鄱阳湖枯水期入湖径流变化特征分析

彭 薇，霍军军，许继军

（长江科学院水资源综合利用研究所，武汉 430010）



鄱阳湖枯水期入湖径流变化特征分析

彭 薇，霍军军，许继军

（长江科学院水资源综合利用研究所，武汉 430010）

摘 要：依据1957—2012年鄱阳湖流域控制水文站的实测资料，运用Mann⁃Kendall检验法、小波分析方法，对该时段内枯水期入湖径流的趋势及周期变化特征进行分析，分析其变化规律对鄱阳湖水资源合理利用、水生态保护具有重要意义。结果表明：1957—2012年鄱阳湖流域各站点枯水期径流大致呈增加的趋势，平均增加幅度约为0．199／a，且在0．1的显著水平下，万家埠站、梅港站、虎山站枯水期径流增加趋势显著；鄱阳湖流域各站点的枯水期径流变化具有较显著的周期特征，其中21 a为鄱阳湖流域枯水期径流变化主周期，各站点径流变化还存在5，12，28 a的变化小周期。鄱阳湖流域枯水期径流的周期规律的研究，为流域水利工程建设、生态环境保护及水资源合理利用提供了科学依据。关键词：鄱阳湖；枯水期；径流；Mann⁃Kendall检验法；小波分析

1 研究背景

鄱阳湖是中国第1大淡水湖，流域面积约16．22 万km2，年平均径流量约1 450亿m3。赣江、抚河、信江、饶河、修水分别从南、东、西3面向北汇入鄱阳湖，湖水经由湖口进入长江［1］。

近年来，鄱阳湖枯水位降低、枯水开始时间提前、枯水期延长、极枯水位频频出现。李世勤等［2］利用实测资料分析了2006年鄱阳湖枯水的成因；叶许春等［3］分析了鄱阳湖流域1961—2000年的径流特征，并计算了气候变化和人类活动引起的径流变化值；孙鹏等［4］采用功率谱分析法分析了1955—2005年鄱阳湖流域“五河”控制站径流量与输沙量的周期特征；闵骞等［5］统计分析了鄱阳湖近60 a来的枯水特征，并探讨了鄱阳湖枯水变化原因。鄱阳湖水文情势变化分析的相关研究主要集中在降水以及各支流的年径流变化趋势分析以及气候变化和人类活动对其影响上，对枯水期径流变化趋势以及周期的研究较少。

基于此，本文采用鄱阳湖流域枯水期入湖径流的逐日数据，运用Mann⁃Kendall检验法分析枯水期径流的趋势性，利用小波分析法研究流域枯水期径流的周期规律，为流域水利工程建设、生态环境保护及水资源合理利用提供科学依据。

2 数据与方法

2．1 数 据

选取10月至次年3月作为鄱阳湖枯水期［6］，采用1957—2012年赣江外洲站、信江梅港站、抚河李家渡站、饶河虎山站、修水万家埠站5个鄱阳湖流域代表水文站的实测资料进行分析，水文站分布情况见图1。

2．2 趋势分析方法

Mann⁃Kendall检验法（以下简称M⁃K法）是Mann于1945年创建的一种时间序列趋势分析方法，后由Kendell（1975年）完善。该方法不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，目前己被广泛地用来分析降水、径流和气温等要素时间序列的趋势变化。

设有一平稳序列为xt（t＝1，2，3，…，n），n为序列长度，M⁃K法相关定义为

式中：sign（）为符号函数，当xj－xi小于、等于、大于0时，sign（xj－xi）分别为－1，0，1。

当n≥10时，统计量近似服从正态分布，其均值和方差分别满足

E（S）＝0，V（S）＝n（n－1）（2n＋5）／18。（2）

正态分布统计量Z由式（3）计算，即

其中，变化趋势的大小可用Kendall倾斜度β来表示，其计算公式为

β＞0，呈增加的趋势；β＜0，呈减小的趋势。

2．3 周期分析方法

对于给定的时间序列f（t）∈L2（R），其连续小波变换为

式中：Wf（a，b）为小波变换系数，a，b∈R，a≠0；a为尺度因子，反应小波的周期长度；b为平移因子，反应时间上的平移。

Morlet小波与降水、径流时间序列的波形较为接近［7］，本文选取Morlet小波对径流序列进行小波分析，其函数表达式为

ψ（t）＝eiw0t·e－t2／2。（6）

式中：w0为常数；i为虚数。

将时间域上关于a的所有小波系数的平方积分，即为小波方差，其计算公式为

小波方差随尺度a的变化过程，称为小波方差图，它能反映信号波动的能量随尺度a的分布，对应峰值处的尺度为该序列的主要时间尺度。因此，分析小波方差图，可以确定时间序列中存在的主周期。

