摘要：为了分析西江干流径流年际变化趋势及年内分配规律，根据天峨、迁江、梧州三站60多年实测径流资料，采用MannKendall趋势检验法、R/S法、有序聚类法、滑动T检验法等多方法分别对径流年际变化的趋势性和突变性进行分析；同时，对表征径流年内分配的各指标进行趋势性检验和未来变化趋势预测。结果表明：三站的MK统计量Z值分别为247、-238和-147，Hurst指數分别为072、083和080，均大于05；天峨站和迁江站的突变点均为2002年，梧州站的突变点为1954年和2002年；西江径流60多年来显著减少，且具较强的持续性；径流年内分配不均，多集中在4月-9月，占年径流的75%左右；2002年后径流年内分配显著性地趋于均匀，集中程度和变幅亦显著性地变小，集中期前移12日左右。

关键词：西江；径流；MK趋势检验法；R/S法；年际变化趋势；年内变化趋势

中图分类号：TV121文献标识码：A文章编号：

16721683（2018）04007408

Study on interannual and annual variation characteristics of runoff in the main stream of Xijiang River

CHEN Lihua1，2，3，LIU Weifu1，LENG Gang1，WANG Yan1

（

1.College of Civil engineering and Architecture，Guangxi University，Nanning 530004，China；

2.Key Laboratory of Disaster Prevention and Structural Safety of Ministry of Education，Guangxi University，Nanning 530004，China；

3.Guangxi Key Laboratory of Disaster Prevention and Engineering Safety，Guangxi University，Nanning 530004，China）

Abstract：

In order to study the interannual variation trend and annual distribution of runoff in Xijiang River，we used MannKendall trend test，R/S method，ordered cluster method，and sliding T test to analyze the variation trend and abrupt changes of interannual runoff，and we conducted trend tests and prediction of the future change trend for each index of annual runoff distribution.The analysis was based on the measured runoff data of the main stream of Xijiang River for over 60 years.The results showed that MK statistic values in the three stations were -247，-238 and -147 respectively.The Hurst indexes of the three stations were 072，083 and 080 respectively，all greater than 05.The abrupt change points at Tian'e and Qianjiang stations were both in 2002，while the abrupt change points at Wuzhou station were in 1954 and 2002.Xijiang River runoff has significantly declined over the past 60 years with a strong continuity.The annual distribution of runoff was uneven.The runoff concentrated during April to September，which accounted for about 75% of the annual runoff.After 2002，the annual distribution of runoff showed a remarkable tendency towards uniformity； the degree of concentration and variation amplitude both significantly decreased，and the concentration period moved about 12 days forward.

Key words：

Xijiang River； runoff； MannKendall trend test； R/S method； interannual variation trend； annual variation trend

河川径流变化通常包含径流的量值变化和过程的结构变化[13]，前者包括径流总量、流量等数值上的变化，而后者侧重于年内不同时段径流组分分配情况。河川径流过程是气候条件和流域下垫面综合作用的产物[4]，气候变化及人类活动引起全球水文循环变化加剧，导致各种极端水文事件[56]频繁发生。近年来珠江流域[7 8]由气候变化引起的极端水文事件时有发生，西江作为珠江流域的主要水系干流，具有流域面积大、水文地质、地貌和覆盖条件复杂等特点，在气候变化及人类活动双重影响下，其河川径流发生不同程度的改变[911]，进而影响河床及水生态系统演变，增大流域水资源开发利用难度[1213]，其中下游珠江三角洲河口地区供水安全问题亟待解决。随着珠江三角洲地区经济和人口快速增长，区域水资源短缺、水生态恶化、流域水资源调配能力低等问题日趋突出，特别是冬春季咸潮入侵对珠江三角洲地区1500万居民饮水安全构成极大威胁，而抑咸流量的80%来源于西江。因此，西江流域径流量变化与地表水文过程的研究备受关注，在水文要素量值变化方面已有一些研究成果[1415]，但缺少对量值突变前后对比研究及对地表水文过程结构特征的研究。

