劉永婷, 徐光來, 李 鵬, 尹周祥, 劉繼鋒, 高 超

(1.安徽師范大學(xué) 國土資源與旅游學(xué)院, 安徽 蕪湖 241003; 2.安徽自然災(zāi)害過程與防控研究省級實驗室, 安徽蕪湖 241003; 3.河南省駐馬店水文水資源勘測局, 河南 駐馬店450003; 4.信陽市水文水資源勘查局, 河南 信陽 464000)

淮河上游徑流年內(nèi)分配均勻度及變化規(guī)律

劉永婷1,2, 徐光來1,2, 李 鵬3, 尹周祥1,2, 劉繼鋒4, 高 超1,2

(1.安徽師范大學(xué) 國土資源與旅游學(xué)院, 安徽 蕪湖 241003; 2.安徽自然災(zāi)害過程與防控研究省級實驗室, 安徽蕪湖 241003; 3.河南省駐馬店水文水資源勘測局, 河南 駐馬店450003; 4.信陽市水文水資源勘查局, 河南 信陽 464000)

研究淮河上游徑流量的年內(nèi)分配均勻度及其變化周期，為防洪防汛，水資源的合理規(guī)劃管理及區(qū)域社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。選取1975—2014年淮河上游2個水文代表站點(大坡嶺和長臺關(guān))實測逐日流量數(shù)據(jù)，計算各年平均流量基尼系數(shù)和洛倫茲不對稱系數(shù)，采用線性傾向率、Mann-Kendall突變檢驗、R/S分析和小波分析等數(shù)理統(tǒng)計方法，分析了淮河上游流量的年內(nèi)分配均勻度、變化趨勢及周期特征。結(jié)果表明：(1) 近40年淮河上游大坡嶺和長臺關(guān)水文站的逐年平均流量均呈微弱下降趨勢，其線性傾向率分別為-1.68 m3/(s·10 a)和-3.83 m3/(s·10 a)。年均流量的基尼系數(shù)變化幅度不明顯，年平均基尼系數(shù)分別為0.54和0.53。洛倫茲不對稱系數(shù)呈不顯著上升趨勢，大于1的洛倫茲不對稱系數(shù)的年份占總年份的比例分別約為65%和57.5%；(2) 2個水文站的Hurst指數(shù)都略大于0.5，表明存在顯著的Hurst現(xiàn)象，即該地區(qū)年徑流時間序列大體上延續(xù)歷史變化趨勢，說明在未來一段時間內(nèi)年徑流量仍將微弱減少；(3) 近40年淮河上游年徑流變化主要存在3 a，12 a和28 a的主周期。在氣候變化、流域下墊面和人類活動的綜合影響下，河川徑流的年內(nèi)分配均勻度發(fā)生著相應(yīng)變化。

流量變化; 均勻度; 變化規(guī)律; 淮河上游

氣候變化和人類活動改變水文循環(huán)的現(xiàn)狀，引起河川徑流在時空上的重新分配。河川徑流在時空上的更新，直接影響水資源的合理利用與開發(fā)，加劇了洪澇、干旱和季節(jié)性的水資源短缺問題等極端水文事件發(fā)生的頻率和強度，進而對人民生命財產(chǎn)和社會經(jīng)濟發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。隨著全球變暖和人類活動綜合作用的加劇，反映一個地區(qū)水資源豐缺程度的重要水平衡指標(biāo)——流域徑流必然受到影響，各流域徑流量及其影響因子的變化成為氣象水文學(xué)研究的熱點和難點問題[2-4]。近幾年來，關(guān)于徑流變化特征和周期的研究吸引了不少研究人員的關(guān)注，孫鵬等[5]分析了近40 a來塔里木河流域年徑流量、年降水量和年平均氣溫的周期特征，表明其存在2.0～6.0 a周期變化特征。張健等[6]研究表明在受人類活動顯著影響下，無定河流域徑流的突變年份為1972年，年徑流存在6個不同時間尺度的“豐—枯”演變特征。楊鵬鵬等[7]利用近50 a南水北調(diào)西線引水區(qū)水文和氣象站點資料，通過相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)該流域徑流量和年平均氣溫呈負相關(guān)，而與年降水呈正相關(guān)。

