 Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2012, 1, 334-339 http://dx.doi.org/10.12677/jwrr.2012.15051 Published Online October 2012 (http://www.hanspub.org/journal/jwrr.html) Characteristics of Runoff Changes over Last 50 Years in the Middle and Lower Reaches of Dongjiang River* Tao Peng1,2, Xiaohon g Ch e n3, Gaoxu Wang2, Ji Liu1, Y inghai Li1 1College of Hydraulic and Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang 2State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 3Department of Water Resources and Environment, Sun Yat-sen University, Guangzhou Email: pengtao306@163.com Received: May 21st, 2012; revised: Jun. 16th, 2012; accepted: Jun. 25th, 2012 Abstract: Based on the monthly runoff data of the Heyuan and Boluo station in the middle and lower reaches of Dongjiang River from 1956 to 2005, changes trend and abrupt changes of runoff variation were analyzed by the methods of linear trend analysis, moving average, moving t-test, Yamamoto and sequential cluster analysis. Some important results were obtained in three aspects as follows: 1) The annual runoff at the He- yuan and Boluo station had an unobvious increase and decrease trend, respectively, and change tendency rate of them were 0.38 × 108 m3/10a and –0.46 × 108 m3/10a, respectively; 2) The spring and winter runoff in the middle and lower reaches of Dongjiang River had an increase trend, while the summer and autumn runoff had an decrease trend, but they did not arrive at α = 0.05 statistically significant level; 3) The annual runoff at the Heyuan station as well as winter runoff at the Heyuan and Boluo station had significant abrupt changes. The abrupt changes of the annual runoff at the Heyuan station occurred in 1972, while winter runoff at the Heyuan and Boluo station had significant abrupt changes in the early 1970s. Keywords: Runoff Changes; Abrupt Changes Analysis; The Middle and Lower Reaches of Dongjiang River 近50 年东江中下游径流时序演变特征* 彭 涛1,2，陈晓宏 3，王高旭 2，刘 冀1，李英海 1 1三峡大学水利与环境学院，宜昌 2南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 3中山大学水资源与环境系，广州 Email: pengtao306@163.com 收稿日期：2012 年5月21 日；修回日期：2012 年6月16日；录用日期：2012 年6月25 日 摘 要：利用东江中下游河源和博罗站 1956~2005 年径流资料，采用线性倾向估计、滑动平均、滑动 t检验、有序聚类等方法，分析东江中下游年、季节径流量的变化趋势和突变特征，结果表明：1) 河 源站和博罗站年径流量分别呈不显著的增加和减少趋势，径流量倾向率分别为 0.38 亿m3/10a、–0.46 亿m3/10a；2) 东江中下游春季和冬季径流量呈现不显著的增加趋势，而夏季和秋季径流量则呈现不显 著的减少趋势；3) 河源站年径流量和河源站、博罗站的冬季径流量发生了明显突变，其中河源站年径 流量突变出现在1972年，而河源站和博罗站冬季径流量突变主要发生在 20 世纪70 年代初。 