海河水系降水與徑流趨勢變化及突變分析

馬 穎，張松濤

（海河水利委員會海河下游管理局，天津 300061）

海河流域地處華北地區(qū)，是我國重要的政治、經(jīng)濟、文化、科技、工業(yè)和農(nóng)業(yè)集中分布區(qū)，大中城市眾多。流域總?cè)丝?.37億，占全國的10%。2008年，海河流域GDP達3.95萬億元，占全國的13%；人均GDP達2.88萬元，超過全國平均水平27.4%。海河流域是我國重要的糧食、燃料工業(yè)和高新技術產(chǎn)業(yè)基地。近年來，以電子信息、生物技術、新能源、新材料為代表的高新技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速以及天津濱海新區(qū)的開發(fā)開放，使海河流域成為我國新的經(jīng)濟增長極。

流域經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，對水利基礎支撐提出了新的更高的要求。華北地區(qū)，水文循環(huán)機理比較復雜，它不僅與陸地表層系統(tǒng)中各種自然地理要素時空分布密切相關，而且與農(nóng)業(yè)開發(fā)、都市化等土地利用／土地覆蓋植被直接相聯(lián)。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，人類活動加劇，改變了水循環(huán)自然變化的空間格局和過程，加劇了水資源形成與變化的復雜性。海河流域的徑流特性發(fā)生了變化，水資源短缺日益凸現(xiàn)，在一定程度上影響了社會的良性發(fā)展。開展自然變化和人類活動影響下的水循環(huán)及水資源安全研究，具有十分重要的科學意義和研究價值[1]。

筆者選取海河流域中的海河水系作為研究對象，按其北、南系的劃分，對其近幾十年來的降水量、徑流量的長期變化趨勢進行分析，并尋找突變點，尋求解決水資源緊缺的新的突破點。該內(nèi)容是研究變化環(huán)境下的水文循環(huán)的主要內(nèi)容之一，對合理規(guī)劃流域水資源、保護流域水土環(huán)境具有一定的意義。

1 研究區(qū)域概況

海河流域位于東經(jīng)112～120°、北緯35～43°之間，處于干旱半干旱區(qū)。流域東鄰渤海，西倚太行，南界黃河，北接蒙古高原。流域面積31.8萬km2，由海河、灤河、徒駭馬頰河水系組成。其中，海河水系是其主要水系，流域面積23.4萬km2，由北系的薊運河、潮白河、北運河、永定河和南系的大清河、子牙河、漳衛(wèi)河組成。

流域?qū)儆跍貛|亞季風氣候區(qū)，屬半濕潤半干旱地帶。春季受蒙古大陸性氣團影響，往往形成干旱天氣；夏季受太平洋副熱帶高壓影響，降雨量多，且多暴雨，但降雨量的變差很大，旱澇時有發(fā)生；秋、冬季降水較少。流域多年平均降水量為 535 mm（1956—2007年降水系列），海河水系多年平均降水量為512 mm（1956—2007年降水系列），其中海河北系多年平均降水量為482 mm、海河南系為543 mm。

流域水資源總量為370億m3，人均占有量272 m3，僅為全國平均水平的1/8、世界平均水平的1/24。流域以不足全國1.3%的水資源量，承擔著全國10%的人口、12%的糧食生產(chǎn)以及13%的GDP用水，水資源承載能力嚴重不足，供需矛盾非常突出。

2 研究方法和對象

2.1 分析途徑

通過對降雨徑流變化趨勢的對比分析，來確定氣候因素和人類活動的影響[2]。若降雨、徑流同步變化，說明流域內(nèi)降雨徑流關系保持較好，下墊面的一致性也未遭到嚴重的破壞，產(chǎn)匯流機制總體上沒有明顯的變化，氣候因素在對水文氣象要素的影響中占主導地位；如果它們的變化不同步，則說明降雨徑流關系遭到了破壞，下墊面的影響或者人類活動的影響是顯著的，即人類活動的影響占了主導地位。

2.2 資料

分別選用海河南系和海河北系1956—2000年的降水和年徑流資料，借助Mann-Kendall（M-K）趨勢及突變檢驗方法對這些時間序列進行趨勢和突變分析。

2.3 分析方法

趨勢是指在一段時間參數(shù)變化的方向（上升、下降或橫向延伸）。突變是自然界一種正常的現(xiàn)象，即描述某自然現(xiàn)象的時間系列從一種穩(wěn)定態(tài) （或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢）跳躍式地轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定態(tài)（或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢），它表現(xiàn)為該系列正處在從一個統(tǒng)計特征到另一個統(tǒng)計特征的急劇變化中[3，4]。

筆者采用Mann-Kendall（M-K）非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法和Z統(tǒng)計量檢驗法，基于秩的M-K非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法常用來預測如水質(zhì)、徑流、溫度、降水等水文氣象時間序列資料的長期變化趨勢[5]，對海河水系的徑流量及降水量資料序列進行趨勢分析及突變檢驗。

