梁淑琪 王文圣 黃偉軍

摘要：岷江上游徑流演變特征分析可為成都平原水資源開發(fā)利用與管理提供科學(xué)依據(jù)。基于紫坪鋪站1937—2018年月徑流資料，運(yùn)用Mann-Kendall趨勢(shì)分析法、Spearman法、R／S分析法、有序聚類法和小波分析等方法分析了岷江上游徑流的年內(nèi)年際變化特征、豐枯特性、趨勢(shì)性、突變性以及周期性。研究結(jié)果表明：①岷江上游徑流年內(nèi)分配由遠(yuǎn)及近呈均勻向不均勻再向均勻轉(zhuǎn)變的特征，1980s徑流年內(nèi)分配不均勻程度最高，2010s徑流年內(nèi)分配不均勻程度最低。②徑流在1990s年際變化最大，在1960s年際變化最小，各年代年徑流分布的偏態(tài)性不一。③徑流正逐漸由偏豐、豐向偏枯、枯轉(zhuǎn)變。④年徑流在1937—2018年期間呈顯著下降趨勢(shì)，變化幅度約為-0.96m3s-1／a，在未來一段時(shí)間內(nèi)年徑流仍可能呈下降趨勢(shì);年徑流在1968年發(fā)生突變;年徑流表現(xiàn)為多時(shí)間尺度變化，存在6年和13年的主周期。

關(guān)鍵詞：岷江上游;徑流;趨勢(shì);突變;周期

中圖分類號(hào)：TV12

DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2020-05-009

The characteristics of runoff variation in the upstreamof Minjiang River from 1937 to 2018

LIANG Shuqi1， WANG Wensheng1， HUANG Weijun2

（1.School of Water Resource and Hydropower， Sichuan University， Chengdu 610065， China;

2.School of Architecture and Civil Engineering， Chengdu University， Chengdu 610106， China）

Abstract： The analysis of runoff variation characteristics in the upstream of Minjiang River can provide scientific basis for the utilization and management of water resources in Chengdu Plain. Based on the runoff time series from 1937 to 2018 at Zipingpu hydrological station， the present study analyzes the intra-annual distribution， inter-annual fluctuations， variation of high-water period and dry period， the trend， the abrupt change and periods of runoff in the study area. The results show that? ①Distribution of intra-annual runoff is characterized by a change from uniform to non-uniform and then to uniform. The highest degree of non-uniform distribution occurred in 1980s， and the lowest degree of non-uniform distribution occurred in 2010s；②The inter-annual variation of runoff in upstream of Minjiang River fluctuated the most in 1990s， and the least in 1960s. The skewness of annual runoff distribution is different in different periods; ③The annual runoff is changing from abundant water periods to dry periods; ④The annual runoff indicated a significant downward trend with a rate of-0.96m3s-1／a in the past 82 years and could keep downward trend in the future. The abrupt change point of annual runoff occurred in the year of 1968， with the periodic characteristics of 6-year and 13-year scales.

Key words： the upstream of Minjiang River; runoff; trend; abrupt change; periods

在全球氣候變暖的背景下，中國大部分流域降水時(shí)空分布不均勻程度加劇，加之下墊面和人類活動(dòng)等因素影響，地表徑流的時(shí)空演變特征發(fā)生了變化［1-3］。許多學(xué)者對(duì)徑流演變特征展開了大量研究。嚴(yán)棟飛等［4］分析漢江上游武侯站、洋縣站、漢中站和石泉站的徑流數(shù)據(jù)，指出漢江上游徑流自20世紀(jì)50年代以來呈減少趨勢(shì)，且各水文站突變年份均為1990年。李二輝等［5］研究表明黃河上游及中游的年徑流自1985年以來呈顯著減少趨勢(shì)，中游徑流的降幅高于上游。曹建廷［6］對(duì)長江源區(qū)直門達(dá)站1956—2000年徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并發(fā)現(xiàn)長江源區(qū)年徑流呈微弱的減少趨勢(shì)。羅玉等［7］利用沱沱河站和直達(dá)門站1961—2016年的徑流資料研究了長江源區(qū)徑流變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)該流域年徑流總體呈增加趨勢(shì)，沱沱河站徑流的集中度、相對(duì)變化幅度、年內(nèi)分配不均勻系數(shù)均高于直門達(dá)站。王文圣等［8］對(duì)長江上游主要河流年徑流序列變化特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)嘉陵江、岷江、沱江和涪江的年徑流有下降趨勢(shì)，金沙江的年徑流無明顯趨勢(shì)變化，主要河流年徑流存在著長度不等的周期成分，且大部分研究站點(diǎn)在空間上具有豐枯同步變化特點(diǎn)。不同流域的徑流變化特征存在區(qū)域性差異，科學(xué)合理地分析河川徑流的演變特性，是實(shí)現(xiàn)流域水資源管理、調(diào)度及可持續(xù)開發(fā)利用的重要基礎(chǔ)工作［9-10］。