关键词：径流变化；突变分析；东江中下游 *基金项目：南京水利科学研 究院水文 水资源与水利工 程科学国 家重点实验室开 放基金(2011491711)；国家自然科学基金(50839005; 41101511)；湖北省教育厅自然科学研究项目(Q20121301)；三峡大学人才科研启动基金(KJ2010B029)。 作者简介：彭涛(1973-)，男，湖南保靖人，讲师，博士，主要从事水文水资源及生态水文研究。 Copyright © 2012 Hanspub 334  彭涛，等：近 50 年东江中下游径流时序演变特征 Copyright © 2012 Hanspub 第1卷 · 第5期 335 1. 引言 由于气候变化和剧烈人类活动的影响，河川径流 正发生着显著的变化。河川径流时序演变一直是水文 水资源领域备受关注的科学问题[1,2]。东江流域作为人 类活动极为剧烈的地区，大规模的人类活动必然会引 起水文要素的变化，导致水资源的时空分配和水资源 量的改变[3]，对社会经济可持续发展和流域生态安全 产生重要影响。东江是珠江流域的第三大水系，发源 于江西省寻乌县桠髻钵，上游称寻乌水，南流入广东 境内，至龙川合河坝汇安远水后称东江，经虎门注入 狮子洋，干流全长 562 km，流域面积 35,340 km2。目 前，东江流域内已建成枫树坝、新丰江、白盆珠三大 控制性水库，枫树坝水库以下已建、在建和筹建之中 的梯级电站 14 个。近年来，许多学者对东江流域 径流 演变趋势及周期进行了一些研究[4-7]，分析了气候变化 特别是人类活动对径流的深刻影响，但对于流域径流 量在季节上变化的差异特征和突变分析还不够深入。 基于此，本文对东江中下游1956~2005 年径流变化特 征及突变情况进行较系统的分析与研究，以期深化对 变化环境下东江流域径流演变的科学认识，为流域水 资源的合理利用、生态建设与保护提供参考。 2. 数据与方法 2.1. 数据来源及处理 本文所用水文资料为东江中下游河源站和博罗 站1956~2005 年实测逐月径流量资料，资料全部来源 于广东省水文局。按3~5 月为春季、6~8 月为夏季、 9~11 月为秋季、12 月~翌年2月为冬季进行季节划分， 并对径流量资料按季节进行汇总整理，分别计算河源 和博罗站的年、四季径流量。 2.2. 研究方法 本文采用以下方法分析东江中下游径流序列变 化趋势和突变特征：1) 采用线性倾向估计法和滑动平 均法来描述径流量的变化趋势。线性倾向估计法是建 立径流量与时间之间的一元线性回归方程，线性回归 方程的斜率大于 0，表示径流量随时间呈上升趋势， 反之，表示下降趋势；滑动平均用确定时间序列的平 均值来显示变化趋势[8]。2) 运用滑动 t检验法、 Yamamoto 法和有序聚类法确定径流序列的突变点， 并反映突变点的显著性水平。滑动t检验是通过考察 2组样本平均值的差异是否显著来检验突变[8] ； Yamamoto 法原理与滑动t检验法类似，区别在于它通 过信噪比检验 2组样本平均值的差异是否显著来确定 是否发生突变，形式上比滑动t检验更简单明了[9,10]； 有序聚类分析法推估时间序列可能突变点，其实质就 是推求最优分割点，使同类之间的离差平方和最小， 而不同类之间的离差平方和相对较大[11]。 3. 结果分析 3.1. 东江中下游径流变化的趋势性 趋势是水文序列中的一种暂态成分，它常常不会 以同样的形式出现，其存在破坏了水文序列具有的原 始状态，因此需对这些成分进行识别以排除其对水文 序列的影响。 3.1.1. 径流年际变化趋势 线性倾向估计结果表明，近50 年来东江中下游 河源站和博罗站年径流量分别呈增加趋势和减少趋 势，年径流量倾向率分别为0.38 亿m3/10a、–0.46 亿 m3/10a(图1)。对径流量变化的一次线性倾向方程进行 检验，河源站和博罗站径流量与时间的相关系数均未 通过置信度 α = 0.05显著性水平检验。因此，近 50 年来东江中下游年径流量变化趋势均未达到统计意 义上的显著水平。 5年滑动平均分析结果显示，东江中下游河源站 和博罗站年径流量演变趋势总体一致，均呈现波动式 变化。从 1959 开始年径流量有明显的减少趋势，至 1963 年前后降为最低，后又开始显著上升，直至 1976 年前后；1976~2005 年径流呈现 3次较大的波动，在 1973 年、1983 年、1996年前后达到波峰，在 1980 年、 1989 年前后、2002 年到达波谷，即 1996 年以来年径 流量总体呈持续减少趋势。 