唐 見，陳 進，周建中

(1.長江科學(xué)院a.流域水環(huán)境研究所;b.流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點實驗室;c.院長辦公室，武漢 430010;2.華中科技大學(xué) 水電與數(shù)字化工程學(xué)院，武漢 430074)

1 研究背景

由于受到區(qū)域氣候和下墊面等自然條件以及人類活動的耦合作用，河川徑流的演變過程既表現(xiàn)出確定性的周期性變化規(guī)律，同時也有強烈的隨機性［1］。徑流情勢演變及其對氣候和人類活動等驅(qū)動力的響應(yīng)研究成為水文水資源領(lǐng)域的熱點問題［2－4］。分析河川徑流的演化過程，掌握其演化的規(guī)律和動因，對于變化環(huán)境下的水生態(tài)環(huán)境和水資源適應(yīng)性規(guī)劃管理十分重要。

長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護區(qū)(以下簡稱“長江上游保護區(qū)”)在長江上游水域生態(tài)系統(tǒng)中具有代表性和典型性，保護區(qū)內(nèi)流域海拔落差大，地形植被復(fù)雜，受季風(fēng)以及青藏高原融雪等影響，徑流過程復(fù)雜多變，專家學(xué)者對該區(qū)域的徑流變化特征及其影響因素開展了廣泛研究。這些研究對于了解長江上游保護區(qū)流域水循環(huán)過程及其影響具有重要意義，但多局限于特定站點、河段的徑流演變過程分析。在屏山站的研究發(fā)現(xiàn)徑流量在氣候因子的作用下呈現(xiàn)增加趨勢［5－7］。趙利等［8］利用朱沱站代表保護區(qū)干流江段的水文特性分析了干流徑流變化程度及其生態(tài)影響。長江上游流域地形上的差別必然會導(dǎo)致區(qū)域徑流變化及其對氣候因子的響應(yīng)差異［9］，現(xiàn)階段還缺少對不同區(qū)域的徑流變化及其對氣候因子響應(yīng)特點的對比研究。

長江上游保護區(qū)現(xiàn)有水文變化研究成果表明，1990年以前保護區(qū)內(nèi)的水文過程基本屬于受人類活動干擾較小的自然狀態(tài)，1990年后人類活動尤其是水電開發(fā)會對長江上游的水文過程產(chǎn)生較大的干擾［8］。本研究選取長江上游保護區(qū)內(nèi)的代表性水文站點屏山、朱沱和赤水(控制流域分別屬于谷地、盆地和高原環(huán)境)的歷史流量和氣象資料，分析了1956—1990年時間段的近自然狀態(tài)下徑流變化及其對氣候因子的響應(yīng)特征，以期能更好地理解徑流演變過程及其未來發(fā)展方向，為長江上游魚類保護區(qū)的水資源和水生態(tài)的保護和規(guī)劃管理提供有效的決策支持。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究站點數(shù)據(jù)來源及概況

研究采用長江上游保護區(qū)內(nèi)的屏山、朱沱和赤水3個水文站點歷史流量，以及各水文站點附近的屏山、朱沱和赤水氣象站的降雨和蒸發(fā)資料。資料來源于《中華人民共和國水文年鑒》。屏山水文站是保護區(qū)長江干流河段的入流控制站，控制流域面積458 592 km2，流經(jīng)區(qū)域地形多為金沙江谷地;朱沱水文站控制流域面積697 925 km2，是保護區(qū)長江干流河段的出流控制站，屏山—朱沱區(qū)間的干流徑流主要流經(jīng)四川盆地;赤水站位于保護區(qū)內(nèi)唯一尚未進行水電開發(fā)的河流赤水河的干流，控制面積為16 622 km2，流經(jīng)區(qū)域地形多為云貴高原［10］。保護區(qū)內(nèi)河流由于受到季風(fēng)氣候影響，河流徑流年內(nèi)分布極不平均，79.1%的年內(nèi)徑流集中在雨季(5—9月)。