假設有一時間序列為X1，X2，X3，…，Xn，所以其趨勢檢驗統(tǒng)計量公式是：

其中，sign（）為符號函數(shù)。當Xi-Xj小于、等于或大于零時，sign（Xi-Xj）分別為-1、0或1。

若M-K統(tǒng)計量公式S分別大于、等于、小于零時，則有：

其中，Z為正值表示增加趨勢，負值表示減少趨勢。｜Z｜≥1.28、1.64、2.32時表示分別通過了信度90%、95%、99%顯著性檢驗。

dk均值以及方差定義如下：

在時間序列隨機獨立假定下，定義統(tǒng)計量為：

這里UFk呈標準正態(tài)分布，給定一顯著性水平a0，查正態(tài)分布表得到臨界值t0。當｜UFk｜＞｜t0｜時，表明序列存在一個明顯的增長或減少趨勢，所有UFk將組成一條曲線C1，通過信度檢驗可知其是否具有明顯的變化趨勢。

把以上方法應用到反序列中，重復上述計算過程，并使計算值乘以-1，得出UBk。UBk在圖中表示為C2，若C1和C2的交點位于信度線之間，則此點可能就是突變點的開始[6]。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 降水、徑流趨勢分析

趨勢反映了降水、徑流演變的總體規(guī)律。

首先，應用非參數(shù)M-K檢驗法對海河南系和海河北系的降水量、徑流量年序列進行變化趨勢的顯著性檢驗，得到各要素的趨勢統(tǒng)計結(jié)果見表1。

從表1和圖1-2中可以看出，降水與徑流量具有相同的變化趨勢，均呈減少趨勢。與整個流域相比，海河水系的降水及徑流變化趨勢更為明顯。海河流域近年來水量持續(xù)的減少主要是由于降水量的減少引起的。其中，海河南系徑流量的下降幅度較降水量更為明顯。從圖2可以看出，海河南系徑流量5年滑動平均與多年平均值偏離得更遠，說明人類活動起到了一定影響作用。

表1 降水、徑流量趨勢統(tǒng)計結(jié)果

圖1 海河北系降雨徑流序列變化過程

雖然降水量與徑流量均呈減少趨勢，但徑流量的年際間變化更為明顯。從表2中可以看到，徑流量的Cv值明顯大于降水量的Cv值，特別是海河南系的變化尤為明顯，水量最豐的1963年與最枯的1999年徑流量比值為7.76、降水量比值僅為2.16；海河北系水量最豐的1959年與最枯的1999年的兩個比值（徑流量、降水量）分別為6.35和2.17。從圖1-2中也可以發(fā)現(xiàn)，降水與徑流的變化雖然同步，但是徑流的變化幅度更大，與均值偏離得更遠。

圖2 海河南系降雨徑流序列變化過程

表2 降水、徑流量離散系數(shù)

3.2 降水、徑流量突變分析

利用M－K檢驗突變分析研究了海河北系和南系的降水、徑流變化趨勢。圖3—4表明海河北系降水、徑流突變起始時間發(fā)生在1959年，并且通過了置信度為95%的顯著性檢驗。圖5—6表明海河南系的降水和徑流突變分別起始于1964和1967年，并且通過了置信度為95%的顯著性檢驗。即從海河北系和海河南系發(fā)生1956和1963年大水后，海河水系降水和徑流就轉(zhuǎn)入減少趨勢。這與海河水系降水、徑流趨勢檢驗的結(jié)果相一致。同時，可以看出降水和徑流突變基本同步，說明海河水系徑流變化的主要影響因素是降水量。

圖3 海河北系年降水量M－K突變檢驗

4 結(jié)論

通過對海河水系降水和徑流的變化趨勢及突變分析表明，海河水系降水和徑流從20世紀50年代以來均呈減少趨勢，比較而言徑流量的變化幅度更為明顯。海河北系與海河南系降水、徑流轉(zhuǎn)入減少趨勢分別開始于20世紀50年代末和60年代中期，具有比較好的同步性。海河流域徑流減少的主要影響因素是降水量的減少，同時人類活動也產(chǎn)生了一定的影響作用。

圖4 海河北系年徑流量M－K突變檢驗

圖5 海河南系年降水量M－K突變檢驗

圖6 海河南系年徑流量M－K突變檢驗

[1]夏軍，談戈.全球變化與水文科學新的進展與挑戰(zhàn)[J].資源科學，2002，24（3）：1-7.

[2]秦毅.黃河上游主要干支流降水、徑流近期統(tǒng)計特性變化分析 [A].黃河源區(qū)徑流及生態(tài)變化研討會專家論壇[C].鄭州：黃河水利委員會，2004.

[3]符宗斌，王強.氣候突變的定義和檢驗方法[J].大氣科學，1992，16（4）：483-493.

[4]魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計診斷與預測技術[M].北京：氣象出版社，1999.

[5]黃振平.水文統(tǒng)計學[M].南京：河海大學出版社，2003.

[6]KendallMG.RankCorrelationMethods[M].London：Griffin，1975.