淮河流域地處亞熱帶與暖溫帶氣候交界處，冬春干旱少雨，夏季悶熱多雨，冷暖和旱澇轉(zhuǎn)變急劇[1,8]，因而充分認識淮河流域徑流量的變化規(guī)律和周期特征，對流域水利工程建設(shè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源的綜合開發(fā)利用具有重要指導(dǎo)意義。以往的研究多注重于淮河流域的雨量時空變化[9]和極端徑流的強度、頻率特征[10]、演變規(guī)律以及統(tǒng)計模型[11-12]，而對淮河上游流量年內(nèi)分布的不均勻性、變化趨勢及周期分析較少。本文基于淮河上游的2個水文站1975—2014年的實測日流量資料，利用基尼系數(shù)和洛倫茲不均勻系數(shù)對平均流量年內(nèi)分配均勻度進行分析，并采用Mann-Kendall突變檢驗、R/S分析和小波分析等方法分析淮河上游流量變化趨勢和周期性特征。試圖全面、客觀地評估流量年內(nèi)分配均勻度及其變化趨勢，為流域內(nèi)水資源的合理規(guī)劃，管理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，促進區(qū)域社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

淮河干流發(fā)源于河南省桐柏山主峰太白頂北麓，位于30°55′—36°36′N，111°55′—121°25′E，介于長江和黃河兩流域之間。淮河全長1 000 km，總落差約200 m，流域面積約27萬km2?；春痈闪骺梢詣澐譃樯嫌?、中游和下游三個部分。本文研究的淮河上游是指長臺關(guān)站以上的地區(qū)，流域內(nèi)地貌以低山丘陵為主，地勢由西北向東南逐漸降低?；春恿饔?qū)儆趤啛釒蚺瘻貛н^渡的季風(fēng)性氣候，其特點是冬春干旱少雨，夏秋悶熱多雨，冷暖和旱澇轉(zhuǎn)變急劇。本文選取淮河上游的大坡嶺和長臺關(guān)2個水文代表站，數(shù)據(jù)采用1975—2014年實測逐日流量數(shù)據(jù)，流域位置和站點分布見圖1。

圖1淮河流域示意圖

2 研究方法

基尼系數(shù)是由意大利經(jīng)濟學(xué)家基尼所提出，最早用于判斷國民收入分配平等程度的指標(biāo)[13]。近年來，許多學(xué)者將其逐步引入到水文學(xué)領(lǐng)域，將基尼系數(shù)用于描述水文年內(nèi)分配均勻度[2,14]?；嵯禂?shù)取值在0～1之間，基尼系數(shù)越大，表示降水或徑流量分布均勻度越低；反之表示均勻度越大[15]?；嵯禂?shù)可以直觀表達降水、徑流量年內(nèi)分配均勻程度，關(guān)于其計算步驟詳見參考文獻[14]?；嵯禂?shù)并不能完全描述洛倫茲曲線的信息，不同的洛倫茲曲線可以有相同的基尼系數(shù)。2000年，Damgaard等[16]根據(jù)洛倫茲曲線，提出洛倫茲不對稱性系數(shù)，用來表明不同等級群體對總的不均勻性貢獻大小。洛倫茲不對稱性系數(shù)大于1，說明徑流量(降雨量)較大的月份占年徑流量(降雨量)的比例較大，從而造成了年內(nèi)徑流量(降雨量)分布不均勻性；反之，洛倫茲不對稱性系數(shù)小于1，說明引起年內(nèi)徑流量(降雨量)分布不均勻性的原因是徑流量(降雨量)較小的月份所占比例大[17]。Mann-Kendall是一種非參數(shù)的突變檢驗法，具有比較高的定量化程度，可以檢驗較寬的范圍，明確突變的區(qū)域，指出突變開始的時間，基本原理參見文獻[18]。重標(biāo)極差法(R/S分析)是研究非線性時間序列分析法，它在對時間序列長程相關(guān)(反相關(guān))持續(xù)性(反持續(xù)性)的判別方面，具有獨特優(yōu)勢，能很好地預(yù)測時間序列的未來變化趨勢。其具體步驟參見文獻[19]。Morlet小波分析在時域、頻域上具有局部辨識力，可診斷出氣溫序列變化的多層次特征，進而得到周期變化在不同時間尺度上的詳細信息[20]。在Matlab 2012版中使用小波分析年徑流時間序列周期，基本原理參見文獻[20]。

