长江流域径流趋势变化及突变分析

文章编号:100428227(2005)0520589206

长江流域径流趋势变化及突变分析

秦年秀1,2,姜　彤1,许崇育3

(1.中国科学院南京地理与湖泊研究所,江苏南京210008;2.中国科学院研究生院,北京100039;3.Department of Earth Sciences ,Upp sala University ,Villavagen 16,S 275236Upp sala ,Sweden )

摘　要:选取长江流域重要控制站宜昌、汉口和大通站,分别应用1882～2000年、1870～2000年和1950～2000年的月平均流量资料,对年代际、月径流、季节性径流的变化以及径流的变化趋势及突变进行了分析研究,并使用非参数

Mann 2Kendall 法来检验径流的趋势变化。趋势分析表明,20世纪90年代长江流域径流呈微弱增加趋势,但不显著

且地区分布不均,中上游减少,下游增加;而季节性夏季和冬季径流增加趋势明显,尤其是7月和1月径流增加最突出;更重要的是90年代汛期径流也呈现出增加趋势,汛期径流的增加在一定程度上加大了洪灾发生的可能性,这可能是导致洪灾频繁的原因之一。突变分析指出,宜昌和汉口站从1926年开始径流经历了一个明显减少的变化,这与

20世纪20年代初,北半球突然变暖,长江上游地区呈现降温、降水减少趋势一致。

关键词:长江;径流趋势分析;突变分析;1990s 文献标识码:A

长江流域是我国经济最发达的地区之一,同时也是我国洪涝灾害最为严重的地区。全球变暖,降水增加,近年来长江流域洪涝灾害频繁发生,造成的经济损失越发严重,已严重制约和影响了本区域经济和社会的可持续发展。20世纪90年代是近千年来最温暖的10年,也是我国洪涝灾害高发的10年。20世纪11次大洪水中90年代就有5次。因此从各方面研究长江流域洪水形成的机制,分析长江流域径流的变化趋势,预测未来可能出现的大洪水,为长江洪水风险管理提供决策方案已显得尤为重要。近年来长江大洪水高频发生,除湖泊围垦造成蓄洪功能减弱等因素外,与全球变暖,降水增加有很大关系,尤其是大降水事件增多。20世纪90年代长江流域降水极端事件发生的频率和强度都在增加[1],1960～2001年长江流域在较大范围内年暴雨日数和暴雨量也都呈增加趋势,夏季暴雨日数和暴雨量呈增加趋势的站点明显增多[1,2]。全球变暖,区域气候改变,势必导致降水及其分布发生变化,也必然引起流域水资源分配及其径流发生变化。本文目的是通过对能够代表整个长江的宜昌、汉口、大通水文站的径流资料进行分析研究,以便揭示近百年

来长江流域径流量的变化及其演变趋势。

1　研究数据及方法

本文选取由长江水利委员会水文局提供的能代

表长江上、中、下游的宜昌(1882～2000年)、汉口(1870～2000年)、大通(1950～2000年)水文站的径流资料。其中宜昌水文站位于长江三峡的东部出口,完整地控制了长江上游100.6×104km 2的广大地区;汉口水文站位于长江中游,控制流域面积148.8×104km 2,流域内除了长江上游地区外,主要包括了洞庭湖和汉水流域;大通站控制流域面积170.548×104km 2,控制了长江流域94.7%的流域面积,流域面积较宜昌站大63.4%。(参照图1)。

主要采用非参数Mann 2Kendall (以下简称M 2K 法)趋势分析及突变检验法、线性趋势分析法以及滑动t 检验法来检测径流的突变。M 2K 法是用来评估气候要素时间序列趋势的检验方法,以适用范围广、人为性少、定量化程度高而著称,其检验统计量公式是:

收稿日期:2004209206;修回日期:2004210222

基金项目:国家自然科学基金项目(历史时期长江中下游平原旱涝序列时空格局与风险评价No.40271112)、中国科学院知识创新工程重

要方向项目(长江中下游洪水孕灾环境变化、致灾机理与减灾对策,KZCX32SW 2331).

