戴振華，羅 健，唐慧雅，侯雨坤

（1.中交城市投資控股有限公司，廣州 510290；2.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，武漢 430071）

氣候變化和人類活動是影響徑流變化兩大主要因素，氣候變化造成降水量變化，進而影響地表、地下徑流量的多寡；人類活動通過改變下墊面情況而影響產(chǎn)匯流機制，從而改變徑流量大小。通常，研究證明氣候要素如降雨及蒸發(fā)等對徑流的影響大于人類活動帶來的下墊面變化等要素，如：陳啟會等［1］通過SWAT模型定量分析金沙江流域下土地利用變化與氣候變化對徑流的影響，發(fā)現(xiàn)氣候變化是影響金沙江流域徑流的主要因素，而人類活動中僅水庫建設(shè)及定期取用水等大規(guī)模用水變化對徑流突變影響較大。吳曉東等［2］分析連云港市降雨徑流關(guān)系特征發(fā)現(xiàn)，人類活動導(dǎo)致區(qū)域徑流能力減弱，降雨量變化導(dǎo)致徑流量變化的貢獻率為63%。潘婭英等［3］研究新安江流域降水、徑流演變特征，得到新安江流域降雨、徑流序列同步程度高，線性回歸模型擬合預(yù)報效果好的結(jié)論，這些研究揭示出降雨和徑流的密切關(guān)系，以及對不同區(qū)域降雨、徑流關(guān)系研究的重要意義。

徑流的演變特性變化，如序列相似性、變化趨勢、序列突變性以及周期規(guī)律等，往往是由于氣候要素變化（如氣候要素特性也發(fā)生了變化）或者人類活動突發(fā)的下墊面條件變化所帶來。目前，量化趨勢突變、周期等演變特征的方法較多，其中，Pettitt 突變檢驗法是一種常用的非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，可以較好檢驗出序列突變點，而小波分析在確定序列的主要周期方面應(yīng)用成熟。Tonelli等［4］、傅麗昕［5］、劉瀏［6］等、孫周亮［7］等均采用此法對不同區(qū)域降雨量進行統(tǒng)計分析。而薛建民［8］等、李忠［9］等、奚立平［10］等、史雯雨［11］等則針對其他氣象及水文要素開展特性分析，也得到對地區(qū)研究具有重要意義的特性量化結(jié)果。

以地處湖北省咸寧市通城縣的雋水河上游流域為研究區(qū)域，通城縣以農(nóng)業(yè)經(jīng)濟為主，城市開發(fā)程度較低，人類活動影響較小。針對該區(qū)域的氣象水文研究較少，僅金漢江［12］對1971-1988年通城縣六月暴雨產(chǎn)生條件分析，并提出基于氣象分類法的24小時暴雨預(yù)報方案；葉麗梅［13］和鄭立國［14］研究了GIS暴雨洪澇淹沒模型模擬和洪澇災(zāi)害救災(zāi)防病衛(wèi)生應(yīng)急處置。由于近年來暴雨極端事件時常發(fā)生［15-17］，地方的徑流特性也亦因此受到周期及趨勢的影響。在雋水河上游流域此類氣候要素為徑流主要影響要素的區(qū)域，降雨與徑流日序列通常具有較強的相關(guān)性，但少有研究關(guān)注通過水文模型模擬徑流序列后，其趨勢突變、周期性等演變特性是否與實測降雨或徑流序列仍然存在相似性。為此，本次研究基于通城水文站及氣象站日尺度氣象水文資料，先研究實測降雨徑流日序列特性及相關(guān)性，后通過新安江模型對該流域徑流過程進行模擬，最后分析模擬后的徑流序列對降雨徑流特性的保留程度，從而評估水文模擬對雋水河上游流域降雨徑流演變特征的還原程度。研究將為該流域未來長期水資源演變分析以及對應(yīng)調(diào)配、防洪排澇工程建設(shè)等提供依據(jù)和支撐。

1 研究區(qū)域、方法及數(shù)據(jù)