3 結(jié)果與分析

3.1 年內(nèi)分配均勻度變化

采用Gini 系數(shù)模型，對淮河上游2個水文站的年平均流量和逐月平均流量資料的時間分布均勻度進行評價。

圖2大坡嶺和長臺關(guān)年平均流量、Gini系數(shù)和洛倫茲不對稱系數(shù)變化趨勢

大坡嶺站1975—2014年的平均流量為18.35 m3/s，最大流量為40.1 m3/s(2005年)，最小流量為3.52 m3/s(1986年)，逐年平均流量變化呈鋸齒形震蕩，其線性傾向率為-1.68 m3/(s·10 a)，Mann-Kendall相關(guān)系數(shù)檢驗值M值為-1.12，說明年平均流量總體呈下降趨勢，但下降趨勢不明顯(圖2A和表1)。近40 a 平均基尼系數(shù)為0.54，大于0.54的年份有21 a，約占總年份的52.5%，表明大坡嶺站平均流量年內(nèi)分配不均勻。洛倫茲不對稱系數(shù)大于1的年份約占總年份的65%，說明流量較多的月份是引起徑流量年內(nèi)分布不均勻性的主要原因。

如圖2B和表1所示，長臺關(guān)站近40 a的平均流量是32.85 m3/s，最大流量68.7 m3/s(1989年)，最小流量7.09 m3/s(2001年)，其變化趨勢與大坡嶺變化趨勢大體一致，呈現(xiàn)出逐年緩慢減少的趨勢。長臺關(guān)站多年平均基尼系數(shù)為0.53，大于0.53的年份有22 a，約占總年份的55%，說明近40 a來平均流量年內(nèi)分配較不均勻。洛倫茲不對稱系數(shù)大于1的年份約占總年份的57.5%，說明流量較大的月份是造成平均流量年內(nèi)分配不均勻性的主導(dǎo)因素。

表1 淮河上游各水文站年平均流量、基尼系數(shù)和洛倫茲不對稱系數(shù)的趨勢檢驗結(jié)果

由圖2和表1分析可知，大坡嶺站和長臺關(guān)站的流量豐、枯變化過程基本一致，2站年平均流量均呈下降趨勢，但下降趨勢不顯著，其中長臺關(guān)站年際變化率略大于大坡嶺站。2站的年基尼系數(shù)變化趨勢不明顯，表明年內(nèi)流量分布均勻度基本保持不變，2站的洛倫茲不對稱系數(shù)都呈微弱上升趨勢，但上升趨勢不明顯。由此可見淮河上游年均流量呈減少趨勢，年內(nèi)分配均勻度總體保持不變，洛倫茲不對稱系數(shù)波動變化表明流量較大的月份所占比例較大，主要集中在汛期(6—9月)，因此，影響流量變化的主導(dǎo)因素可能是降雨量。汛期月份流量的增大，將會導(dǎo)致水土流失，非汛期流量的減少，容易造成土壤干旱，都將不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境保護。