总的来看，东江中下游河源站和博罗站年径流量 总体趋势变化不大，河源站总体在波动中呈不显著增 加趋势，而博罗站呈现不显著减少趋势。研究表明， 近50 年来东江流域年平均降雨量呈现不明显增加趋 势，降雨是径流变化的直接驱动因子[12]。同时，快速 城市化造成的不透水面积增加、不合理农业经营造成  彭涛，等：近 50 年东江中下游径流时序演变特征 第1卷 · 第5期 (a) y = 0.038x + 143.89 50 100 150 200 250 300 1956 1966 1976 1986 1996 2006 年份 径流量 /10 8 m 3 径流年际变化 5年滑动平均 线性趋势线 (b) y = -0.046x + 233.73 50 150 250 350 450 1956 1966 1976 1986 1996 2006 年份 径流量 / 108m3 径流年际变化 5年滑动平均 线性趋势线 Figure 1. Inter-annual variation of runoff, linear tendency and 5 years moving average at the Heyuan (a) and Boluo (b) station 图1. 河源站(a)和博罗站(b)径流量年际变化、线性趋势和5年滑动平均 的植被覆盖率下降以及流域经济迅猛发展使得河道 外用水量剧增等因素，也是导致年径流量变化的重要 原因[3]。 3.1.2. 径流季节变化趋势 为了反映径流变化的全貌，对东江中下游径流序 列资料进行春、夏、秋、冬四季的径流倾向率分析(表 1)。结果表明，河源站和博罗站春季和冬季径流量都 呈增加趋势，夏季和秋季径流量均呈减少趋势，其中 冬季径流变化倾向率分别达0.593 亿m3/10a、0.630 亿m3/10a，夏季径流量倾向率分别为–0.412 亿m3/10a、 –1.011 亿m3/10a，博罗站四季径流量变幅要大于河源 站。东江流域三大控制性水库总库容达 170.6 亿m3， 水库汛期拦蓄洪水，并在枯水期加大泄水以满足下游 河流生态和城市供水需求，这应该是夏季径流大幅减 少和冬季径流大幅增加的主要原因之一。对四季径流 变化的线性倾向方程的相关系数进行检验，|r|均小于 r0.05，表明四季径流量的增加或减少趋势均未达到 95%信度水平。 3.1.3. 径流年代际变化趋势 20 世纪 60 年代，东江中下游径流量相对偏枯， 70 年代以后径流量呈持续增加趋势，80 年代增幅达 到高峰，90年代以后，年径流量减幅明显，特别是进 入21 世纪后，径流量大幅减少(表2)。20 世纪 90 年 代以后东江流域人类活动强度加剧，特别是河道外取 水量剧增导致年径流量减少。从径流年代际变化空间 分异特征来看，在20世纪 50 年代博罗站径流量年代 际变化相对较大，而 80 年代至90 年代河源站变幅较 大，进入21世纪以来，则博罗站径流量减幅更大。 3.2. 东江中下游径流变化的突变性 3.2.1. 径流年际突变特征 为避免滑动 t检验法任意选择子序列长度造成突 变点的漂移，变动子序列长度进行分析比较，提高计 算结果的可靠性。此处，n = 50，分别取两子序列长 度n1 = n2 = 5，n1 = n2 = 10，给定显著性水平 α = 0.01， 计算 t统计量序列(图2)。经过滑动t检验，当子序列 长度取 5时，河源站和博罗站的年径流量分别在 1972 年和 1995 年出现了突变，均通过了 α = 0.01 的信度水 平检验(图2(a1)和图 2(b1))；当子序列长度取 10时， 河源站的年径流量在 1971~1974 年发生了突变，超过 99%的信度水平(图2(a2))，而博罗站的年径流量未检 测到信度水平超过 99%的突变点(图2(b2))。 根据 Yamamoto 法绘制两站信噪比 S/N序列变化 趋势图(图3)。从图 3可以看出，当n1 = n2 = 5 时，河 源站在 1972 年、1973 年和1985 年出现了超过 99%的 信度水平的突 变(图3(a1))，S/N 值达到了 1.39、1.09 和 1.14；当 n1 = n2 = 10 时，河源站在 1972 年达到 99%的 信度水平的突变(图3(a2))，博罗站在 2个子序列时段 均未检测出统计意义上的突变现象(图3(b1)和图 3(b2))。 为了确认突变点的真伪，增强突变分析结果的可 信度，进一步采用有序聚类法对径流时间序列进行突 变检验。利用有序聚类分析方法计算得到年径流序列 的离差平方和Sn(τ)，绘制 Sn(τ)随时间变化的曲线(图 4)。河源站径流序列的Sn(τ)曲线在1973 年达到最低 点(图4(a))，即 1973 年为最有可能的突变点。秩和检 验结果显示，1973 年突变点超过 α = 0.05显著性水平， 突变成分显著。然后以 1973 年为界，对 1956~1 973 年和 1974~2006 年序列分段进行了检测，均未达到 α = Copyright © 2012 Hanspub 336  彭涛，等：近 50 年东江中下游径流时序演变特征 第1卷 · 第5期 0.05 显著性水平。