研究區(qū)域為雋水河上游流域（如圖1所示）。雋水河為陸水河上游干流，起于湘鄂贛三省交界的通城縣幕阜山北麓，干流全長187 km，流域面積3 947 km2，入赤壁境內(nèi)改名陸水河。雋水河主河道比降0.5‰，河流彎曲系數(shù)2.1，河網(wǎng)密度0.4 km/km2，主要支流為秀水河、鐵柱港、菖蒲港、東沖港等。屬亞熱帶季風氣候區(qū)，氣候溫和濕潤，四季分明，雨熱同季。多年平均氣溫16.8 ℃，多年平均降水量1 513 mm。本次研究區(qū)域為雋水河上游流域，該區(qū)域位于通城縣，地處東經(jīng)113°36＇～114°4＇，北緯29°2＇～29°24＇之間，干流全長49.8 km，流域面積659.55 km2。近年的多次暴雨也導(dǎo)致雋水河流域受到洪澇災(zāi)害影響，也對通城縣經(jīng)濟發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全造成了極大威脅。

圖1 雋水河水系圖Fig.1 Drainage map of the Junshui River

采用的研究日降雨蒸發(fā)及徑流數(shù)據(jù)均為通城站實測數(shù)據(jù)。其中，降雨徑流數(shù)據(jù)分析時段為1958-2013年；而受到氣象數(shù)據(jù)限制，水文模擬時以1964-1997年為率定期，1999-2013年為檢驗期。水文模擬采用三水源新安江模型［18］對通城站日徑流量進行模擬，同時采用SCE-UA 算法對新安江模型參數(shù)進行優(yōu)化［19］，該算法中的參數(shù)較多，包括復(fù)合形數(shù)p、復(fù)合形中點的個數(shù)m、子復(fù)合形中點的個數(shù)q、計算樣本數(shù)s、復(fù)合形后代個數(shù)α、復(fù)合形進化代數(shù)β。相關(guān)文獻［20］建議各參數(shù)取值為：m=2n+1，q=n+1，s=p m，α=1，β=2n+1，n為待優(yōu)化參數(shù)個數(shù)。本研究采用五年滑動平均法、線性回歸法、Mann-Kendall（M-K）檢驗法分析長序列數(shù)據(jù)年際變化趨勢；Pettit 檢驗法序列突變性；小波分析法研究長序列周期特性。

2 結(jié)果與分析

2.1 雋水河流域歷史降雨、徑流變化特征分析

2.1.1 降雨、徑流趨勢特征分析

雋水河上游流域1958-2013年降雨、徑流年際變化過程如圖所示，結(jié)果表明降水量和徑流深年際分配不均勻，但其變化線總體上均呈波動上升的趨勢。對降水量和徑流深時間序列做五年滑動平均處理，發(fā)現(xiàn)降雨與徑流年序列的上升趨勢傾向率分別為41.32 mm/10 a和24.68 mm/10 a，降水量增長的速率略快于徑流。降雨和徑流峰、谷值同期出現(xiàn)，極大值出現(xiàn)在1995年，分別為2 954.60 mm 和1 667.24 mm，極小值出現(xiàn)在1968年，分別為892.6 mm及305.83 mm。

圖2 雋水河上游流域降雨、徑流年際變化規(guī)律圖Fig.2 Interannual variation of rainfall and runoff in the upper reaches of Junshui River

采用降雨徑流雙累積曲線分析年降雨與年徑流關(guān)系隨時間的變化規(guī)律如圖3所示。結(jié)果表明雋水河上游流域降雨徑流一致性較好，說明氣候仍然是影響徑流的主要因素。在此基礎(chǔ)上把降雨徑流關(guān)系細分為1958-1977年、1978-2005年、2006-2013年3個階段，且3個階段的降雨徑流斜率存在先減小、再增加的規(guī)律。

圖3 雋水河上游流域降雨、徑流累計曲線圖Fig.3 Cumulative graph of rainfall and runoff in the upper reaches of the Junshui River

流域1958-2013年降雨、徑流年內(nèi)分配過程如圖4所示，降雨量和徑流深的月際變化相關(guān)性較高，均呈單峰型特點，證明該區(qū)域徑流主要由降雨影響。流域降雨量和徑流深自1月增加，至6月達到最大，分別為250.84 mm 和150.05 mm，單月占全年比例16.36%和17.72%，7月份開始驟減，持續(xù)減小到12月。降雨量全年最小月份為12月，僅44.66 mm，占比2.91%；徑流深最小為1月，為28.84 mm，百分比為3.41%，相較12月減少0.04%。

圖4 雋水河上游流域月均降雨、徑流年內(nèi)變化規(guī)律圖Fig.4 Monthly average rainfall and annual runoff in the upper reaches of Junshui River