岷江上游不僅是長江流域重要的生態(tài)屏障，而且是成都平原的重要水源地，其徑流的變化必然會(huì)給區(qū)域水資源配置、人類生產(chǎn)生活帶來一系列影響。本文基于岷江上游出口控制站-紫坪鋪站1937—2018年月徑流資料，對(duì)岷江上游徑流的年內(nèi)年際變化特征、豐枯特性、趨勢(shì)性、突變性和周期性進(jìn)行系統(tǒng)地研究，以提高對(duì)岷江上游徑流變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)水平，為成都平原水資源開發(fā)利用與管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況和數(shù)據(jù)

岷江上游是指岷江在都江堰以上的河段，位于青藏高原與四川盆地之間的高山峽谷區(qū)，地勢(shì)西北高東南低，主要流經(jīng)四川省松潘縣、黑水縣、茂縣、理縣、汶川縣，河長為341km，流域面積約23 000km2，落差為3 009m，地理坐標(biāo)介于北緯30°80′～33°20′和東經(jīng)102°45′～103°96′之間。受高空西風(fēng)環(huán)流、季風(fēng)及青藏高原的影響，岷江上游是氣候變化的敏感區(qū)，降水分布不均勻，干濕季節(jié)明顯，年溫差小。研究流域徑流的補(bǔ)給來源以降雨為主，占年徑流的50％～60％;地下水次之，占 30％～40％;季節(jié)性融雪主要集中在春末夏初，補(bǔ)給量占 5％～10％。

紫坪鋪站位于岷江干流，是岷江上游的出口控制站。本文收集了紫坪鋪站1937—2018年月徑流資料并作為變化特征分析的依據(jù)，同時(shí)將研究時(shí)段劃分為8個(gè)年代，即1940s（1940—1949），1950s（1950—1959），1960s（1960—1969），1970s（1970—1979），1980s（1980—1989），1990s（1990—1999），2000s（2000—2009），2010s（2010—2018）。

3 結(jié)果與討論

3.1 徑流年內(nèi)變化特征

岷江上游降水年內(nèi)分配不均勻［19］，其徑流在不同月份的分配比例也存在差別。表2列出了不同時(shí)段岷江上游徑流年內(nèi)分配統(tǒng)計(jì)情況，并繪制出月徑流變化曲線（圖1）。

岷江上游不同年代徑流年內(nèi)徑流分配狀況各不相同，年內(nèi)月徑流最大值主要集中在6月和7月。1940s，1950s，1960s，1970s和1980s月徑流變化曲線呈 “雙峰型”，峰值主要出現(xiàn)在7月和9月。1990s ，2000s和2010s月徑流變化曲線呈“單峰型”，峰值主要出現(xiàn)在6月或7月。從1937—2018年多年平均月徑流的變化趨勢(shì)來看，1～2月略微減少，2～7月顯著增加，7～8月略微減少，8～9月略微增加，9～12月急劇減少。汛期徑流（5～10月）占全年徑流的78％左右，年徑流與汛期徑流的年際變化一致，說明年徑流的總體走勢(shì)取決于汛期徑流的變化。

岷江上游各時(shí)段徑流的年內(nèi)分配指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見表3。不均勻系數(shù)Cvy、分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)Cr的變化規(guī)律基本相似。Cvy和Cr均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在1980s取得最大值，在2010s取得最小值。Cm和Cm-max的最大值均出現(xiàn)在1980s，Cm-min的最小值出現(xiàn)在1980s和1990s。隨著時(shí)間推移，岷江上游徑流年內(nèi)分配呈均勻向不均勻再向均勻轉(zhuǎn)變特征，1980s徑流年內(nèi)分配不均勻程度最高，2010s徑流年內(nèi)分配的不均勻程度最低。

3.2 徑流年際變化特征

表4給出了岷江上游徑流年際變化指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果。在1937—2018年，徑流的多年平均值為448 m3／s，最大值為615 m3／s出現(xiàn)在1937年，最小值為311 m3／s出現(xiàn)在2002年;1940—1969年徑流高于多年平均值，1970—2009年徑流低于多年平均值;2010s徑流有所回升略高于多年平均值，可以初步判斷岷江上游徑流呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。1937—2018年的Cv值為0.12;各年代Cv最大值為0.12出現(xiàn)在1990s，Cv最小值為0.07出現(xiàn)在1960s。Cs值有大有小，表明年徑流分布的偏態(tài)性不一。1937—2018年極值比的取值為1.98，各年代極值比的變化范圍為1.25～1.50。綜上所述，徑流在1990s年際變化最大，在1960s年際變化最小，各時(shí)段年徑流分布的偏態(tài)性不一。