2.2 研究方法

2.2.1 徑流變化的周期性分析

基函數(shù)由1個母小波(mother wavelet)和1個尺度函數(shù)(scaling function)構(gòu)成。小波變換所需的基函數(shù)，是被選取的母小波和尺度函數(shù)縮放和平移后的集合。基函數(shù)的數(shù)學(xué)公式如下:

式中:Ψa，b(t)為小波分析基函數(shù);a為尺度因子，反映小波的周期長度;b為平移因子，反映時間上的平移。

設(shè)定Ψa，b(t)后，對給定信號 f(t)進行變換，通過改變尺度因子a來獲得時間序列的時頻信息，實現(xiàn)對信號不同時間尺度和空間局部特征的分析［12］。

小波方差是小波系數(shù)的平方值在時間尺度上積分，小波方差隨尺度a的變化過程，稱為小波方差圖，它能反映信號波動的能量隨尺度a的分布，能準確判別出時間序列信號中振動最強的周期。小波方差計算公式為

在本研究中，選取complex morlet wavlet作為基函數(shù)，尺度因子設(shè)定為1～20。利用Matlab小波分析工具箱對3個研究站點1956—1990年徑流的周期性變化特征進行分析。

2.2.2 徑流變化的趨勢分析

采用非參數(shù)Mann-Kendall(以下簡稱M-K法)趨勢檢驗法分析3個水文站點徑流的變化趨勢。M-K法不受時間序列數(shù)據(jù)的異常值以及分布類型的影響，適用于分析水文、氣象等數(shù)據(jù)的趨勢變化檢驗，是時間序列數(shù)據(jù)趨勢變化檢驗使用最為廣泛的一種方法。M-K法基本原理如下:

為了盡可能規(guī)避冷橋現(xiàn)象發(fā)生，提升外保溫復(fù)合墻的使用成效，在進行建筑布局以及規(guī)劃層面，目前學(xué)術(shù)界也有不少專家學(xué)者就如何有效規(guī)避這種現(xiàn)象發(fā)生提出了一些有效的建議和舉措。從外保溫復(fù)合墻的結(jié)構(gòu)布局來說，主要采取的方式有單一保溫層以及夾層兩種方式。此外還可以結(jié)合需求進行內(nèi)、外保溫墻的分別規(guī)劃。接下來，本文將針對這部分內(nèi)容展開具體、細致的分析：

假設(shè)有一水文時間序列為 x1，x2，x3…，xn，其趨勢檢驗統(tǒng)計量公式為

式中:sgn()為符號函數(shù)，當(dāng)xi－xj小于、等于或大于0時，sgn(xi－xj)分別為 －1，0或1;若 M-K 統(tǒng)計量公式S分別大于、等于、小于0時，則有

如果待檢測的時間序列數(shù)據(jù)相互獨立且符合正態(tài)分布，統(tǒng)計量S的方差通過式(6)計算獲得。

如果待檢測的時間序列數(shù)據(jù)中包括相同值，統(tǒng)計量S的方差通過式(7)計算獲得。

式中:ti是第j組中相同數(shù)值數(shù)目，j是有相同值的組數(shù)。

利用統(tǒng)計量S及其方差來計算統(tǒng)計量Z，公式為

Z值用來檢驗時間序列數(shù)據(jù)變化趨勢的統(tǒng)計顯著性，給定顯著性水平α，查正態(tài)分布表，如果Z的絕對值大于Z1－α/2，變化趨勢不顯著，反之，變化趨勢顯著。Z 的絕對值大于或等于1.64，1.96，2.58時分別表示通過了置信度90%，95%，99%的顯著性檢驗。Z為正值表示上升趨勢，為負值表示下降趨勢。

2.2.3 徑流對氣候因子的響應(yīng)分析

采用彈性系數(shù)(Climate elasticity of streamflow)概念來分析研究站點的徑流對氣候因子的響應(yīng)。彈性系數(shù)概念是Schaake在1990年首次提出用來評價徑流對氣候變化的敏感性，徑流彈性系數(shù)定義為徑流Q的變化率對某一氣候因子X變化率的比值，即