2.1.2 降雨、徑流突變性分析

采用Pettitt檢驗法分別對流域內(nèi)降雨量和徑流深時間序列做突變檢驗分析，取序列統(tǒng)計K值前三位峰值作為可能突變年份，并依據(jù)檢驗值P判定序列變異情況。圖5為流域1963-2013年降雨量、徑流深Pettitt 突變檢驗曲線，由圖5可知，流域降雨量時間序列可能突變年份為1979年、1985年和1974年，檢驗P值為0.405 7，小于顯著性水平α=0.05時的臨界值0.5，突變點突變性顯著；流域徑流深時間序列可能突變年份為1988年、1980年和2003年，檢驗P值為0.698 8，大于臨界值，突變點突變性不顯著。降雨量時間序列突變點早于徑流深序列，且降雨量突變性顯著而徑流深序列不顯著，這是因為1971年流域上游建成中型百丈潭水庫，對上游徑流起到了調(diào)蓄作用導(dǎo)致。采用M-K檢驗法復(fù)核檢驗成果（見圖6），發(fā)現(xiàn)降雨與徑流年序列均產(chǎn)生多次趨勢突變，但其中降雨序列突變最顯著的年份為1979年，徑流深序列突變最顯著的年份為1988年，與Pettitt 檢驗結(jié)果一致。

圖5 雋水河上游流域降雨量、徑流深Pettitt突變檢驗曲線Fig.5 Pettitt mutation test curves of rainfall and runoff in the upper Reaches of Junshui River basin

圖6 雋水河上游流域降雨量、徑流深M-K突變檢驗曲線Fig.6 M-K mutation test curve of rainfall and runoff in the upper Reaches of Junshui River

2.1.3 降雨、徑流周期分析

采用Morlet 連續(xù)小波變換對雋水河上游流域降雨量、徑流深進行周期分析，兩列時間序列小波分析實部系數(shù)等值線如圖7所示。該圖反映了兩列序列不同時間尺度的周期變化及其在時間領(lǐng)域中的分布，進而能判斷在不同時間尺度上，降雨量和徑流深的未來變化趨勢。由圖可知，降雨和徑流演化過程中存在12～32 a、8～11 a 以及3～7 a 的3 類尺度的周期變化規(guī)律。其中，在12～32 a 尺度上出現(xiàn)了枯-豐交替的準3 次震蕩，在8～11年時間尺度上存在準7 次震蕩，以上兩個尺度的周期變化在整個分析時段表現(xiàn)的相對比較穩(wěn)定，具有全域性。而3～7 a尺度的周期變化，在1990-2000 內(nèi)表現(xiàn)的較為穩(wěn)定。該流域降雨量和徑流深目前正處于枯-豐周期中的豐水年周期里。

圖7 雋水河上游流域降雨量、徑流深小波分析實部系數(shù)等值線圖Fig.7 Real coefficient contour map of rainfall and runoff analysis by deep wavelet transform in the upper reaches of Junshui River

2.1.4 降雨、徑流相關(guān)分析

對雋水河上游流域月降雨與月徑流進行相關(guān)性分析，得到回歸方程如下：

式中：X為降雨量，mm；Y為徑流深，mm。

表示擬合度情況的相關(guān)性系數(shù)的R2為0.789 9，說明通城水文站的資料系列具有較好的一致性，且線性擬合效果良好。結(jié)合降雨徑流的時間序列變化特征、突變特性和周期性等特征分析可知，該流域降雨與徑流有較好的同步變化特征，該流域降雨大小是影響徑流多少的主要的因子。

2.2 基于新安江模型的流域日徑流模擬

2.2.1 參數(shù)率定結(jié)果

選取18個新安江模型參數(shù)進行優(yōu)化，各參數(shù)內(nèi)容及優(yōu)化結(jié)果如表1所示。

表1 新安江模型模擬最優(yōu)參數(shù)選擇Tab.1 Optimal parameter selection of Xinjiang model simulation

2.2.2 徑流模擬結(jié)果

選用1964-1997年逐日徑流數(shù)據(jù)與模擬值進行率定，并將模型率定所得到的最優(yōu)參數(shù)應(yīng)用到1999-2013年實測資料進行驗證，模擬結(jié)果見圖8、9，結(jié)果分析見表2。結(jié)果表明，新安江模擬較好地模擬了場次洪水變化過程，洪峰流量擬合效果較好。率定期及檢驗期日徑流相關(guān)性系數(shù)均超80%，證明模擬徑流的日變化過程十分貼近實測徑流。

