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(中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東廣州510610)

受氣候變化和人類活動(dòng)影響，水文序列往往容易發(fā)生變異而導(dǎo)致其原變化趨勢(shì)發(fā)生改變。目前，在水文序列趨勢(shì)變化和突變分析上廣泛采用的方法是Mann-Kendall法[1]。此方法是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，可檢驗(yàn)水文時(shí)間序列的變化趨勢(shì)和變化程度，即可揭示已發(fā)生的水文時(shí)間序列是上升還是下降趨勢(shì)和說(shuō)明上升或下降趨勢(shì)變化是否顯著，但無(wú)法獲取水文序列未來(lái)的趨勢(shì)變化。大量的研究發(fā)現(xiàn)，水文時(shí)間序列具有統(tǒng)計(jì)自相似性，未來(lái)與過(guò)去存在相同或相反的變化特征，即具有分形特征[2-4]。R/S法是基于分形理論的提出的一種統(tǒng)計(jì)方法[5-6]，可用于分析獲取水文時(shí)間序列的分形特征，但無(wú)法確定水文序列未來(lái)趨勢(shì)變化是上升或下降。

鑒于R/S法和Mann-Kendall法分別在分析水文時(shí)間序列過(guò)去、未來(lái)趨勢(shì)變化上各有特點(diǎn)，本文嘗試將R/S法和Mann-Kendall法相結(jié)合，以西江梧州站1960—2015年年輸沙量時(shí)間序列為研究對(duì)象，力求揭示西江中上游年輸沙量時(shí)間序列的過(guò)去及未來(lái)的趨勢(shì)變化。

1 研究方法與資料

1.1 研究方法

水文時(shí)間序列趨勢(shì)變化分析常用分析方法有累積距平法、線性傾向估計(jì)法、滑動(dòng)t檢驗(yàn)法、游程檢驗(yàn)法、Mann-Kendall法和R/S法等[7-8]。本文綜合運(yùn)用R/S法和Mann-Kendall法分析水文時(shí)間序列過(guò)去及未來(lái)的趨勢(shì)變化特征。

1.1.1R/S法

R/S分析法，也稱重標(biāo)極差分析法(Rescaled Range Analysis)，是由水文學(xué)家Hurst經(jīng)大量實(shí)證研究提出的一種非參數(shù)方法，可用于揭示非線性系統(tǒng)如水文時(shí)間序列長(zhǎng)期記憶性[7]。其原理和方法是對(duì)給定某一時(shí)間序列，t=1，2，…，可構(gòu)建其極差和標(biāo)準(zhǔn)差：

(1)

赫斯特指數(shù)H(0

1.1.2Mann-Kendall法

Mann-Kendall法是基于秩的非參數(shù)檢驗(yàn)法[9-10]，檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量Z計(jì)算如下式：

(2)

當(dāng)統(tǒng)計(jì)量Z大于0時(shí)，時(shí)間序列呈上升趨勢(shì)，小于0時(shí)呈下降趨勢(shì)。給定置信水平α，若|Z|≥Z1-α/2，則時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在顯著的上升或下降趨勢(shì)。當(dāng)α取5%時(shí)，|Z1-0.05/2|=1.96。

當(dāng)進(jìn)一步進(jìn)行時(shí)間序列突變分析時(shí)，其統(tǒng)計(jì)量計(jì)算式如下：

(3)

UFk服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，給定顯著性水平α，如果|UFk|≥Uα/2，則表明序列趨勢(shì)變化顯著。將時(shí)間序列x按逆序排列，再按照上式計(jì)算，同時(shí)使：

(4)

綜合分析UFk和UBk可進(jìn)一步獲取時(shí)間序列的趨勢(shì)變化、突變點(diǎn)以及突變區(qū)域。若UFk值大于0，表明時(shí)間序列呈上升趨勢(shì)；小于0則表明時(shí)間序列呈下降趨勢(shì)。當(dāng)它們超過(guò)臨界值時(shí)，表明時(shí)間序列上升或下降趨勢(shì)顯著。超過(guò)臨界值的范圍確定為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域。如果UFk和UBk兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界直線之間，則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便為突變開(kāi)始的時(shí)間。

高職項(xiàng)目式教學(xué)要打破傳統(tǒng)的專業(yè)(學(xué)科)教學(xué)模式，按照高等職業(yè)教育的本質(zhì)要求，從職業(yè)崗位的實(shí)際出發(fā)，依據(jù)工作的典型任務(wù)，選擇和安排學(xué)習(xí)項(xiàng)目，使得課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容與工作任務(wù)一致、學(xué)習(xí)過(guò)程與工作過(guò)程一致[6]。

1.2 研究資料

本文使用的年徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)由水利部珠江水利委員會(huì)水文局提供，數(shù)據(jù)可靠。選取西江干流重要控制站梧州站為研究，資料年限接近60 a(1960—2015年)，系列較長(zhǎng)，代表性好。

