汉江流域径流时空变化趋势分析

汉江流域径流时空变化趋势分析

作者：陈 华 闫宝伟 郭生练 张洪刚 来源：《南水北调与水利科技》2008年第03期

摘要：汉江流域是南水北调中线工程的水源地，应用Mann-Kendall非线性检验方法，分析了汉江流域干流和各子流域1951—2003年春、夏、秋、冬径流的长期变化趋势。分析发现1991年是汉江流域年径流量趋势变化的突变点，从20世纪80年代的丰水期进入90年代的枯水期；在显著性水平

上，春季和冬季汉江流域许多子流域径流量长期变化趋势呈下

降趋势。分析结果将为南水北调中线工程水资源配置决策提供科学依据。 关键词：Mann-Kendall；汉江流域；径流；趋势分析 中图分类号：

--1,ZHANG Hong-

文献标识码：A文章编号：1672-1683（2008）03-0049-

(1.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science,Wuhan

Abstract:

Hanjiang Basin is the water source of the Middle Route of the South-to-North Water Diversion Project (SNWDP).The temporal and spatial trends of the seasonal runoff were detected by the Mann-Kendall test method in this Basin from 1951 to 2003.There was a climate jump in 1991 in Hanjiang Basin when the runoff changed from the wet period in 1980s to the dry period in 1990s.The results indicated that atα=0.05 significance level there were descending trends for the runoff in many parts of Hanjiang Basin in the Spring and Winter.The results will provide the rational references for water

Key words:Mann-

南水北调中线工程是改善国家水资源配置的重大基础性战略工程，将水资源相对丰富的汉江流域的水调至人多、地多、经济相对发达和水资源短缺的黄河、淮河和海河三流域地区，在保证汉江流域社会经济可持续发展和水资源可持续利用的前提下，支撑和保证黄、淮、海流域社会经济的可持续发展，以及促进南北地区社会经济的协调发展。南水北调中线工程已于

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2003 年正式动工，一期预计于2010 年完成。中线一期完工后，可实现向京、津、华北地区年调水95亿m3，河南、河北、天津和北京分配的水量分别为37.7、34.1、12.4和10.2亿m3，受水城市生活供水、工业用水和其他用水保证率分别达95%、90%和80%。自20 世纪90 年代以来，汉江流域持续干旱，对流域的生态环境、水资源合理配置和供水等各方面带来了巨大影响。针对汉江流域水资源变化的专题研究已经被广泛开展，尤其是针对南水北调中线工程水源区丹江口水库的水资源变化研究[1-5]。在已有的研究中，没有对汉江流域径流的时空变化趋势进行研究，因此，必须进一步认清和掌握汉江流域径流量时空变化趋势。本文利用Mann-Kendall非线性统计检验方法分析汉江流域径流量的时空变化趋势，为分析和研究南水北调中线工程水资源配置提供科学依据。

1 数据和方法

根据水利部长江水利委员会水文局提供的资料和汉江流域的水系划分，将汉江流域进行分区，具体的分区见图1，各分区水文控制站的资料情况见表1。

图1 汉江流域水系划分

表1 分区及水文控制站资料情况

在时间序列趋势分析中，Mann-Kendall检验是世界气象组织推荐并已广泛使用的非参数检验方法，最初由Mann和Kendall提出[6-7]，许多学者不断应用Mann-Kendall方法来分析降水、径流、气温和水质等要素时间序列的趋势变化[4-5,8-9]。Mann-Kendall检验不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，适用水文、气象等非正态分布的数据，计算简便。 在Mann-Kendall检验中，对于时间序列数据时间序列数据变量通过下式计算： 0if(xj-

，标准的正态统计

-1 if(xj-xk)＜0，为正态分布,Var(S)为其方差，均值为0。这样,在双边的趋势检验中，在给定的α置信水平上,如果 ｜z｜

，则原假设是不可接受的，即在α置信水平上,时间序列数据存在明显的上升

或下降趋势。z大于0时，是向上趋势，小于0时，则是下降趋势。

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当Mann-Kendall检验进一步用于检验序列突变时，检验统计量同上述有所不同，通过构造一秩序列[10]，定义统计变量：

式中:sk=∑ki=1ri (k=2,3,4,…,n)其中ri=+1 xi＞xj差和均值。

UFi为标准正态分布，给定显著性水平α，若｜UFi｜＞势变化。将时间序列x按逆序排列，再按上式计算，同时使 UBk=--

，则表明序列存在明显的趋

否则 (j=2,3,…,i),E(sk)和Var(sk)为其方

-

通过分析统计序列UFk和UBk可以进一步分析序列x的趋势变化，而且可以明确突变的时间，指出突变的区域。若UFk值大于0，则表明序列呈上升趋势，小于0则表明呈下降趋势，当它们超过临界直线时，表明上升或下降趋势显著。如果UFk和点，且交点在临界直线之间，那么交点对应的时刻就是突变开始的时刻。

2 丹江口入库径流不同年代的偏差变化

丹江口入库径流不同年代的偏差变化计算结果如表2所示。从表2中可以看出丹江口水库入库径流20世纪80年代是丰水期，80年代平均径流量比多年平均径流量高67.36亿m3，90年代是枯水期，径流量比多年低了81.30亿m3，季节变化中也可以看出70年代和90年代4个季节的径流量变化都比多年平均低，80年代4个季节的径流量变化都比多年平均高。