3.2 年平均流量的變化趨勢分析

用R/S法計算徑流序列的Hurst指數(shù)(表1)，基于年徑流量的歷史變化趨勢，預(yù)估其未來徑流量的變化趨勢。2站的R/S分布曲線總體呈現(xiàn)相同趨勢。大坡嶺站徑流H值為0.625,大于0.5，說明存在比較明顯的Hurst現(xiàn)象，表明未來大坡嶺站徑流量可能依然延續(xù)過去的不顯著減少趨勢，而長臺關(guān)站的徑流H值為0.558，略大于0.5，表明未來徑流可能仍將呈微弱減少趨勢。大坡嶺站徑流的Hurst指數(shù)比較大，持續(xù)性較強，而長臺關(guān)站較小，持續(xù)性較弱，從定量角度說明大坡嶺站徑流減少趨勢比長臺關(guān)站略高。從總體上來看，淮河上游年徑流量存在比較明顯的Hurst現(xiàn)象，年徑流序列總體上依然延續(xù)過去的變化趨勢。結(jié)合Hurst指數(shù)和M值分析，若淮河上游的氣候變化和下墊面人類活動仍保持現(xiàn)在的變化趨勢，其徑流量在未來一段時間將會繼續(xù)呈現(xiàn)遞減的趨勢。

3.3 周期性分析

采用Morlet小波對大坡嶺和長臺關(guān)的年徑流數(shù)據(jù)進行周期演變分析，繪制小波變換系數(shù)實部等值線圖(圖3)，可以看出年徑流量隨著不同時間尺度豐、枯交替變化，不同時間尺度對應(yīng)的年徑流量變化結(jié)構(gòu)不同，許多小尺度的變化表現(xiàn)為嵌套在較為復(fù)雜的較大尺度的結(jié)構(gòu)當(dāng)中。

圖31975-2014年大坡嶺站年徑流量的小波系數(shù)實部等值線和小波方差

圖3和圖4清晰地顯示了年徑流量的震蕩周期變化特征較為復(fù)雜，小波系數(shù)的大小表示圖中信號的強弱，正值說明徑流量偏豐，負值說明徑流量偏枯。大坡嶺站和長臺關(guān)站的小波尺度交替變化大致相同，小波系數(shù)實部等值線圖均顯示出2～5 a的時間尺度，年徑流量變化周期較復(fù)雜，突變點比較多，波動極值點分布較散亂。2站都在11～14 a特征尺度信號震蕩最強烈，所以可推測年徑流量變化可能存在11～14 a的周期，并且25～30 a尺度也呈現(xiàn)比較強烈的震蕩，說明2站年徑流量可能也出現(xiàn)25～30 a周期。

圖4 1975-2014年長臺關(guān)站年徑流量的小波系數(shù)實部等值線和小波方差

通過以上分析，可知淮河上游年徑流量序列在時域和頻域尺度的徑流量變化強弱和波動情況，但是并不能確定其具體周期。為了進一步明確主要周期，采用小波方差分析法，來分析年徑流量隨時間變化的主周期。由圖3和圖4可知，大坡嶺站和長臺關(guān)站年徑流量距平序列都有3個峰值，分別對應(yīng)3 a，12 a和28 a的時間尺度，其中12 a和28 a對應(yīng)的小波方差值較大，說明其徑流量12 a和28 a左右的周期震蕩較強。因此，大坡嶺站和長臺關(guān)站年徑流量均存在12 a和28 a的主周期，且2站的年徑流量變化具有同步性和一致性。

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

在全球變暖、局地水循環(huán)、流域下墊面及人類活動等多種因素的驅(qū)動下，河川徑流的年內(nèi)分配規(guī)律發(fā)生著相應(yīng)的變化。影響淮河上游流量的因素很多。Zhang等[21]認為，由于水利工程或設(shè)施的調(diào)控作用，近年來淮河流域徑流量受其影響程度從上游到下游是逐漸遞增的。唐為安等[22]研究表明，引起淮河干流徑流量變化的主導(dǎo)因素是人類活動造成的土地利用變化，對上游徑流量變化的貢獻率比較高，而降水的貢獻率相對較低，但其影響也不容忽視。張曉紅等[9]則認為淮河區(qū)域?qū)崪y徑流量受降水的影響比較大，人類活動對其影響不顯著。