氣候因子(降雨和蒸發(fā))和徑流關(guān)系難用顯函數(shù)的數(shù)學(xué)公式表達，從而限制了彈性系數(shù)概念的進一步應(yīng)用，Sankarasubramanian等［13］用非參數(shù)方法推導(dǎo)出上述公式的一個基于流域多年平均狀況下的近似解，求解公式為

式中:ΔQi和ΔXi分別是徑流和氣候因子的變化量;和分別是徑流和氣候因子的平均值;Qi和Xi分別是某一時間的徑流和氣候因子的觀測值。

Sankarasubramanian提出的彈性系數(shù)的非參數(shù)求解方法需要大量的樣本數(shù)據(jù)，為了提高計算的準確度，本研究采用Zheng等［14］在2009年改進的彈性系數(shù)非參數(shù)求解方法，該方法能夠解決小樣本數(shù)據(jù)求解過程中準確度差的問題，計算公式為

在本研究中，利用改進的彈性系數(shù)非參數(shù)求解方法分析1956—1990年近自然狀態(tài)下3個站點的徑流對降雨(εP)和蒸發(fā)(εE)的響應(yīng)狀況。

3 結(jié)果與討論

3.1 徑流變化的周期性

利用小波方法對3個站點1956—1990的年徑流進行了分析，各站點的小波系數(shù)實部時頻分布如圖1所示。小波系數(shù)實部的二維等值線圖顯示了年徑流序列時間尺度的變化特征，當(dāng)小波系數(shù)實部值為正時，代表徑流豐水期，為負時，表示徑流枯水期。屏山站年徑流有明顯的4～8 a和10～20 a 2個周期，且這2個周期呈現(xiàn)明顯的豐枯震蕩變化規(guī)律。朱沱站和屏山站年徑流存在的周期基本相似，但其豐枯周期變化沒有屏山站明顯。赤水站年徑流主要存在3～6 a和8～15 a的周期。

進一步利用小波方差對3個站點的年徑流變化的主周期進行分析，結(jié)果如圖2所示:屏山站存在6，14，17 a 3個周期，其中14 a對應(yīng)小波方差圖的峰值，是屏山站的第一主周期;朱沱站存在8，12，16 a 3個周期，其中12 a是其第一主周期;赤水站有4，10，16 a 3個周期，10 a是其第一主周期。

圖1 研究站點小波系數(shù)實部時頻分布Fig.1 Time-frequency distribution of real parts of wavelet coefficients for the study stations

圖2 研究站點年均徑流的小波方差圖Fig.2 Variances of wavelet coefficients of annual average streamflow for the study stations

3.2 徑流變化趨勢

3個代表性站點的近自然狀態(tài)下的徑流(1956—1990年)的變化趨勢分析結(jié)果如表1所示。月時間尺度上，屏山站的徑流有6個月份呈現(xiàn)下降的趨勢(1，2，3，4，6 和 8 月份)，其中 8 月份的徑流有顯著的下降趨勢(趨勢檢驗通過90%的置信度水平);其他的6個月份徑流有增加趨勢，但不顯著。朱沱站徑流也有6個月份的徑流呈現(xiàn)下降趨勢，分別是1，2，6，8，11和12 月份，其中也是8 月份的徑流有顯著的下降趨勢。赤水站的徑流有4個月份出現(xiàn)下降的趨勢(5，10，11和12月份)，其他月份徑流有呈現(xiàn)增加的趨勢，其中3，4月份徑流有顯著增加。在季節(jié)尺度上，除了赤水站雨季徑流沒變化，3個站點的徑流在雨季和旱季都呈現(xiàn)增加的趨勢(不顯著)。在年尺度上，3個站點徑流都有增加的趨勢，但變化趨勢不顯著。