2 研究區(qū)概況

西江是珠江流域的主干流，從源頭至思賢滘全長(zhǎng)2 075 km，平均坡降0.58‰，集水面積353 120 km2，占珠江流域總面積的77.8%。西江自馬雄山源頭下流，自西向東各河段依次稱為南盤江、紅水河、黔江、潯江和西江，總稱西江，西江流至思賢滘后匯入珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)。西江為少沙河流，多年平均含沙量在0.032～0.570 kg/m3之間(梧州站)。雖然含沙量較少，但由于年徑流量大，因此輸沙量較大，多年平均徑流量和輸沙量分別為2 017億m3和5 412萬(wàn)t(梧州站，見(jiàn)表1)。同時(shí)，輸沙年際變化大，年輸沙量變差系數(shù)Cv值為0.60，極值比高達(dá)33.6。

梧州水文站位于西江下游，西江干流與支流桂江匯合口以下約3 km處，集水面積327 006 km2，占西江流域總集水面積的92.6%?？梢?jiàn)，梧州站是西江干流的重要控制站，分析研究該站的泥沙變化特征，對(duì)了解西江流域中上游水庫(kù)建設(shè)后清水下泄的對(duì)泥沙變化的影響有著十分重要意義。西江流域水系見(jiàn)圖1。

圖1 西江流域示意

項(xiàng)目時(shí)段多年平均Cv最大值最小值極值比輸沙量1960—2000年6 705萬(wàn)t0.4214 037萬(wàn)t1 691萬(wàn)t8.32001—2015年1 879萬(wàn)t0.645 341萬(wàn)t418萬(wàn)t12.81960—2015年5 412萬(wàn)t0.6014 037萬(wàn)t418萬(wàn)t33.6徑流量1960—2015年2 017萬(wàn)m30.192 961萬(wàn)m31 024萬(wàn)m32.9

3 結(jié)果分析

西江梧州站1960—2015年年輸沙量的M-K突變檢驗(yàn)曲線見(jiàn)圖2，年徑流量M-K突變檢驗(yàn)曲線見(jiàn)圖3，逐年輸沙量及徑流量變化過(guò)程見(jiàn)圖4。西江梧州站1960—2015年年輸沙量和徑流量趨勢(shì)特征見(jiàn)表2。

3.1 年輸沙量趨勢(shì)分析

采用Mann-Kendall法對(duì)梧州站年輸沙量進(jìn)行檢驗(yàn)可得，梧州站1960—2015年輸沙量統(tǒng)計(jì)量Z=-5.22，|Z|>|Z0.05/2|=1.96，因此，梧州站輸沙量序列呈顯著下降趨勢(shì)(表2)。

3.2 年輸沙量突變分析

3.2.1突變點(diǎn)

由圖2可知，自1995年以來(lái)，西江中上游年輸沙量呈減少趨勢(shì)，且2001—2015年的減少趨勢(shì)大大超過(guò)α=0.05的臨界線。根據(jù)UF、UB曲線的交點(diǎn)位置，可以確定西江中上游輸沙量的減少為突變現(xiàn)象，突變點(diǎn)為2000年。

表2 西江梧州站1960—2015年年輸沙量和徑流量趨勢(shì)特征

突變點(diǎn)前后輸沙差異較大。由表1可知，1960—2000年多年平均輸沙量為6 705萬(wàn)t，2001—2015年多年平均輸沙量為1 879萬(wàn)t，下降幅度達(dá)72.0%；變差系數(shù)Cv值由0.42增大為0.64，極值比由8.3增大為12.8。

3.2.2原因分析

河流輸沙量變化受自然因素、徑流變化和人類活動(dòng)等影響，其中人類活動(dòng)主要有水庫(kù)大壩修建、水土保持措施等。限于資料，本文僅從徑流變化及流域大型建設(shè)攔沙兩方面進(jìn)行突變?cè)蚍治觥?/p>

圖2 西江梧州站年輸沙量M-K突變檢驗(yàn)

a) 徑流變化。對(duì)梧州站1960—2015年徑流量進(jìn)行Mann-Kendall檢驗(yàn)分析，力求獲取該站輸沙量下降趨勢(shì)及突變是否與徑流量變化有關(guān)。梧州站1960—2015年徑流量Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z=-0.77(表1)，徑流量呈下降趨勢(shì)。梧州站年徑流量UF值在α=0.05的臨界線之間波動(dòng)(圖3)，未超過(guò)顯著檢驗(yàn)，說(shuō)明徑流量下降趨勢(shì)不明顯，這與圖4線性趨勢(shì)分析結(jié)果一致。另外，UF和UB曲線基本在臨界線內(nèi)波動(dòng)，雖有幾個(gè)交點(diǎn)，但變化趨勢(shì)不顯著，且年徑流量Cv較小(Cv=0.19，表1)，不存在突變現(xiàn)象。由圖4可知，梧州站1960—2015年的逐年輸沙量和徑流量均呈鋸齒形震蕩，但輸沙量總體呈下降趨勢(shì)，而徑流量變化趨勢(shì)不明顯。從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，輸沙量呈減少趨勢(shì)，但徑流量仍圍繞多年平均值(2 017億m3，表1)波動(dòng)，即徑流量并未與輸沙量序列同步波動(dòng)。