3.3 徑流豐枯變化特征

由距平百分率劃分標(biāo)準(zhǔn)得到岷江上游年徑流的豐枯級(jí)別，如圖2所示。在1937—2018年期間，徑流出現(xiàn)的枯水年數(shù)為3，占3.7％;偏枯年數(shù)為10，占12.2％;平水年數(shù)為52，占63.4％;偏豐年數(shù)為12，占14.6％;豐水年數(shù)為5，占6.1％。岷江上游徑流偏豐、豐水年主要出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代之前，偏枯、枯水年主要出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代之后。年際變化中，偏豐、豐水、偏枯和枯水歷時(shí)較短，通常只有1～2年，而平水歷時(shí)較長，最長達(dá)15年。綜上所述，岷江上游年徑流逐漸由偏豐、豐向偏枯、枯轉(zhuǎn)變。

3.4 徑流趨勢(shì)分析

圖3繪制了岷江上游年徑流變化曲線、5年滑動(dòng)平均曲線以及線性趨勢(shì)線。由5年滑動(dòng)平均曲線中可以看出，岷江上游徑流可大致分為5個(gè)上升期，持續(xù)時(shí)間為7～13年;5個(gè)下降期，持續(xù)時(shí)間為4～9年;1個(gè)平穩(wěn)期，持續(xù)時(shí)間為11年，呈現(xiàn)周期性波動(dòng)并逐漸下降的趨勢(shì)。表5列出了流域年徑流趨勢(shì)分析結(jié)果，3種方法均表明在1937—2018年岷江上游年徑流呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)［20］，變化幅度約為-0.96m3s-1／a。R／S法計(jì)算結(jié)果如圖4所示，可知Hurst指數(shù)為0.64，表明岷江上游年徑流在未來一段時(shí)間內(nèi)可能依然呈下降趨勢(shì)。

3.5 徑流突變分析

累積距平法計(jì)算結(jié)果如圖5所示，有序聚類法計(jì)算結(jié)果如圖6所示，兩種方法均表明岷江上游年徑流在1968年發(fā)生突變。以1968年作為突變年份，運(yùn)用秩和檢驗(yàn)法判斷突變點(diǎn)的顯著性，計(jì)算結(jié)果為4.31，其絕對(duì)值均大于臨界值1.96，表明該突變年份通過顯著性檢驗(yàn)。引起岷江上游徑流突變發(fā)生的因素可能是氣候變化、森林植被變化和水電開發(fā)活動(dòng)所致。

3.6 徑流周期分析

通過小波分析計(jì)算得到岷江上游年徑流序列的小波變換系數(shù)實(shí)部時(shí)頻分布變化（圖7）。圖7的上半部分為低頻，等值線相對(duì)稀疏，對(duì)應(yīng)較長時(shí)間尺度周期的震蕩;下半部分為低頻，等值線相對(duì)密集，對(duì)應(yīng)較短時(shí)間尺度周期的震蕩?？梢钥闯觯芷趶拇蟮叫〕尸F(xiàn)嵌套結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)多時(shí)間尺度變化特征，不同時(shí)段時(shí)間尺度的強(qiáng)弱分布略有所不同。圖8給出了小波方差變化圖，可以看出，岷江上游年徑流變化存在6年和13年的主周期。

4 結(jié) 論

選用Mann-Kendall趨勢(shì)分析法、Spearman法、R／S分析法、有序聚類法和小波分析等方法對(duì)岷江上游1397—2018年徑流演變特征行分析，主要結(jié)論如下：

1） 隨著時(shí)間推移，岷江上游徑流年內(nèi)分配由遠(yuǎn)及近呈均勻向不均勻再向均勻轉(zhuǎn)變特征，1980s年內(nèi)分配不均勻程度最高，2010s年內(nèi)分配的不均勻程度最低。

2） 岷江上游徑流在1990s年際變化最大，在1960s年際變化最小，各年代年徑流分布的偏態(tài)性不一。

3） 岷江上游徑流偏豐、豐水、偏枯和枯水歷時(shí)較短，通常只有1～2年，而平水歷時(shí)較長，最長達(dá)15年，正在由偏豐、豐向偏枯、枯轉(zhuǎn)變。

4） 岷江上游年徑流呈顯著下降趨勢(shì)，變化幅度約為-0.96m3s-1／a，在未來一段時(shí)間內(nèi)仍可能呈下降趨勢(shì);年徑流在1968年發(fā)生突變;年徑流表現(xiàn)為多時(shí)間尺度變化，存在6年和13年的主周期。

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（編 輯 張 歡）