表1 研究站點1956—1990年流量變化趨勢的M-K檢驗統(tǒng)計量Table 1 M-K statistical values of trend test results for streamflow during 1956-1990of the study stations

3.3 徑流對氣候因子響應(yīng)的區(qū)域差異性

降雨量和蒸散發(fā)是影響徑流的2個核心因子，降雨是徑流的水量主要來源，影響著水量平衡，降雨的變化對徑流的影響非常巨大。而從土壤和水體表面的蒸散發(fā)是徑流的主要去處，蒸散發(fā)受到氣溫、輻射、風(fēng)速和相對濕度等因子的影響。所以降雨量和蒸散發(fā)這2個因子經(jīng)常被用來當(dāng)作氣候變化因子并模擬其對徑流的影響［15］。本研究中同樣選取降雨量和蒸散發(fā)這2個因子來分析3個站點的徑流對其響應(yīng)關(guān)系。研究站點1956—1990年徑流的降雨彈性系數(shù)和蒸發(fā)彈性系數(shù)結(jié)果如表2所示。3個站點年徑流的降雨彈性系數(shù)εP都大于年徑流的蒸發(fā)彈性系數(shù)εE，3個站點的徑流都對降雨的敏感度較高。結(jié)果表明屏山站10%的降水變化將導(dǎo)致12.5%的徑流變化響應(yīng)，而10%的蒸發(fā)減少將導(dǎo)致3.3%的徑流增加。朱沱站10%的降水增加將導(dǎo)致10.7%的徑流增加，而10%的蒸發(fā)減少將導(dǎo)致4.6%的徑流增加。赤水站10%的降水變化將導(dǎo)致19.6%的徑流變化響應(yīng)，而10%的蒸發(fā)減少將導(dǎo)致2.1%的徑流增加。

各站點控制流域的下墊面的區(qū)域差異性會導(dǎo)致年徑流對氣候因子(降雨和蒸發(fā))的響應(yīng)差異，流經(jīng)區(qū)域大多位于高山峽谷的屏山站和赤水站的年徑流對降雨的彈性系數(shù)要大于朱沱站。高山峽谷河流控制流域的下墊面基本上都是不透水的巖石，河流坡降大，流域匯流速度快，匯流時間短促，對降雨的調(diào)蓄作用極為微弱［16－17］，所以屏山站和赤水站徑流對降雨的敏感度要大于朱沱站。朱沱站年徑流對蒸發(fā)的彈性系數(shù)要稍微大于屏山和赤水站，可能是處于下游的屏山—朱沱站區(qū)間的河道水面匯水面積要大于處于高山峽谷型河道水面匯水面積的原因?qū)е碌摹?/p>

表2 研究站點1956—1990年徑流的降雨彈性系數(shù)和蒸發(fā)彈性系數(shù)Table 2 Climate elasticity of precipitation and evaporation for annual streamflow during 1956-1990 for the study stations

4 結(jié)論

本研究分析了長江上游保護區(qū)3個代表性站點1956—1990年近自然狀態(tài)下的徑流變化特征及其對氣候因子響應(yīng)狀況，研究的結(jié)論主要包括:

(1)3個站點的年徑流周期性變化存在相似性，都有著10～12 a的豐枯震蕩周期。

(2)3個站點的徑流在年和季節(jié)尺度上呈現(xiàn)增加的趨勢，但在月尺度上，屏山和朱沱站情況相似，在8月份徑流存在明顯的下降趨勢，赤水站徑流在3月份和4月份有顯著增加。

(3)站點控制流域的下墊面的區(qū)域差異性會導(dǎo)致年徑流對氣候因子的響應(yīng)差異，其中流經(jīng)區(qū)域大多位于高山峽谷的屏山站和赤水站，其年徑流對降雨的彈性系數(shù)要大于朱沱站，而位于盆地的朱沱站的年徑流對蒸發(fā)的彈性系數(shù)要稍微大于屏山和赤水站。

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