近年来，径流趋势变化及突变分析成为径流变化规律分析的研究热点，目前对径流序列趋势分析的方法主要有MK趋势检验法、小波分析法、R/S分析法等。MK趋势检验法[16]和R/S分析法[17]相较于其他方法，具有原理简单、可操作性强、表征效果好等特点，故采用上述两种方法进行径流趋势变化分析。对径流序列突变分析的方法有滑动平均法、有序聚类法、滑动T检验法、MannKendall法等。基于有序聚类法和滑动T检验法计算简单、资料要求低、结果直观等特点，在渭河流域[18]、洞庭湖[19]、新村流域[20]等地区得到较好应用，故采用上述两种方法对径流进行综合突变诊断。对径流年内分配的研究方法，燕华云等[21]将表示降水量年内分配的向量法引入径流集中度和集中期并结合不均匀系数、变化幅度等定量指标进行表示，以突变点划分径流阶段，对表征径流年内分配各指标进行了趋势性检验和未来变化趋势预测，以期为西江流域水资源合理开发利用及防洪减灾提供参考。

1流域概况与分析方法

1.1西江流域概况与研究数据

西江是珠江流域的主干流，自上而下依次为南盘江、红水河、黔江、浔江和西江五个河段，全长2 075 km，流域面积达3531万km2。根据西江干流水文站点分布，河段径流代表性，及水文资料完整性、准确性和观测时间的持续性，选取西江干流天峨、迁江、梧州三站60多年的月平均流量资料，分析西江干流年际及年内变化趋势。三站分别位于天峨县六排镇、来宾市兴宾区迁江镇和梧州市，多年平均径流量分别为1 8004 m3/s、2 3769 m3/s、7 5672 m3/s[14]。西江干流水文站点及资料情况见表1。

1.2径流分析方法

MannKendall法是由Mann[22]1945年首次提出，而后Kendall[23]1975年进行改进的一种被广泛应用于气象与水文时间序列的趋势分析[24]的非参数检验方法。当MK统计值Z的绝对值大于等于128、164、232 时，表示对应的径流序列变化趋势分别通过了信度为90%、95%和99%的显著性检验。

R/S法是由Hurst在分析尼罗河水文资料时提出的一种分析方法[25]，可通过R/S法估算Hurst指数（0

以有序聚类法来推求最优化分割点，使同类之间离差平方和较小，而类与类之间的离差平方和较大。该法原理[26]清晰简单，但对于多个突变点需要进一步分割序列进行检验。

1.3年内分配特征指标

采用徑流不均匀系数C[WTB1X]v[WTBX]、完全调节系数Cr表征径流年内分配均匀程度；通过最大月平均流量Rmax、最小月平均流量Rmin与年平均流量之比，分别称为极大比Cmax、极小比Cmin及极值比Cm，表征径流相对变化幅度；引入集中度Cn和集中期D表征径流年内分配集中的程度和集中的重心出现月份。集中度就是将各月流量按一定角度以向量方式累加，其各分量之和的合成向量的模与年径流量的比值；集中期则是合成向量的方向，以角度表示，可以换算到月份，本研究从1月至12月每月的方位角θ分别为0°，30°，60°，…，360°，并将每个月平均流量分解到x和y两个方向上。各指标计算公式见文献[21]。

[BT2-*6]2径流年际变化特征

2.1径流年际变化趋势分析

采用MK法及线性回归对西江干流天峨、迁江、梧州三个水文站年平均流量进行趋势分析，结果见图1及表2。

由表2可知，20世纪60年代至今，三站流量序列ZC均小于0，表明西江干流年平均流量总体呈下降趋势，其中天峨、迁江站流量序列|ZC|>ZCα/2（显著性α=005的临界值为164），分别以-626 m3/（10a·s）和-637 m3/（10a·s）的趋势显著下降；梧州站的|ZC|=147

