長江入?？诮?0年平均流量變化趨勢分析

1流量動(dòng)態(tài)變化長江入大海的沙子總量非常大，對(duì)河口的自然和生態(tài)環(huán)境有重要影響。長江流域位于亞熱帶地區(qū),氣候濕潤,多年平均降水量約1100mm,其中約50%轉(zhuǎn)換為徑流入海。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),長江流域興建了46000多座水壩,7000多座涵閘,這些水利工程的修建在一定程度上改變了長江的徑流特性。以往對(duì)于長江年徑流量變化趨勢的研究大致認(rèn)為,上游宜昌站從20世紀(jì)70年代開始出現(xiàn)徑流減少趨勢;中游漢口站徑流在1956~1998年間呈負(fù)增長趨勢,從1999年開始出現(xiàn)正增長趨勢;下游大通站徑流在1956~1995年間呈負(fù)增長趨勢,1998~2000年間出現(xiàn)了持續(xù)的正增長趨勢。大通水文站距離河口段(徐六涇)近600km,但大通-徐六涇河段內(nèi)無大的支流匯入,大通出口斷面控制著長江流域94%的匯水面積。因此,國內(nèi)外都將大通水文站作為長江入海水沙通量的考察站。長江入海徑流量巨大,大通站多年平均(1923~2004年)徑流量為9156億m3。大通站流量年際波動(dòng)大,年最大流量為43100m3/s,最小為21400m3/s,后者約為前者的1/2;年洪季最大流量為64630m3/s,最小為27800m3/s,后者約為前者的2/5;年枯季最大流量為24430m3/s,最小為12150m3/s,后者約為前者的1/2。受東亞季風(fēng)的影響,長江入海徑流量受氣候變化影響,年內(nèi)變化也十分明顯。大通站月均流量6800~84200m3/s,枯季徑流只占全年總徑流的29.11%。20世紀(jì)40年代中后期到50年代中期大通站流量較大,隨后減小;到70年代中期出現(xiàn)極小值,而后又逐漸升高;到90年代末期出現(xiàn)極大值后又逐漸下降;至2009年流量仍較小。以往關(guān)于長江徑流變化的研究,主要基于長系列流量資料,采用周期圖法、最大熵譜法、Mann-Kendall趨勢分析法等,對(duì)年、汛期、非汛期和月徑流量變化過程、三峽工程建成運(yùn)用后河口鹽水入侵、感潮河段極值水位,以及全球變暖后長江水災(zāi)形勢、徑流年內(nèi)分配等問題進(jìn)行分析。本文基于大通站1950~2009年逐日平均流量資料,運(yùn)用Pettitt突變點(diǎn)檢驗(yàn)法和Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法(簡稱M-K法),對(duì)長江入海徑流量的年際、年內(nèi)變化進(jìn)行突變性和趨勢性分析,探討氣候變化與人類活動(dòng)影響對(duì)徑流變化的驅(qū)動(dòng)性,為預(yù)測入海徑流變化趨勢提供依據(jù)。2突變點(diǎn)分析2.1存在突變點(diǎn)顯著性分析Pettitt突變點(diǎn)檢驗(yàn)法是基于非參數(shù)檢查水文時(shí)間序列突變點(diǎn)的一種檢測方法。該方法計(jì)算較簡便,能夠較好地識(shí)別水文時(shí)間序列的突變點(diǎn),在突變點(diǎn)檢驗(yàn)中應(yīng)用較多,且物理意義清晰。該檢驗(yàn)基于Mann-Whitney的統(tǒng)計(jì)函數(shù)Ut,T,認(rèn)為兩個(gè)樣本x1,…,xt和xt+1,…,xT均來自于同一序列分布,對(duì)于連續(xù)的序列,Ut,T和Vt,T由下列公式計(jì)算:Ut?Τ=Ut-1?Τ+Vt?Τ?t=2?3???Τ(1)其中:U1?Τ=V1?Τ(2)Vt?