博罗站 Sn(τ)曲线在 2002 年达到最 低点(图4(b))，对以 2002 年为分割点前后序列检验， 未能通过α = 0.05 显著性水平，故认为博罗站年径流 量没有发生统计意义上的突变。 3.2.2. 径流季节突变特征 采用滑动t检验法、Yamamoto 法和有序聚类法对 河源站、博罗站四季径流序列进行突变检验，如表 3 所示。滑动 t检验法(n = 10)、Yamamoto 法(n = 5)均检 出河源站春季径流量在1972 年发生了突变，通过了 α = 0.01信度检验。3种方法均未检出博罗站春季径流 量发生突变情况；河源站夏季径流量未检出统计意义 上的突变现象。Yamamoto 法(n = 5)检验出博罗站夏季 径流量在 1986 年发生了突变，而有序聚类法检出突 变发生在 1978年；滑动 t检验法和Yamamoto 法(n = 5) 均检出河源站秋季径流量在1985 年存在突变，而有 序聚类法未检出该站秋季径流量存在突变现象。除 Yamamoto 法(n = 5)检出博罗站秋季径流量在 1985 年 发生突变外，其他方法均未检出该站秋季径流量存在 突变点；3种方法均检出河源站和博罗站冬季径流量 1973 年发生了突变，超过了 99%置信度水平。 在 Table 1. Change tendency rate of seasonal runoff at the Heyuan and Boluo stations (unit: 108 m3/10a) 表1. 河源站和博罗站四季径流量线性倾向率(单位：108 m3/10a) 站名 春季 夏季 秋季 冬季 河源站 0.249 –0.412 –0.049 0.593 博罗站 0.298 –1.011 –0.371 0.630 Table 2. Annual average runoff anomaly of different decades at the Heyuan and Boluo stations (unit: 108 m3) 表2. 河源站和博罗站不同年代平均径流量距平值(单位：108 m3) 站名 1956~1959 1960~1969 1970~1979 1980~1989 1990~1999 2000~2005 河源站 2.302 –22.283 10.506 19.581 4.373 –21.831 博罗站 9.360 –15.764 12.453 15.312 3.059 –31.338 (a1) n 1 =n 2 =5 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 1960 19651970 1975 1980 19851990 1995 2000 年份 滑动t统计量 (a2) n 1 =n 2 =10 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 1965 1970 19751980 1985 1990 1995 年份 滑动t统计量 (b1) n 1 =n 2 =5 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 1960 19651970 19751980 19851990 19952000 年份 滑动t统计量 (b2) n 1 =n 2 =1 0 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 1965 1970 19751980 1985 1990 1995 年份 滑动t统计量 Figure 2. The moving t-test for annual runoff abrupt changes at the Heyuan (a1, a2) and Boluo (b1, b2) stations 图2. 河源站(a1、a2)和博罗站(b1、b2)年径流量滑动t突变检验 Copyright © 2012 Hanspub 337  彭涛，等：近 50 年东江中下游径流时序演变特征 第1卷 · 第5期 (a1) n 1 =n 2 =5 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 1960 19651970 1975 19801985 19901995 2000 年份 S / N (a2) n 1 =n 2 =10 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 年份 S / N (b1) n 1 =n 2 =5 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1960 1965 1970 1975 19801985 1990 1995 2000 年份 S / N (b2) n 1 =n 2 =10 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1965 19701975 1980 19851990 1995 年份 S / N Figure 3. Annual runoff abrupt changes detected by using Yamamoto method at the Heyuan (a1, a2) and Boluo (b1, b2) stations 图3. 