采用R/S法估算三站年平均流量Hurst指数（见表3），可知三站径流序列R/S拟合曲线拟合度R2值均超过098，表明拟合效果良好。三站Hurst指数分别为072、083和080，均明显大于05，表明未来年平均流量与过去60多年具相同的变化趋势。结合三站年平均流量ZC统计值和Hurst指数可预测：未来西江干流年平均流量仍将呈持续减少趋势，其中中上游流域流量呈显著下降趋势，而下游流量减少趋势不显著。

2.2径流年际突变特征

采用累积距平和有聚序类法对天峨、迁江、梧州三站年平均流量突变特征进行综合检验（见图2）。图2（a）至图2（c）为累计距平曲线，三站均存在阶段变化，阶段上升代表丰水年组，阶段下降代表枯水年组。三站均在2002年累计距平值达到极大值，为丰转枯节点。图2（d）至图2（f））为有序聚类法检验结果，天峨站和迁江站的突变点均为2002年。梧州站在检验出1954年为突变点后，考虑其后序列较长，径流变化强烈，可能存在第二个突变点，对1955-2015年径流序列进行检测，发现2002年为潜在突变点。

因累积距平和有序聚类法突变点检测结果存在不一致的缺点，因此辅以滑动T检验法进一步对可能存在的突变点进行显著性检验，结果见图3。

经滑动T检验（见图3）发现三站年径流均在2002年发生突变，且均超过005置信水平（对应临界值均为20），为显著突变点，但原因有所差异。文献[9]采用可变范围（RVA）法评估龙滩水库建设与运行下对天峨站径流的影响发现水库修建后对逐月径流量有显著影响而对年径流量影响有限；文献[11]通过比较分析2006-2008年龙滩水电站蓄水量与迁江站年径流量的响应关系发现其调蓄作用对

下游年径流量变化同样影响有限，因此2000年末投产运行的天生桥一级电站蓄水调节影响并非造成中上游年径流突变的主要原因。天峨站和迁江站来水单一，径流一致性较好，综合上述因素可知中上游径流突变主要受气候变化影响。下游梧州站年径流突变原因较为复杂，一方面，朱颖洁等[10]基于神经网络年径流量模拟的气候变化和人类活动的定量分析认为气候变化是梧州站年径流量变化的主要原因；另

一方面，迁江至梧州区间流域广阔，降水差异较大，且三大支流汇入致使水文情势复杂，加上2002年郁江百色水利枢纽大江截流的有限影响综合导致了下游年径流突变。因此，气候变化是西江干流年径流突变的主要原因，人类活动如水利工程建设的影响有限。因三站年径流均在2002年发生突变，以2002年为分界点将研究数据分为两段，进一步探讨和分析西江干流年际及年内变化特征。

2.3径流年际变化特征值

以突变节点（2002年）为分界点将序列划分为两段，统计分析三站径流突变前后特征值变化（见表4）。由表可知：（1）三站径流年际极值比与C[WTB1X]v[WTBZ]值均较小，表明西江干流径流年际变幅平缓；（2）2002年前后两个时段，三站径流的时段特征值存在较大差异。2002后三站径流的时段均值、距平值、时段最大年径流、极值比和C[WTB1X]v[WTBZ]值均低于前一时段的对应值，即干流径流年际变化趋于均匀，变幅减小，说明中上游梯级水库发挥了一定的调控作用；对于时段最小年径流，迁江站和梧州站增大，天峨站减小，一方面为2005年1月起通过天生桥一级、龙滩、岩滩、百色及长洲水利枢纽进行的枯季压咸补淡应急调水；另一方面流域干旱时有发生，如水文年2004-2005年和2009-2010年均为特枯年、2006-2007年和2007-2008年为偏枯年，且龙滩上游的降水量少于受多个暴雨中心影响的下游降水量[27]，这就造成了天峨站最小年径流较少，而迁江站和梧州站增大。