上述研究表明，水利工程、人類活動和降水均會造成流域徑流變化，由于選取的流域內(nèi)氣象和水文站點的不同，得出的結(jié)果也會存在一定差異?；春又邢掠蔚貐^(qū)城市化發(fā)展速度快，受人類活動影響大，防洪、灌溉及生活用水等的需要，修建的水利工程也比較多，所以對流域徑流量影響較大。本文所選取的水文站點均位于淮河上游，由于該區(qū)域無大型水庫，受地理位置和地形的制約，城市化發(fā)展緩慢，下墊面變化不顯著，氣候變化是影響該流域徑流量的主要因素。

通過對淮河上游2個水文站的徑流序列分析表明，淮河上游的年平均流量呈現(xiàn)逐年微弱下降趨勢，這與潘扎榮[[11]、王振龍[23]的研究結(jié)果相吻合。近40 a淮河上游平均流量年內(nèi)分配較不均勻，洛倫茲不對稱系數(shù)波動變化表明流量較大的月份所占比例較大，而流量較大的月份主要集中在汛期。鄭泳杰等[24]指出淮河流域年降水總量呈輕微下降趨勢，尤其在流域西北部和上游地區(qū)變化顯著，這與本文得出的年徑流量的變化趨勢基本一致。綜上所述，降水可能是影響淮河上游實測徑流的重要因素，人類活動在一定程度上改變了流域水文過程。本文只是揭示了其中的一些統(tǒng)計事實，如何定量區(qū)分影響流域徑流變化的各個因素，還需要更深層次的模擬分析。

相關(guān)研究指出，全球氣候變暖、各地區(qū)的降水異常、厄爾尼諾及拉尼娜現(xiàn)象與該時期的太陽黑子活動有著重要聯(lián)系[25]。王兆禮等[26]研究發(fā)現(xiàn)，東江徑流量的豐、枯與太陽黑子數(shù)的急劇變化有一定的響應(yīng)關(guān)系。淮河上游的年徑流量存在11～14 a的震蕩周期，與太陽黑子11 a的震蕩周期相吻合[27]，由于本文研究的年徑流序列不夠長，是否與其更長的震蕩周期保持一致，還需要更深入的研究分析。

4.2 結(jié) 論

(1) 大坡嶺站和長臺關(guān)站的逐年平均流量呈鋸齒狀震蕩，年際變化率分別為-1.68 m3/(s·10 a)和-3.83 m3/(s·10 a)，可見近40 a來淮河上游年均流量呈現(xiàn)微弱遞減趨勢。2站的基尼系數(shù)分別為0.54和0.53，并且2站的洛倫茲不對稱系數(shù)大于1的年份占總年份的比例都比較高，表明淮河上游年均流量年內(nèi)分配不均勻和平均流量較大的月份所占比例較高?；春恿饔?qū)儆诘湫偷募撅L(fēng)性氣候，降雨量年內(nèi)分配不均勻，從而導(dǎo)致了年內(nèi)流量分布不均勻，這也是淮河流域旱澇災(zāi)害多發(fā)的重要原因。

(2) 大坡嶺站和長臺關(guān)站的徑流序列Hurst指數(shù)都大于0.5，表明具有比較顯著的Hurst現(xiàn)象，即該地區(qū)的徑流時間序列在不同時間段，具有長期相關(guān)性的特點，說明近40 a來淮河上游年徑流變化存在較強的趨勢性成分，未來年徑流量可能仍將呈不顯著遞減趨勢。