3 鄱阳湖枯水期径流变化特征分析

3．1 趋势性分析

利用1957—2012年各站点实测资料绘制枯水期入湖径流变化趋势，见图2。

从图2中可以看出，各站枯水期入湖径流量都呈现出丰枯交替的不断变化，除李家渡站无明显变化外，其他站点枯水期入湖径流均有增加的趋势。其中，万家埠站枯水期径流增加的趋势最为显著，其次为梅港站、虎山站，外洲站枯水期径流呈微弱的增加趋势。

图2　鄱阳湖枯水期入湖径流变化趋势分析Fig．2 Trend analysis of incoming runoff in Poyang Lake in dry season

为进一步分析径流的趋势性，利用M⁃K法对各站进行趋势检验，检验结果见表1。

表1　鄱阳湖枯水期入湖径流M⁃K检验结果Table 1 Test results of incoming runoff at Poyang Lake in dry season by using Mann⁃Kendall method

从表1中可以看出，大部分站点径流变化增加趋势显著。各站点倾斜度介于0．007～0．515，李家渡站最小，外洲站最大，平均增加幅度达0．199／a。分析M⁃K统计量Z可知，在0．1的双侧检验显著水平下（临界值为1．645），梅港站、虎山站、万家埠站的径流变化趋势通过了显著性检验，这与图2的结果是一致的。

3．2 周期性分析

采用MATLAB的小波分析程序对外洲站、梅港站、李家渡站、虎山站、万家埠站的枯水期径流进行周期分析，绘制小波系数实部，见图3。不同时间尺度下的小波系数可以反映径流该时间尺度下的变化特征。图3中实线表示正值，表示径流量偏丰状态；虚线表示负值，表示径流量偏枯状态。

图3　枯水期入湖径流小波系数实部图Fig．3 Real part of wavelet coefficient of incoming runoff in Poyang Lake in dry season

从图3中可以看出，枯水期径流周期变化过程各站点变化较为一致，大致存在25～32 a，15～24 a，9～14 a，9 a以下4类时间尺度的周期变化规律，大尺度的周期变化中嵌套着小尺度的周期变化，图中所显示的周期可能只是更大周期的一部分。

在25～32 a的尺度上，入湖径流经历了丰—枯—丰—枯—丰—枯—丰7个循环过程；15～24 a的尺度上存在枯—丰交替的准4次震荡，周期较为清晰，且2011年等值线未闭合，表明未来几年枯水期径流将继续偏多的可能性较大。

9～14 a的尺度上，外洲站在20世纪70年代中期到90年代中期周期震荡比较活跃；梅港站在20世纪70年代中期到80年代中期震荡比较活跃；李家渡站在20世纪70年代中期到90年代末周期震荡较活跃；虎山站在20世纪60年代中期到90年代末周期震荡较活跃；万家埠站在20世纪80年代到90年代周期震荡较活跃。各站径流均存在多次丰—枯循环交替。

9 a以下的小时间尺度，各站点枯水期径流周期频率变动加快，分布比较零乱，丰枯变化比较剧烈，不同时间域强弱明显不同，局部性差异较大。

图4　鄱阳湖枯水期入湖径流小波方差图Fig．4 Wavelet variance of incoming runoff in Poyang Lake in dry season

绘制小波方差图见图4。从图4（a）中可以看出，外洲站小波方差图中存在4个较为明显的峰值，依次对应着4，11，21，29 a的时间尺度。其中，最大峰值对应着21 a的时间尺度，说明外洲站枯水期径流在21 a的时间尺度上周期震动最强，为第1主周期；29 a时间尺度对应着第2峰值，为第2主周期；4 a时间尺度对应第3峰值，为第3主周期；11a时间尺度对应第4峰值，为第4主周期。

同理分析图4中的（b）—（e）可得：梅港站枯水期径流变化存在5，8，12，21，28 a的5个主周期，其中21 a为第1主周期，5 a为第2主周期，28 a为第3主周期；李家渡站枯水期径流变化存在5，12，21，29 a的4个主周期，其中21 a为第1主周期，5 a为第2主周期，12 a为第3主周期；虎山站枯水期径流变化存在6，8，12，21，28 a的5个主周期，其中21 a为第1主周期，6 a为第2主周期，12 a为第3主周期；万家埠站枯水期径流变化存在5，12，21，28 a的4个主周期，其中21 a为第1主周期，28 a为第2主周期，5 a为第3主周期。