3径流年内变化特征

3.1径流年內分配及变化

随着西江干流梯级水电站相继建成运行，其径流年内分配波动明显增大[9，11]，有必要针对变化环境下的径流年内分配特征进行详细分析。由表5可知，上游天峨站夏季（6月-8月）占年径流量的512%，冬季（12月-2月）仅占96%，连续最大4个月为6月-9月，占全年径流量的635%；中游迁江站夏季占年径流量的541%，冬季仅占82%，连续最大4个月同样为6月-9月，占全年径流量的658%，两站各季的径流占比接近，具较高的一致性；而下游梧州站夏季占年径流量的505%，冬季仅占82%，春季增长明显，达到201%，可见西江下游冬春交替之际补水形势依然严峻。

基于各阶段月平均径流计算得表征三站年内径流的均匀度、变化幅度及集中程度特征指标（见表6），可知：（1）三站C[WTB1X]v[WTBX] 、Cr值均较小，表明西江干流径流年内分配较均匀；（2）三站Cm、Cmax、Cmin值较接近，梧州站略小，表明西江下游年内月径流变化幅度较小；（3）就集中期D而言，天峨站径流年内集中期为7月下旬至8月上旬，迁江站为7月中旬至8月初，而梧州站主要集中在7月，基本与实测径流系列的平均月径流最大值出现时间相一致，表明集中度和集中期在量化径流年内分配方面很具代表性。（4）西江干流径流的年内分配在2002年前后存在较大差异，2002年后的C[WTB1X]v[WTBX] 、Cr、Cn、D值明显变小，Cm、Cmax、Cmin值向中值靠拢，表明西江干流径流年内分配趋于均匀，径流集中程度和变化幅度均减小，集中期前移约12日。

3.2变化趋势分析

采用MK法对三站各阶段年内月径流特征指标的趋势性进行检验（见表7）。可知，（1）整个时域内，天峨站和迁江站年内月径流变化趋势一致性较高，两站C[WTB1X]v[WTBX]、Cr、Cmax、Cm、Cn、D序列的变化趋势均[JP+1]为显著下降，Cmin序列为显著上升，表明西江干流中上游径流年内分配显著性地趋于均匀，集中程度[CM（22]与变幅也显著性地变小；（2）下游梧州站年内月径流

3.3R/S分析

利用R/S法分析西江干流年内月径流特征指标序列的Hurst指数（见表8）。结果表明：三站年内月径流的Hurst指数均大于05，表明西江干流径流年内分配变化趋势与过去60多年径流具有相同的变化趋势。具体地，从C[WTB1X]v[WTBX]、Cr的Hurst值来看，径流年内分配趋于均匀的持续性：天峨>梧州>迁江；Cmax、Cmin、Cm的Hurst值表明，年内月径流变化幅度变小趋势的持续性同样为：天峨>梧州>迁江；表明西江干流径流年内分配趋于均匀和年内变幅变小的持续性自上游至下游减弱，但梧州站因干支流径流来水的复杂性，呈现较强的持续性；由Cn、D的Hurst值可知，三站径流集中度变小和集中期前移的持续性为：迁江>天峨>梧州 ，分析认为，天峨站经上游水库径流调节年内径流集中度变小和集中期迁移具较强的持续性，迁江站则经梯级水库径流调节其持续性最强，而梧州站虽然处于下游，同样经过梯级电站调节，但因来水多元化，不确定性较大，其持续性有所减弱。

4结论

（1）根据西江三站60多年径流资料分析可知，西江干流中上游天峨站与迁江站年平均流量均呈显著下降趋势，且均在2002年发生突变；下游梧州站年平均流量为不显著下降趋势，突变点为1954年和2002年。说明2002年后西江流域径流受气候变化和人类活动干扰加剧，还值得深入研究气候变化和人类活动对西江径流的影响。

（2）西江干流径流多集中在4月-9月，冬春季占比低。2002年后西江干流中上游径流年内分配强显著性地趋于均匀，集中程度和变幅强显著性地变小；下游径流年内分配趋于均匀，但变化不显著，说明迁江站至梧州站区间来水可控性较差。

（3）天峨站径流集中期为7下旬至8月上旬，迁江站为7月中旬至8月初，而梧州站主要集中在7月，表明干流中上游来水对梧州流量影响有限，若深入分析不同水平年梧州流量地区组成将对流域防洪、生态调度研究具有重要意义。

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