(3) 大坡嶺站和長臺關(guān)站在2～5 a，10～15 a和25～30 a尺度范圍內(nèi)都呈現(xiàn)比較強烈的周期震蕩，由小波方差圖可知2站年徑流變化均存在3 a，12 a和28 a變化的主周期，這不僅說明2站的年徑流變化具有同步性和一致性，由此可以推測，淮河上游年徑流量呈3 a，12 a和28 a的主周期變化規(guī)律。

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StudyonRunoffUniformityandVariationintheUpperReachesofHuaiheRiverBasin

LIU Yongting1,2, XU Guanglai1,2, LI Peng3, YIN Zhouxiang1,2, LIU Jifeng4, GAO Chao1,2

(1.CollegeofTerritorialResourcesandTourism,AnhuiNormalUniversity,Wuhu,Anhui241003,China; 2.AnhuiKeyLaboratoryofNaturalDisasterProcessandPrevention,Wuhu,Anhui241003,China; 3.ZhumadianMunicipalBureauofHydrology,Zhumadian,He′nan450003,China; 4.XinyangMunicipalBureauofHydrology,Xinyang,He′nan464000,China)

Taking the upper reaches of Huaihe River Basin as a case study, we investigated the variation of runoff in order to provide the scientific basis for flood control, water resource reasonably planning and economy sustainable development. Based on daily runoff data from 1975 to 2014 in two hydrological stations (Dapoling and Changtaiguan) of Huaihe River, Gini coefficient and Lorenz asymmetry coefficient in two hydrological stations were statistically analyzed after building the Gini coefficient runoff uneven distribution model, annual runoff. The characteristics of annual runoff change were analyzed by using the linear regression, Mann-Kendall (MK) test, rescaled range (R/S) analysis, wavelet transforms and other mathematic statistic methods. Some important results were obtained as follows. (1) The runoff trends of Dapoling and Changtaiguan hydrological stations were weak decrease with time at rates of -1.68 m3/(s·decade) and -3.83 m3/(s·decade), respectively. Gini coefficient had a non-significant change. The average Gini coefficients of two stations were 0.54 and 0.53, respectively, indicating that the annual distribution of runoff was heterogeneous. The Lorenz asymmetry coefficients (S>1) of two stations accounted for 65% and 57.5%, respectively, indicating that it had greater percentage of the runoff in large runoff months. Lorenz asymmetry coefficient of annual runoff showed insignificant increasing trend, showing that the inhomogeneous degree of the runoff distribution had weak increase. (2) Hurst indexes of the two hydrological stations were slightly great than 0.5 in annual mean runoff by R/S analysis, indicating that there was obvious Hurst phenomenon, and showing that the slight decreasing trend in upper reaches of the Huaihe River would continue in the near future. (3) The oscillating periods of runoff in the past 40 years had complex variation characters with a nested structure on multiple time scales. The wavelet analysis showed that there were three periodic oscillations of 2～5 years, 10～15 years and 25～30 years. After the analysis of wavelet variance plots, it was found that there were 3 years, 12 years and 28 years periodic fluctuations of annual mean runoff. The two stations might have a quasi-period of 28 years, which need a longer time series to prove. The response of river water resource to both human activities and climate change, as the theoretical basis to understand the river hydrological process and the sustainable use of regional water resources, has gained more and more attentions on water research during the last decades.

runoff variation; inhomogeneous; periodic properties; the upper reaches of Huaihe River

2016-09-12

：2016-09-29

國家自然科學(xué)基金青年項目(41301029,41301011),國家自然科學(xué)基金項目(41571018)

劉永婷(1985—),女,安徽阜陽人,碩士研究生,主要研究方向為水文學(xué)和水資源。E-mail:2662291994@qq.com

徐光來(1978—),男,安徽無為人,博士,副教授,主要研究方向為水文學(xué)與水資源。E-mail:guanglaixu@163.com

P333

：A

：1005-3409(2017)05-0099-06