b) 流域大型水庫(kù)攔截泥沙。西江干流泥沙主要來(lái)源于黔江，而黔江泥沙主要來(lái)源為紅水河[11]。流域各梯級(jí)水庫(kù)庫(kù)容復(fù)核顯示，天生橋一級(jí)水庫(kù)年均淤積量1 081萬(wàn)m3(1985—2005年)，龍灘水庫(kù)年均淤積量2 384萬(wàn)m3(2007—2016年)，巖灘水庫(kù)年均淤積量1 322萬(wàn)m3(1993—2016年)，大壩攔沙影響明顯。可見(jiàn)，西江中上游年徑流量呈不顯著下降趨勢(shì)，輸沙量呈顯著下降趨勢(shì)且發(fā)生變異，但輸沙量的減少與變異與徑流量變化關(guān)系不大，主要受流域大型水利樞紐工程建設(shè)攔沙影響。西江中上游20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初期興建了多座大型水利樞紐工程，如天生橋一級(jí)水庫(kù)1997年底下閘蓄水，龍灘水庫(kù)2006年9月底下閘蓄水，巖灘水庫(kù)1992年3月下閘蓄水，光照電站2007年12月31日下閘蓄水，百色水庫(kù)2005年8月26日下閘蓄水。

圖3 西江梧州站年徑流量M-K突變檢驗(yàn)

圖4 西江梧州站1960—2015年年輸沙量與徑流量年際變化過(guò)程

3.3 年輸沙量未來(lái)趨勢(shì)分析

在應(yīng)用R/S和Mann-Kendall法前，首先進(jìn)行方法的可行性檢驗(yàn)。對(duì)Mann-Kendall法揭示出水文時(shí)間序列的變異點(diǎn)前的序列進(jìn)行分析，對(duì)變異點(diǎn)后序列進(jìn)行檢驗(yàn)，然后再結(jié)合整個(gè)序列的趨勢(shì)變化來(lái)預(yù)測(cè)其未來(lái)的趨勢(shì)特征。

3.3.1方法檢驗(yàn)

西江梧州站年輸沙量變異點(diǎn)為2000年。采用Mann-Kendall法分析梧州站1960—2000年和2001—2015年輸沙量的趨勢(shì)特征，西江中上游1960—2000年Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z=-1.70，|Z|<|Z0.05/2|=1.96，輸沙量呈下降趨勢(shì)，但不顯著；2001—2015年Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z=-1.48，|Z|<|Z0.05/2|=1.96，輸沙量呈不顯著的下降趨勢(shì)。用R/S法計(jì)算梧州站1960—2000年序列H=0.8274>0.5，說(shuō)明梧州站1960—2000年序列趨勢(shì)變化具有持續(xù)性，即2001—2015年的趨勢(shì)變化與1960—2000年相同，即如果1960—2000年呈上升趨勢(shì)，那么2001—2015年呈上升趨勢(shì)；相反，則有下降趨勢(shì)。根據(jù)Mann-Kendall法的分析結(jié)果，梧州站2001—2015年輸沙量序列呈不顯著的下降趨勢(shì)，與R/S法對(duì)1960—2000年序列的分析結(jié)果吻合。綜上所述，R/S法和Mann-Kendall法可應(yīng)用于水文時(shí)間序列趨勢(shì)分析，且能很好地解釋水文時(shí)間序列未來(lái)的趨勢(shì)變化。分析結(jié)果見(jiàn)表1。

3.3.2分析結(jié)果

采用已檢驗(yàn)可行的R/S法和Mann-Kendall法對(duì)西江梧州站1960—2015年的輸沙量序列未來(lái)的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。Mann-Kendall法分析結(jié)果顯示，西江梧州站1960—2015年年輸沙量序列呈顯著下降趨勢(shì)，見(jiàn)表1。經(jīng)R/S檢驗(yàn)，西江梧州站1960—2015年年輸沙量序列極差與標(biāo)準(zhǔn)差關(guān)系為：

R(τ)/S(τ) =(0.3875τ)0.9232

(5)

可見(jiàn)，H=0.9232>0.5，說(shuō)明西江中上游未來(lái)輸沙量的變化趨勢(shì)與1960—2015年一致，即西江中上游1960—2015年的變化趨勢(shì)具有持續(xù)性。

綜合R/S法和Mann-Kendall法的分析結(jié)果可得，西江流域中上游地區(qū)輸沙未來(lái)呈下降趨勢(shì)。西江梧州站年輸沙量這種趨勢(shì)變化特征可以為西江流域應(yīng)對(duì)清水下泄對(duì)沿江防洪工程的影響提供科學(xué)的依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)西江梧州站年輸沙量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并將R/S法和Mann-Kendall法應(yīng)用于其變化特征分析，結(jié)果表明：西江中上游輸沙量在近60 a來(lái)年際變化大，呈顯著下降趨勢(shì)，且在2000年發(fā)生突變，其顯著下降趨勢(shì)與突變?cè)蛑饕芰饔虼笮退麡屑~工程的建設(shè)攔沙影響；西江中上游年輸沙量下降趨勢(shì)具有持續(xù)性。