河源站(a1、a2)和博罗站(b1、b2)年径流量 Yamamoto法突变检验 (a) 750000 850000 950000 1050000 1150000 1956 19661976 19861996 2006 年份 Sn (τ) (b) 1800000 1950000 2100000 2250000 2400000 1956 1966197619861996 2006 年份 Sn (τ) Figure 4. Annual runoff abrupt changes detected by using sequential cluster method at the Heyuan (a) and Boluo (b) stations 图4. 河源站(a)和博罗(b)年径流量有序聚类法突变检验 Table 3. Seasonal runoff abrupt changes detected by using moving t-test, yamamoto and sequential cluster analysis method 表3. 滑动t检验法、Yamamoto 法和有序聚类法检测出的四季径流量突变点 滑动 t检验法 Yamamoto法 时间 站名 n = 5 n = 10 n = 5 n = 10 有序聚类法 河源站 1971~1972 1972 1985 春季 博罗站 河源站 夏季 博罗站 1986 1978 河源站 1985 1972~1974、1984~1985 1985 秋季 博罗站 1985 河源站 1973、1985~1986、 1991~1992、1998 1968、1971~1974、 1985 1972~1973、1985~1986、 1991~1993、1998 1972~1974 1973 冬季 博罗站 1973、1991~1992 1968~1969、 1971~1974 1973、1985、 1991~1993、1998 1968 1973 注：表中突变点均通过99%的信度水平。 Copyright © 2012 Hanspub 338  彭涛，等：近 50 年东江中下游径流时序演变特征 Copyright © 2012 Hanspub 第1卷 · 第5期 339 综上所述，对比滑动t检验、Yamamoto 法和有序 聚类法突变检验结果发现，上述方法确定的径流突变 年份部分是相吻合。经综合分析，将河源站年径流的 突变点确定为 1972年，而博罗站年径流未发生显著的 突变现象，这与谭莹莹等[6]研究结果基本相符。四季 径流量以冬季突变点最为显著，突变点主要集中在 20 世纪 70 年代初。从站点来看，河源站季节径流量突变 点相比博罗站要多，这可能与河源站径流序列受新丰 江水库调蓄显著影响有关，而博罗站地处东江下游河 口三角洲，距离流域三大控制性水库较远，受水利工 程调蓄影响程度下降，季节突变成分不太明显[13]。 4. 结论 本文利用线性倾向估计、5年滑动平均、滑动 t 检验、有序聚类等方法，对东江中下游 1956~2005 年 径流的变化趋势和突变特征进行了分析，得到以下结 论： 1) 东江中下游河源站和博罗站年径流量分别呈 现增加趋势和减少趋势，但都未达到 a = 0.05 显著性 水平，径流量倾向率分别为0.38 亿m3/10a、–0.46 亿 m3/10a，20 世纪 90年代后期以后均表现为持续减少 的趋势。 2) 河源站和博罗站春季和冬季径流量都呈现增 加趋势，其中冬季径流变化倾向率分别达 0.593 亿 m3/10a、0.630亿m3/10a；河源站和博罗站夏季和秋季 径流量均呈减少趋势，其中夏季径流量倾向率分别为 –0.412 亿m3/10a、–1.011 亿m3/10a，但这些变化趋势 均未达到统计意义上的显著性水平。 3) 河源站年径流量和河源站、博罗站的冬季径流 量发生了明显突变，其中河源站年径流量突变出现在 1972 年左右，而河源站和博罗站冬季径流量突变主要 发生在 20 世纪70 年代初。 4) 对于年、季节径流量突变点的检测结果表明， 采用不同检测方法得到的结果会存在一定差异，而且 每种检测方法都有其不足之处。因此，要准确地确定 径流序列的突变点，最好使用多种方法进行比较，并 联系河川径流变化的物理成因来共同确定。 参考文献 (References) [ 1] BIRSAN, M.-V., MOLNAR, P., BURLANDO, P., et al. 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