达、岗拖站差积曲线走势基本一致,上升下降频繁,说明持续丰水、持续枯水时段不长,丰枯交替出现;巴塘、奔子栏站差积曲线走势基本一致, 1956～1960、1967～1987年和1994～1997年为持续的枯水期, 1953～1955、1961～1966、1989～1991年和1998～2005年为持续的丰水期。
金沙江中游,石鼓、金江街和攀枝花站差积曲线走势基本一致。1988 ～1997 年丰枯交替出现; 1956 ～1961年和1967 ～1987 年为持续的长枯期, 1953 ～1955、1962～1966 年和1998 ～2005 年为持续的长丰期。
金沙江下游,华弹站和屏山站差积曲线走势基本一致。1940～1968 年和1986 ～1997 年,差积曲线上升下降频繁,丰枯交替出现; 1969～1985年为持续的长枯期, 1998～2005年则为持续的长丰期。
不管在丰水期和枯水期,差积曲线都会出现一些小的波动,说明在持续的丰水期中出现过少数枯水年份,在持续的枯水期中亦出现过少数丰水年份。
1. 2 径流量的年内分配
综合反映河川径流年内分配不均匀性的指标有多种计算方法。本文采用径流年内分配不均匀系数和集中度来分析金沙江干流径流量的年内分配特征。
1. 2. 1 不均匀系数
本文用径流年内分配不均匀系数Ci 和径流年内分配完全调节系数Cr 来衡量径流年内分配的不均匀性[ 1 - 3 ] 。
径流年内分配不均匀系数Ci 计算式如下:
式中, Ri 为年内各月径流量; R为年内月平均径流量。Ci 值越大, 表明年内各月径流量相差悬殊, 径流年内分配越不均匀。
径流年内分配完全调节系数Cr 是另外一种年内分配的指标,计算式如下:
其中,
1. 2. 2 集中度和集中期
集中度和集中期的计算是将1 a内各月的径流量作为向量看待,月径流的大小为向量的长度,所处的月份为向量的方向。从1月到12月每月的方位角θi 分别为0°, 30°, 60°,…, 330°,并把每个月的径流分解为x和y两个方向上的分量, 则x和y方向上的向量分别为:
则径流的合成为:1022集中度Cd 和集中期D定义如下式:
由上式可以看出,合成向量的方位指示了月径流量合成后的总效应,也即集中期D 是向量合成后重心所指示的角度,表示1 a中最大月径流量出现的时间。而集中度Cd 则反映了集中期径流值占年总径流的比例。因此,集中度与通常所采用的汛期径流占全年径流比有明显的相关关系。
金沙江干流主要水文站径流年内分配特征值见表4。分析研究表明: ①金沙江流域径流年内分配不均,且金沙江上段的径流年内分配不均匀情况要甚于中下段。金沙江干流上段,从直门达至奔子栏, 径流年内分配不均匀系数逐渐降低,年径流系列的Ci 值由直门达站的0.90降到奔子栏站的0. 77, Cr值则由直门达站的0. 40降到奔子栏站的0. 33。金沙江干流中下段各站的Ci 值基本在0. 75左右, Cr值在0. 33左右。该成果与金沙江上游地处青藏高原气候寒冷地区, 冬春两季河流封冻,枯水期径流很少, 夏秋季降雨融雪增加, 汛期径流所占比重很大有关;中下游主要受降雨和地下水补给,因而年径流分配较上游相对均匀。②对金沙江干流上中下段各水文控制站, 其不同年代的径流年内分配不均匀情况与多年平均情况基本相同。根据计算,各水文站不同年代的径流年内分配不均匀系数特征值基本在多年平均特征值附近小范围内上下浮动, 最大偏差不超过7% ,基本都在5% 以内。③金沙江干流上段的径流集中度要大于中下段。金沙江上段的集中度Cd值为0. 51 ～0. 60,中下段的Cd值为0. 49 ～0. 51,上段的径流集中性明显要大于中下段。④径流集中度与径流年内分配不均匀性存在一定的相关性, 径流集中度越高,径流年内分配不均匀性越大。如直门达站不同年代和多年平均情况下的径流集中度最高, 其径流年内分配不均匀性也相应最大。⑤就径流集中期而言, 金沙江上段的特征值略小于中下段, 上段年内各月径流量集中的重心所指向的时间为7月底, 中下段径流量集中的重心所指向的时间为8月初, 表明上段的年内最大径流量出现时间要稍早于中下段。这与金沙江干流径流补给来源主要是降水, 流域雨季开始时间一般上游早于下游,雨区也自上游向下游移动发展的特性相符合。
表4 金沙江干流主要控制站径流年内分配特征值
2 径流量的长期变化趋势分析
2. 1 Mann - Kendall检验方法
在时间序列趋势分析中,Mann - Kendall检验是世界气象组织推荐并已广泛使用的非参数检验方法,最初由Mann 和Kendall提出[ 4 - 5 ] ,许多学者不断应用Mann - Kendall方法来分析降水、径流、气温和水质等要素时间序列的趋势变化[ 6 - 8 ] 。
在Mann - Kendall检验中,原假设H0 :时间序列数据( x1 ,…, xn ) 是n个独立的、随机变量同分布的样本;备择假设H1 是双边检验:对于所有的k, j ≤ n,且k ≠j, xk 和xj的分布是不相同的。检验的统计变量Z ,利用下式计算:
式中, V a r(S ) 为S的方差,统计量S计算式如下:
式中, xj和xk 分别为第j年和第k年的数值, j > k; n为系列的记录长度; sgn ( xj - xk ) 为表征函数。