表2 模擬評價結(jié)果Tab.2 Simulation evaluation results

圖8 率定期日徑流量實測值與模擬值對比Fig.8 The measured and simulated daily runoff in calibration period

2.3 基于新安江模型的流域日徑流模擬結(jié)果分析

2.3.1 模擬及實測序列趨勢性分析

采用M-K 檢驗法分別對模型率定期和檢驗期結(jié)果進行趨勢檢驗和突變分析，結(jié)果如圖10所示。率定期降雨量、徑流深實測值和徑流深模擬值均呈不顯著上升趨勢（α=0.05，下同），變化率分別為107.78、48.24 和98.92 mm/10 a。而檢驗期降雨量、徑流深實測值和徑流深模擬值均呈不顯著下降趨勢，傾向率分別為-138.89、-172.46 和-135.39 mm/10 a。與3.1.1 節(jié)的結(jié)果相比較發(fā)現(xiàn)，雖然1958-2013年降雨徑流整體變化趨勢為正，但歷史氣象水文序列的實際趨勢在21世紀明顯下降，與3.1.2 節(jié)的突變點結(jié)果相匹配，由降雨與徑流變化趨勢相似可以看出，徑流的下降可能主要由于降雨減少所致。而相較于實測徑流，新安江模型模擬徑流與降雨量變化率更加接近，證明模擬降雨的趨勢性更依賴于輸入要素的變化，而非擬合參數(shù)影響。

圖9 檢驗期日徑流量實測值與模擬值對比Fig.9 The measured and simulated daily runoff in validation period

2.3.2 模擬及實測序列突變性分析

采用Pettitt檢驗法分別對流域內(nèi)降雨量和徑流深時間序列做突變檢驗分析，取序列統(tǒng)計K值前三位峰值作為可能突變年份，并依據(jù)檢驗值P判定序列變異情況。圖11、12 為流域率定期與檢驗期降雨量、徑流實測值與模擬值Pettitt突變檢驗曲線，由圖11、12 可知，率定期降雨量時間序列可能突變年份為1987年、1986年和1988年，檢驗P值為0.271 9，突變性（α=0.05）顯著，徑流實測值可能突變年份為1992年、1990年和1988年，檢驗P值為0.617 9，突變性不顯著，徑流模擬值可能突變年份為1987年、1986年和1988年，檢驗P值為0.253 7，突變性（α=0.05）顯著。檢驗期降雨量時間序列可能突變年份為2005年、2003年和2004年，檢驗P值為0.765 8，徑流實測值可能突變年份為2003年、2005年和2006年，檢驗P值為0.892 7，徑流深模擬可能突變年份為2005年、2003年和2004年，檢驗P值為0.892 7，突變性（α=0.05）均不顯著。采用M-K 檢驗法復(fù)核檢驗成果，所得結(jié)論基本一致，降雨量、徑流深M-K突變檢驗曲線如圖所示。結(jié)果證明，雋水河上游流域模擬徑流與降雨突變性基本一致，這也證明了降雨是雋水河上游流域水文模擬中影響演變特性的主要因素。

圖11 率定期與檢驗期降雨量、徑流實測值與模擬值Pettitt突變檢驗曲線Fig.11 Pettitt mutation test curves of measured and simulated rainfall and runoff

2.3.3 徑流周期分析

采用Morlet 連續(xù)小波變換對率定期與檢驗期降雨量、徑流實測值與模擬值進行周期分析，兩列時間序列小波分析實部系數(shù)等值線如圖13所示。由圖13可知，率定期降雨、徑流實測值和模擬值演化過程中存在17～25 a、8～13 a 以及3～7 a 的3 類尺度的周期變化規(guī)律，其中，在17～25 a 尺度上出現(xiàn)了枯-豐交替的準3 次震蕩，在8～13 a 時間尺度上存在準5 次震蕩，以上兩個尺度的周期變化在整個分析時段表現(xiàn)的相對比較穩(wěn)定，具有全域性。對3～7 a 尺度的周期變化，率定期降雨量和徑流深實測值在1990年前表現(xiàn)的較為穩(wěn)定，而徑流深模擬值在1983年前表現(xiàn)的較為穩(wěn)定。檢驗期降雨和徑流模擬值演化過程中存在8～15 a、3～7 a 和1～3 a 3 類尺度的周期變化規(guī)律，在8～15 a 尺度上出現(xiàn)了枯-豐交替的準2 次震蕩，3～7 a 尺度上出現(xiàn)了枯-豐交替的準3 次震蕩，在1～3 a 尺度上，其數(shù)值在2004年前表現(xiàn)的較為穩(wěn)定，出現(xiàn)了枯-豐交替的準2次震蕩。而徑流實測值只有2～9 a 尺度的變化規(guī)律較為明顯，在該尺度上出現(xiàn)了枯-豐交替的準1 次震蕩。由結(jié)果分析可知：21世紀后，受到人類活動和其他氣象因素影響，降雨與實測徑流的周期性具有較為明顯的不同，與1997年前的高相似性發(fā)生了明顯變化，但模擬徑流仍然與降雨序列存在較高的相似性，這一點在檢驗期尤為明顯。