Τ=Τ∑j=1sgn(xt-xj)(3)sgn(x)={1x＞00x=0-1x＜0(4)因此,|Ut,T|最大時(shí),對(duì)應(yīng)的xt為可能的突變點(diǎn)(change-point)。當(dāng)突變點(diǎn)的Ut,T>0時(shí),該序列具有向下突變趨勢,反之則具有向上突變趨勢?？赡芡蛔凕c(diǎn)的顯著性水平由下式計(jì)算:ΡΟA(t)=2exp[-6U2t?Τ/(Τ3+Τ2)](5)當(dāng)POA(t)<0.5時(shí),該點(diǎn)為有效突變點(diǎn)。當(dāng)判斷出第一有效突變點(diǎn)后,對(duì)該突變點(diǎn)兩側(cè)的序列分別重復(fù)上述檢驗(yàn)過程,相繼判斷第二有效突變點(diǎn)、第三有效突變點(diǎn)等。2.2流量序列突變運(yùn)用Pettitt突變點(diǎn)檢驗(yàn)法,對(duì)大通站年、枯季、洪季、汛后及各月平均流量序列(1950~2009年)分別進(jìn)行了突變點(diǎn)分析。長江洪水主要由暴雨形成,洪水發(fā)生時(shí)間、地區(qū)分布與暴雨相應(yīng)。長江流域地域遼闊、地形復(fù)雜,季風(fēng)氣候十分典型,年降水量和暴雨的時(shí)空分布很不均勻,洪水出現(xiàn)時(shí)間差異較大。本文以大通站流量作為基礎(chǔ)資料,針對(duì)長江下游大通站所在區(qū)域的水文特點(diǎn),按照枯季1~3月、洪季6~8月、汛后10~11月分別進(jìn)行水文情勢分析。表1為大通站各時(shí)段平均流量系列的突變點(diǎn)分析成果。由表1可以看出,1,2,3月及枯季(1~3月)平均流量序列第一突變點(diǎn)主要發(fā)生在1987,1988年;5月平均流量序列突變點(diǎn)發(fā)生在1977年;7月平均流量序列第一、第二突變點(diǎn)分別發(fā)生在2003年和1988年;10,11月及汛后(10~11月)平均流量序列第一突變點(diǎn)發(fā)生在1989~1990年,第二突變點(diǎn)發(fā)生在1998~1999年;其余月份、年平均及洪季平均(6~8月)流量系列無顯著突變點(diǎn)。為了證明突變點(diǎn)檢驗(yàn)的合理性,本文將典型時(shí)段平均流量序列Pettitt值(Ut,T)曲線與時(shí)段平均流量序列二次擬合曲線進(jìn)行了比較分析。圖1為大通站年平均流量序列Pettitt值曲線,以及年平均流量序列二次擬合曲線。從Pettitt曲線可以看出,在20世紀(jì)50年代中期和21世紀(jì)初,分別出現(xiàn)了Ut,T極大值,表示該兩個(gè)時(shí)段內(nèi)呈現(xiàn)出一定的向下突變趨勢。在20世紀(jì)70年代末期和80年代末期,分別出現(xiàn)了Ut,T極小值,表示該兩個(gè)時(shí)段內(nèi)呈現(xiàn)出一定的向上突變趨勢。上述變化趨勢與圖1中年平均流量序列的直觀變化趨勢是一致的。但是,顯著性水平檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),上述突變并不顯著,即近60a來,大通站年平均流量序列沒有顯著的突變點(diǎn)。大通站年平均流量序列(1950~2009年)二次擬合曲線表現(xiàn)出總體緩慢減小趨勢。圖2為1,2,3月及枯季(1~3月)平均流量Pettitt值曲線及枯季平均流量序列二次擬合曲線。由圖2可以看出,3月及枯季平均流量在20世紀(jì)50年代中后期發(fā)生了向下突變,80年代發(fā)生了向上突變,且向上突變表現(xiàn)得更為顯著?？菁酒骄髁啃蛄卸螖M合曲線在以1988~1989年為第一突變點(diǎn)的兩側(cè)分別表現(xiàn)出緩慢變化趨勢;在第二突變點(diǎn)(1955~1956年)之前也為緩慢變化趨勢。