表2 丹江口水库入库径流不同年代的偏差变化 3 汉江流域子流域径流量长期变化趋势分析

利用Mann-Kendall非参数检验的空间趋势分布见图2。从图2中可以看出年径流量上游安康白河区间、老灌河和丹江口水库呈下降趋势，下游丹襄区间和襄皇区间呈下降趋势，其它地

两条曲线出现交

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方无明显变化趋势；春季径流变化，上游地区除安康水库和安康白河区间外，其余地方均呈下降趋势，中下游无明显变化趋势；夏季径流量和秋季径流量中下游变化趋势一致，都是丹襄区间和襄皇区间呈下降趋势，上游夏季安康白河区间和安康水库呈下降趋势，秋季安康白河区间呈下降趋势，其余地方无明显变化趋势；冬季上游旬河、夹河、丹江、安白区间和丹江口水库呈下降趋势，天河、堵河和襄皇区间呈上升趋势，其余地方无明显下降趋势。

从上面分析中可知，汉江流域各子流域径流量长期变化趋势大部分地区呈下降趋势，尤其是丹江口水库上游地区，这对汉江流域的水资源综合利用和南水北调中线工程的正常运行将是很不利的。必须分析在未来气候变化的情景下，丹江口水库径流量的变化情况。

4 汉江干流径流量变化趋势分析

选用汉江干流石泉、白河、丹江口和皇庄4个水文站点现有水文资料，对汉江干流的季节及年径流变化趋势采用Mann-Kendall检验方法进行分析。选用水文站点分布均匀，时间序列长，能很好的代表汉江上中下游径流的变化情况，代表性好，从统计意义上来讲，这样的时间序列应该能够获得比较可信的分析成果。

表2为Mann-Kendall方法得到的汉江干流径流量趋势检验结果，从表中可以看出，在

的显著性水平下，汉江干流春季径流量石泉和丹江口减少趋势显著，其他站无明显

下降趋势；夏季径流量白河和皇庄减少趋势显著，其他站变化趋势不明显；秋季径流量白河和皇庄减少趋势显著，其他站无明显减少趋势；冬季径流量白河、丹江口和皇庄减少趋势显著，石泉无明显变化趋势；年径流量除石泉外，其他三站均呈减少趋势，且趋势显著。 利用Mann-Kendall秩检验方法分析汉江径流量的趋势变化，求出各时间序列的UBk值，图3为汉江干流各水文站点春季径流量的

-Kend

中水平直虚线为α=0.05显著性水平临界值，实折线代表UFk值，虚折线表示

和值。从图

检验方法统计变化图，图

中可以看出，石泉站1974─1982年及2002─2004年下降趋势显著；白河站1965─1980年上升趋势显著；丹江口1999─2003年下降趋势显著；皇庄2002—2004年下降趋势显著。 图4为汉江各水文站点夏季径流量的Mann-Kendall检验方法统计变化图。从图中可以看出，石泉站1979─1995年上升趋势显著；白河站无明显的变化趋势；丹江口1970─1980年下降趋势显著；皇庄1968─1982年及1996─2004年下降趋势显著。除石泉外，其他各站的趋势变化突变点均在1991年前后。

图5为汉江干流各水文站点秋季径流量的Mann-Kendall检验方法统计变化图。从图中可以看出，石泉1998─2000年及2002─2003年下降趋势显著；白河1996─2004年下降趋势显著；丹江口2000─2003年下降趋势显著；皇庄1996—2004年下降趋势显著。各站趋势变化的突变点均在1989年前后。

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图6为汉江干流各水文站点冬季径流量的Mann-Kendall检验方法统计变化图。从图中可以看出，石泉站1968─1971年及1984─1987年上升趋势显著；白河站1990─2004年下降趋势显著；丹江口1991─2003年下降趋势显著；皇庄1973─2004年上升趋势显著。

根据Mann-Kendall秩检验方法，各水文站点年径流量的趋势突变点均在1991年前后，这主要是由于降水和气温的变化引起的，降水的减少直接导致径流量的减少，气温的升高又增加了蒸发量，使得径流量进一步减少。这前面文献［4］和文献［5］得到的 “1991年是近50年来的降水发生突变的年份，汉江丹江口水库上游由20世纪80年代的多雨期转入90年代的少雨期”，“丹江口水库上游年平均气温90年代后期至今下降趋势在不断的减少，气温不断的上升”分析的结论是一致的。 5 结论

本文应用Mann-Kendall方法对汉江流域径流量时空变化趋势进行了分析。分析发现丹江口水库入库径流20世纪80年代是丰水期，90年代是枯水期，其中1991年为年径流量趋势变化的突变点；在显著性水平

上，春季和冬季汉江流域许多子流域径流量长期变化趋

势地区呈下降趋势，尤其是丹江口水库上游地区，形势不容乐观。通过本文的研究，掌握和了解汉江流域径流量的时空演变趋势，这对于南水北调中线工程的顺利实施和长江流域防洪减灾工作具有重要意义。尽管Mann-Kendall检验方法是世界气象组织推荐的非参数检验方法，对于趋势分析来说，单一方法不可避免会存在着一定的局限性，在后期研究中，有必要应用更多种的趋势分析方法对汉江流域径流趋势变化进行分析，以得到一个更全面的结论。

参考文献：

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