圖12 率定期與檢驗期降雨量、徑流實測值與模擬值M-K突變檢驗曲線Fig.12 M-K mutation test curves of measured and simulated precipitation and runoff

圖13 率定期與檢驗期降雨量、徑流實測值與模擬值小波分析實部系數(shù)等值線圖Fig.13 The real coefficient contour map of measured and simulated rainfall and runoff was analyzed by wavelet transform

3 結(jié)果及討論

研究對1958-2013年雋水河上游流域通城站實測降雨徑流進行趨勢、突變、周期等演變特征分析，后結(jié)合突變結(jié)果以及可用數(shù)據(jù)情況，以1964-1997年為率定期，1999-2013年為檢驗期基于降雨蒸發(fā)模擬通城站徑流，并將模擬結(jié)果分率定期、檢驗期和實測降雨徑流進行演變特征比對分析，比較不同時段下模擬日徑流與實測降雨、徑流的相似性。結(jié)果如下：

（1）雋水河上游流域降水量和徑流深年際分配不均勻，但其變化線總體上均成波動上升的趨勢。降水量增長的速率略快于徑流，側(cè)面證明了徑流形成過程中下墊面作用影響的存在。降雨徑流關(guān)系可分為1958-1977年、1978-2005年、2006-2013年3個階段，且3個階段的降雨徑流關(guān)系存在減小的規(guī)律，特別是2005年以后，相關(guān)性減小的趨勢增大。且21世紀后，降雨與徑流年際變化趨勢由上世紀的不顯著上升轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙@著下降。這說明，氣候變化是徑流趨勢變化的主要原因，但人類活動導(dǎo)致的下墊面變化在小尺度產(chǎn)匯流過程的影響呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，導(dǎo)致降雨徑流的相關(guān)性持續(xù)變小。

（2）采用Pettit檢驗法分別對流域內(nèi)降雨量和徑流深時間序列做突變檢驗分析，研究證明降雨及徑流均存在多次突變，其中降雨量時間序列突變點早于徑流深序列，且降雨量突變性顯著而徑流深序列不顯著。其中主要原因可能是1971年流域上游建成中型百丈潭水庫，對上游徑流起到了調(diào)蓄作用，以及21世紀后降雨發(fā)生了明顯突變，且人類活動（如取水、地貌變化等活動）的逐漸加劇。

（3）采用Morlet 連續(xù)小波變換對雋水河上游流域降雨徑流進行周期分析。研究表明1958-2013年降雨和徑流演化過程中3類尺度的周期變化規(guī)律，且規(guī)律相似。其中，在12～32 a尺度上和8～11 a 時間尺度上的周期變化在整個分析時段表現(xiàn)的相對比較穩(wěn)定，具有全域性。而3～7 a尺度的周期變化，在1990-2000 內(nèi)表現(xiàn)的較為穩(wěn)定。該流域降雨量和徑流深目前正處于枯-豐周期中的豐水年周期里。而將序列拆分成率定期及檢驗期后，雖然20世紀下降雨、實測及模擬徑流序列周期仍存在高相似性，但受到人類活動和其他非降雨氣象因素影響，1999-2013年實測降雨及徑流的周期性產(chǎn)生了明顯差異，且模型模擬徑流與降雨周期更為相似。

（4）降雨與徑流的相關(guān)性分析證明通城站降雨徑流系列具有較好的相關(guān)性，因此基于新安江模型模擬的日徑流無論在率定期及檢驗期均較好地反映了實測徑流的變化特征。但結(jié)合先前結(jié)論發(fā)現(xiàn)，相較于實測徑流，水文模擬更多反映降雨而非徑流的特性變化。水文模型在雋水河上游流域的水文模擬更適用于分析場次洪水及長期變化。