利用统计量Z的值进行趋势统计的显著性检验。在双边的趋势检验中, 在给定的α置信水平上, 如果| Z | ≤ Z1 -α/2 ,则接受原假设;如果| Z | > Z1 -α/2 ,则原假设是不可接受的,即在α置信水平上,时间序列数据存在明显的上升或者下降趋势。统计量Z大于0时,表明是向上趋势,小于0时,表明是下降趋势。
为了能够清晰地看到趋势随时间的变化过程, 可以使用连续Mann - Kendall检验来实现。在时间序列随机独立的假定下,定义统计量UFk 如下:
式中, UF1 = 0, E (Sk ) 和V a r(Sk ) 是累计数Sk 的均值和方差, Sk 具体计算如下:
式中, UFi 为标准正态分布, 给定显著性水平α, 若| U Fi | > u1 -α/2 ,则表明序列存在明显的趋势变化。
通过分析统计量序列UFk ,可以进一步分析序列x的趋势变化。若UFk 值大于0,则表明序列呈上升趋势,小于0则表明呈下降趋势,当它们超过临界直线时,表明上升或下降趋势显著。
2. 2 径流序列的Mann - Kendall检验
用于Mann - Kendall检验的径流资料系列如下:
金沙江干流中上段的直门达、岗拖、巴塘、奔子栏、石鼓、金江街、攀枝花站采用1953～2005年的径流系列,金沙江干流下段的华弹、屏山站采用考虑二滩水库还原后的1940～2005年径流系列。
对金沙江干流上中下游各主要水文站的年径流序列进行Mann - Kendall检验,检验结果见表5和图5～7。
表5 金沙江干流主要水文站年径流序列的Mann - Kendall检验统计量
在置信水平α = 0. 05上,相应的Z1 -α/2 = 1. 96。分析表5中的成果,得出如下结论:
(1) 金沙江干流上中下游各主要水文站的检验统计量Z值均没有突破显著性α = 0. 05的临界值,亦即各主要水文站的年径流系列均没有表现出显著的上升或下降趋势。
(2) 直门达、岗拖站的检验统计量为负值,表明年径流系列总体样本呈现弱下降趋势,其余各站的检验统计量均为正值,表明年径流系列总体样本呈现弱上升趋势。
图5 金沙江干流上游主要控制站年径流系列
Mann - Kendall检验趋势变化过程
图6 金沙江干流中游主要控制站年径流系列
Mann - Kendall检验趋势变化过程
图7 金沙江干流下游主要控制站年径流系列
Mann - Kendall检验趋势变化过程
金沙江干流上游段选择了直门达、岗拖、巴塘、奔子栏站的年径流系列来进行Mann - Kendall检验趋势变化研究。从图5中可以直观地看出, 4站的Mann -Kendall检验趋势变化过程线基本在显著性α = 0. 05的临界值之间变动,没有出现显著性趋势变化。直门达站自1990年开始、岗拖站自1968年开始基本呈现出UF值为负值的特点,表明径流系列样本持续呈现下降趋势。巴塘站在1969 ～ 2004年、奔子栏站在1971 ～2002年呈现出U F值为负值的特点,但从1997年开始,两站的U F值负增长的趋势逐渐变小, 巴塘站于2005年、奔子栏站于2003年开始出现了U F值为正的现象,表明近年来随着径流序列的时间增长, 两站的年径流序列样本已从下降趋势变成了上升趋势。
金沙江干流中游段选择了石鼓、金江街、攀枝花站的年径流系列来进行Mann - Kendall检验趋势变化研究。从图6中可以看出,攀枝花站在1984年出现了UF值突破显著性α = 0. 05的临界值的情况,亦即攀枝花站1953 ～1984年径流序列存在显著下降趋势。中游各站UF值在1968 ～ 2000年基本呈现出持续的负值现象,但近年来,趋势逐渐减缓,已呈现正增长的趋势,表明中游各站的年径流序列样本随着时间增长, 已从先前的下降趋势转为目前的上升趋势。
金沙江干流下游段选择了华弹、屏山站的年径流系列来进行Mann - Kendall检验趋势变化研究。从图7中可以看出,华弹、屏山站在个别时间点, 出现了检验值突破显著性α = 0. 05的临界值的情况。下游各站UF值在1945 ～ 1959年和1964 ～ 1970年基本呈现出正增长的趋势,在1971 ～2000年则呈现出持续负增长的趋势,最近几年,两站的U F值又开始呈现正增长趋势,这表明目前下游各站的年径流序列样本呈上升趋势。
上述分析表明,金沙江径流的趋势变化属于正常的丰枯波动,现有资料系列没有显示长期的增加或减少的趋势。
3 结论
本文选用金沙江干流上中下游各主要水文站从20世纪四五十年代开始至2005年的年月径流系列,开展了金沙江流域的年际年内径流特征及变化趋势研究,主要结论如下:
(1) 金沙江流域径流量的年际变化不大,其中,上段较中下段的变化稍大,且随着流域面积的增大,年际径流变化趋于相对稳定。金沙江干流各主要水文站的年径流极值比为1. 8～3. 3。
(2) 采用径流年内分配不均匀系数和集中度研究了金沙江流域径流年内分配情况。研究成果表明,金沙江流域径流年内分配不均,上段的径流年内分配较之中下段更不均匀,上段的年内最大径流量出现时间要稍早于中下段,该研究成果与金沙江流域所处的地理位置和径流补给特性相吻合。
(3) 采用Mann - Kendall检验研究了金沙江流域内的径流变化趋势。研究成果表明,金沙江流域上中下游各主要水文控制站的年径流系列样本检验值均未突破显著性α = 0. 05的临界值,表明各站的年径流系列均没有发生显著的上升或下降趋势。
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作者简介:徐长江,女,工程师,主要从事水文水资源研究工作。