4 结 论

本文利用Mann⁃Kendall检验法分析鄱阳湖1957—2012年枯水期入湖径流的变化趋势，并采用Morlet小波分析法分析其变化周期，得出以下结论：

（1）根据趋势检验的结果可知，鄱阳湖流域枯水期入湖径流总体呈现出增加的趋势，万家埠站、梅港站、虎山站枯水期径流增加的趋势较显著，李家渡站无明显变化。鄱阳湖近年来枯水加剧可能与流域蒸发加大、下垫面条件改变、湖区取用水量增多、长江干流来水发生变化相关。

（2）鄱阳湖流域枯水期径流变化具有多时间尺度的特征，大尺度的周期嵌套着小尺度的周期，整个流域周期具有一致性。5，12，21，28 a左右尺度径流的丰－枯交替变化表现较为清晰，其中第1主周期为21 a。这几个周期的波动，决定着鄱阳湖枯水期径流在整个时间域内变化的特性。

（3）时间尺度不同，径流所处的丰枯阶段也不同。以梅港站为例，在21 a时间尺度下，枯水期径流在1961—1968年处于枯水期，但在5 a时间尺度下，该站枯水径流存在丰—枯—丰的变化。大时间尺度下的丰水（枯水）阶段包含着更多小时间尺度的丰、枯水阶段。

对鄱阳湖枯水期径流变化来说，尽管在1957—2012年存在不同时间尺度的显著周期特征，但其长序列的水文规律仍有待进一步分析和探讨。随着鄱阳湖枯水的加剧，还需对径流与枯水的关系以及导致鄱阳湖枯水加剧的原因进行深入研究。

参考文献：

［1］ 郭 华，姜 彤．鄱阳湖流域洪峰流量和枯水流量变化趋势分析［J］．自然灾害学报，2008，17（3）：75－80．

［2］ 李世勤，闵 骞，谭国良，等．鄱阳湖2006年枯水特征及其成因研究［J］．水文，2008，28（6）：73－76．

［3］ 叶许春，张 奇，刘 健，等．气候变化和人类活动对鄱阳湖流域径流变化的影响研究［J］．冰川冻土，2009，31（5）：835－842．

［4］ 孙 鹏，张 强，陈晓宏，等．鄱阳湖流域水沙时空演变特征及其机理［J］．地理学报，2010，65（7）：828－840．

［5］ 闵 骞，占腊生．1952—2011年鄱阳湖枯水变化分析［J］．湖泊科学，2012，24（5）：675－678．

［6］ 闵 骞．鄱阳湖枯水对水资源利用影响与对策探讨［C］∥华东七省（市）水利学会第二十五次学术会议论文集．上海：上海水务杂志社，2012：221－223．

［7］ 张少文，王文圣，丁 晶，等．黄河天然径流超长期变化特性研究［J］．人民黄河，2004，26（8）：10－12．

（编辑：姜小兰）

Characteristics of Incoming Runoff Variation of Poyang Lake in Dry Season

PENG Wei，HUO Jun⁃jun，XU Ji⁃jun
（Water Resources Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：According to runoff data at main hydrological stations in Poyang Lake watershed from 1957 to 2012，we analyze the trend and periodic variation of incoming runoff in dry season by using Mann⁃Kendall test and wavelet a⁃nalysis．The variation law is important for us to utilize water resources and protect water ecological environment．Test results show that from 1957 to 2012，runoff of each station shows an increasing trend in dry season，with mean in⁃creased margin of 0．199 per year，especially for runoffs in Wanjiabu station，Meigang station and Hushan station under significance level of 0．1；furthermore，runoff at each station in Poyang Lake watershed has obvious periodic features，with main period of 21a，as well as other notable periods such as 5a，12a，and 28a．This research offers reference for hydraulic construction，ecological environment protection，and rational utilization of water resources in the watershed．

Key words：Poyang Lake；dry season；runoff；Mann⁃Kendall test；wavelet analysis

作者简介：彭 薇（1989－），女，湖北咸宁人，硕士研究生，主要从事水文水资源研究，（电话）15802797349（电子信箱）pengwei1219＠126．com。

收稿日期：2014－12－22；修回日期：2015－01－27

中图分类号：P333

文献标志码：A

文章编号：1001－5485（2016）03－0019－04