圖3為7月平均流量Pettitt值曲線及7月平均流量序列二次擬合曲線。7月平均流量序列的第一和第二有效突變點(diǎn)分別發(fā)生在2003年(向下突變)和1988年。1988年之前趨勢表現(xiàn)平緩略帶上升。1988~2003年表現(xiàn)為加速變化趨勢。2003年之后為下降趨勢。圖4為10,11月及汛后(10~11月)平均流量Pettitt值曲線及汛后平均流量序列二次擬合曲線。由圖4可以看出,10,11月及汛后平均流量第一突變點(diǎn)發(fā)生在20世紀(jì)80年代末期,第二突變點(diǎn)發(fā)生在20世紀(jì)90年代末期,第三突變點(diǎn)發(fā)生在20世紀(jì)50年代中期,且均為向下突變。汛后平均流量序列二次擬合曲線在以1988~1989年為第一突變點(diǎn)的左右側(cè),分別表現(xiàn)出緩慢變化趨勢,在1998年第二突變點(diǎn)之后表現(xiàn)為快速下降趨勢。3趨勢分析3.1下降趨勢檢驗(yàn)假定樣本容量為n的時(shí)間序列變量x1,x2,…,xn,先確定其所有對(duì)偶值(xi,xj,j>i)中xi<xj的出現(xiàn)個(gè)數(shù)(設(shè)為p),順序(i,j)的全集是:(i=1,j=2,3,4,…,n),(i=2,j=3,4,5,…,n),…,(i=n-1,j=1)。如果按順序前進(jìn)的值全部大于前一值,即為一種上升趨勢,p=(n-1)+(n-2)+…+1=(n-1)n/2;如果按順序前進(jìn)的值全部小于前一值,則p=0,即為下降趨勢。由此可知,對(duì)無趨勢的序列,p的數(shù)學(xué)期望E(p)=n(n-1)/4。檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量:U=τ{Var(τ)}1/2(6)其中:τ=4pn(n-1)-1(7)Var(τ)=2(2n+5)9n(n-1)(8)Var(τ)表示方差。當(dāng)n大于10時(shí),認(rèn)為U收斂于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。原假設(shè)為無趨勢,當(dāng)給定顯著水平α(一般取0.1)后,在正態(tài)分布表中查出臨界值Uα/2。當(dāng)∣U∣<∣Uα/2∣時(shí),接受原假設(shè),即趨勢不顯著;當(dāng)∣U∣≥∣Uα/2∣時(shí),拒絕原假設(shè),即趨勢顯著。3.2分段序列趨勢性分析在大通站入海徑流量突變點(diǎn)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上,對(duì)年、枯季、洪季、汛后及逐月平均流量序列用突變點(diǎn)進(jìn)行分段,采用M-K趨勢性檢驗(yàn)法分析各段及整體序列的變化趨勢。由于M-K檢驗(yàn)法要求最小序列長度為10,因此,當(dāng)兩突變點(diǎn)間序列長度小于10時(shí),以其中一突變點(diǎn)向外延長至下一突變點(diǎn)或序列末。表2為長江大通站年、枯季、洪季、汛后及逐月平均流量序列(1950~2009年)的M-K值統(tǒng)計(jì)結(jié)果,其中,顯著水平α=0.1,置信限Uα/2=±1.96。近60年來,長江入海年平均徑流量呈緩慢下降趨勢,但下降趨勢不顯著,這與圖1中大通站年平均流量序列二次擬合線總體下降趨勢是一致的。1,2,3月和枯季表現(xiàn)為顯著上升趨勢(3月M-K值接近置信限);5,10,11月和汛后表現(xiàn)出顯著下降趨勢(5,11月和汛后的M-K值接近置信限);除7月呈現(xiàn)不顯著上升趨勢外,其余時(shí)段均呈現(xiàn)不顯著下降趨勢。突變點(diǎn)形成的分段序列的變化趨勢與整體序列的變化趨勢可能不一致,這與突變點(diǎn)類型有關(guān)。