作者简介:秦年秀(1976～　

),女,广西省桂林人,硕士研究生,主要研究方向为洪水风险分析.第14卷第5期2005年9月 长江流域资源与环境Resources and Environment in t he Yangtze Basin

Vol.14No.5

Sep.2005

图1　宜昌、汉口和大通站位置

Fig.1　Location of Yychang ,Hankou and Datong Station

S =

∑n i =2

∑

i 21

j =1

sign (X i

-X j )

其中,sign ()为符号函数。当X i -X j 小于、等于或大于零时,sign (X i 2X j )分别为-1、0或1;M -K 统计量公式S 大于、等于、小于零时分别为:

Z =

(S -1)/n (n -1)(2n +5)/18S >00

S =0(S +1)/

n (n -1)(2n +5)/18

S <0

Z 为正值表示增加趋势,负值表示减少趋势。Z 的绝对值在大于等于1.28、1.64、2.32时表示分别通过了信度90%、95%、99%显著性检验。当用M -K 法来检测径流的突变时,其统计量为:设有一时间序列如下:x 1,x 2,x 3……x n ,构造一秩序列m i ,m i 表示x i >x j (1≤j ≤i )的样本累积数。定义d k :

　d k =

∑

k

i

m i

(2≤k ≤N )

d k 均值以及方差定义如下:　E[d k ]=

k (k -1)

4

　Var [d k ]=k (k -1)(2K +5)

72

　(2≤k ≤N )

在时间序列随机独立假定下,定义统计量:　U F k =

d k -E[d k ]var[d k ]

(k =1,2,3,……,n )

这里U F k 为标准正态分布,给定一显著性水平a 0,查正态分布表得到临界值t 0,当U F k >t 0,表明序列存在一个明显的增长或减少趋势,所有U F k 将组成一条曲线C 1,通过信度检验可知其是否具有趋势。把此方法引用到反序列中,再重复上述计算过程,并使计算值乘以-1,得出UB k 。UB k 在图中表示为C 2,当曲线C 1超过信度线,即表示存在明显的变化趋势时,若C 1和C 2的交点位于信度线之间,则此点可能就是突变点的开始。但由于M -K 法检测的局限性,因此本文再配以滑动t 检验法来检验径流

的突变。

M -T 检验中,定义一统计量为:

t =( X 1- X 2)/S p 1/n 1+1/n 2

S 2p =[(n 1-1)S 21+(n 2-1)S 2

2]/(n 1+n 2-2)

这里S 2p 是联合样本方差,给出信度a ,得到临界值t a ,当t >t a ,说明序列存在显著性差异。

2　径流趋势分析

2.1　年代际径流变化趋势

近百年来长江流域上、中、下游径流表现出不同

的趋势变化(图2)。其中折线为年平均径流趋势变化线,直线为添加趋势线。上游宜昌站和中游汉口站径流都呈减少的趋势变化,平均每100年分别减少918m 3/s 、1108m 3/s 。下游大通站径流则呈增加趋势,且增加量大于中上游径流的减少量,平均每100年径流增加1707m 3/s 。再对宜昌站和汉口站1950～2000年以来径流时间序列进行分析,得出两站径流仍呈减少趋势,平均每100年分别减少732m 3/s 、549m

3/s ,表明20世纪50年代以来减少趋势减弱,尤其是中游汉口站。因此,总的来说近百年来长江流域年径流成微弱增加趋势,但地区分布不均匀,这与文献[4]分析的结果一致。不过总的变化量都不大,因此不能从总径流量变化来分析长江流域20世纪90年代洪涝灾害的频繁发生,只能从汛期月径流量的变化来说明。基于以上分析,预测21世纪后长江流域上游径流仍处于减少的过程中,而中、下游径流则处在增加的年代。中、下游径流的增加主要是由中游洞庭湖水系和鄱阳湖水系降水增加所致[1],下游径流的增加可能会在一定程度上削弱南水北调以及海水入侵对生态环境的影响。

图2　宜昌、汉口、大通站多年平均径流变化

Fig.2　Variation of Annual Discharge of Y ichang ,

Hankou and Datong Station

2.2　20世纪90年代径流变化趋势

20世纪90年代是我国长江流域洪涝灾害最频

095 长江流域资源与环境 第14卷