以2月份為例,1988年的突變點(diǎn)將整體序列(1950~2009年)劃分成1950~1988年與1988~2009年兩個(gè)分段序列,其均呈不顯著下降趨勢,而1950~2009年整體序列呈顯著上升趨勢。經(jīng)分析,原因如下:在突變點(diǎn)分析中,一般把突變點(diǎn)分為4類:均值突變、變率突變、轉(zhuǎn)折突變和翹翹板突變。2月平均流量序列可能因氣候突變或者人為因素影響,在1988年出現(xiàn)了翹翹板突變,1988~2009年分段序列的2月平均徑流量(2.23萬m3/s)大于1950~1988年分段序列(1.78萬m3/s),從而形成了向上突變。因此,盡管分段序列呈下降趨勢,但向上突變點(diǎn)仍可能使整體序列呈上升趨勢。除2月外,出現(xiàn)分段序列變化趨勢與整體序列變化趨勢不一致現(xiàn)象的還有1,5月等,可以初步推斷,在其突變點(diǎn)發(fā)生年份附近,可能受到較大的氣候變化或者人為因素的影響。從表2中可以發(fā)現(xiàn),趨勢性檢驗(yàn)的時(shí)段有些是重疊的,如7月份第一突變點(diǎn)形成的1988~2003年與1988~2009年分段序列。這是由于M-K法要求最小序列長度為10,無法檢驗(yàn)2003~2009年分段序列的趨勢性,因此分析1988~2003年與1988~2009年兩個(gè)分段序列。結(jié)果表明,1988~2003年與1988~2009年分段序列分別呈不顯著的上升和下降趨勢(后者較前者顯著)。因此,可以判斷,2003~2009年分段序列應(yīng)為相對(duì)顯著的下降趨勢,這與圖3中2003~2009年分段序列7月份平均流量趨勢性是一致的。類似的,可以判斷,1950~1954年間11月平均入海徑流量呈下降趨勢;1950~1955年間枯季平均入海徑流量呈下降趨勢,這與圖2中趨勢線一致。1950~1955年間汛后平均入海徑流量呈下降趨勢,這與圖4中趨勢線一致。表2中,長江年平均入海徑流量總體為60a間無突變點(diǎn)緩慢下降。20世紀(jì)初,長江上游區(qū)域降溫、降水減少是造成入海徑流量緩慢下降的原因,沒有突變點(diǎn)的是因?yàn)樵谶@60a間,長江流域的氣候并沒有發(fā)生任何的突變。此外,從表2還可以看出,在1988年之后,1,2月整體后22a的年均徑流量相對(duì)1988年之前的38a有明顯的抬升。在枯季的徑流補(bǔ)給可能加劇枯季入海徑流量上升趨勢。20世紀(jì)80年代以來,全球氣候變暖,可能是導(dǎo)致1,2月的均值突變的原因之一,不過考慮到1,2月流量變化較為劇烈,同時(shí)上游水庫群在枯季對(duì)長江的徑流補(bǔ)給也可能加劇枯季入海徑流量上升趨勢。總體來看:長江1,2,3月及枯季(1~3月)平均入海徑流量序列在20世紀(jì)50年代中后期和80年代發(fā)生了突變;在1950~2009年間表現(xiàn)為顯著上升趨勢,可能與近50a全球氣候變暖有關(guān),同時(shí)上游水庫群在枯季對(duì)長江的徑流補(bǔ)給也可能對(duì)該現(xiàn)象有加劇作用。長江6,7,8月及洪季(6~8月)平均入海徑流量序列中,僅7月平均流量系列分別在2003年和1988年發(fā)生了顯著突變。在1950~2009年間,7月平均入海徑流量序列呈現(xiàn)不顯著上升趨勢,6,8月及洪季平均入海徑流量序列呈現(xiàn)不顯著下降趨勢,具體原因需進(jìn)一步研究。長江10,11月及汛后(10~11月)平均入海徑流量分別在20世紀(jì)80年代末期和90年代末期發(fā)生了顯著突變;在1950~2009年間表現(xiàn)為顯著的下降趨勢?？紤]到1998年出現(xiàn)的大洪水,可以考慮是否由當(dāng)時(shí)集中降雨所導(dǎo)致。4枯季、