桑干河流域徑流年際變化規(guī)律

赫振平,趙 春,2

(1.山西省大同市冊(cè)田水庫(kù)管理局,山西大同 037300;2.山西省水文水資源勘測(cè)局大同水文分局冊(cè)田水文站,山西大同037300)

桑干河流域徑流年際變化規(guī)律

赫振平1,趙 春1,2

(1.山西省大同市冊(cè)田水庫(kù)管理局,山西大同 037300;2.山西省水文水資源勘測(cè)局大同水文分局冊(cè)田水文站,山西大同037300)

采用滑動(dòng)平均法、變差系數(shù)法、差積曲線-秩檢驗(yàn)聯(lián)合法、Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)等方法,對(duì)桑干河流域冊(cè)田站1956—2005年徑流年際變化規(guī)律進(jìn)行分析。結(jié)果表明,該流域天然年徑流量呈周期性顯著減小趨勢(shì),年際變幅也顯著減小。研究為流域內(nèi)水資源的規(guī)劃利用以及防洪安全管理提供有價(jià)值的資料。

桑干河流域;徑流量;年際變化;Mann-Kendall檢驗(yàn)法;差積曲線;秩檢驗(yàn)法

由于全球變暖、氣候變遷以及人類(lèi)活動(dòng)等因素影響,地球作為一個(gè)整體平衡的水循環(huán)系統(tǒng)正在發(fā)生較大變化,對(duì)局地性氣候影響十分顯著。我國(guó)河川徑流年內(nèi)、年際分布特征也發(fā)生了明顯改變。水資源的規(guī)劃與利用關(guān)系到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城市生活以及跨流域輸水等事關(guān)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展問(wèn)題,其中水文的中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)在水資源的規(guī)劃利用中占有十分重要的位置,聯(lián)合國(guó)在1997年《對(duì)世界淡水資源的全面評(píng)價(jià)》報(bào)告中就已經(jīng)指出:“缺水問(wèn)題將嚴(yán)重地制約21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展,并可能導(dǎo)致國(guó)家間的沖突”[1],因此對(duì)河川徑流變化規(guī)律的研究尤為重要。

筆者采用滑動(dòng)平均法、變差系數(shù)法、差積曲線-秩檢驗(yàn)聯(lián)合法、Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法等方法,對(duì)桑干河流域徑流年際變化規(guī)律進(jìn)行研究,以期得出較為準(zhǔn)確的水文規(guī)律特征,對(duì)流域的徑流規(guī)律有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí),為流域內(nèi)水資源的規(guī)劃利用以及防洪安全提供有價(jià)值的資料。

1 流域概況

桑干河流域隸屬于海河流域,屬高原溫帶半濕潤(rùn)、半干旱大陸性季風(fēng)氣候,具有水資源總量少、降水時(shí)空分布不均,經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)枯水年和水資源量明顯減少的特點(diǎn)。受地理位置、地形、地貌等自然條件的制約,該區(qū)的降雨成因十分復(fù)雜,有天氣系統(tǒng)的因素,也有地形、地貌及人類(lèi)活動(dòng)等的影響,其中天氣系統(tǒng)的影響占主導(dǎo)地位,對(duì)流域年際徑流量影響關(guān)系十分復(fù)雜[2-3]。

研究流域大部分位于山西省境內(nèi),其中冊(cè)田站是桑干河中游的一座控制性水文站,流域面積1.67萬(wàn)km2,河長(zhǎng)241km。筆者主要應(yīng)用桑干河冊(cè)田水文站1956—2005年共50年的天然年徑流序列資料,對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水、水量蒸發(fā)、滲漏損失以及向北京市輸水等進(jìn)行水量平衡還原后,采用下述幾種方法,對(duì)該流域徑流的年際變化規(guī)律特征進(jìn)行研究。

2 主要研究方法

2.1 滑動(dòng)平均法

滑動(dòng)平均法,一般是通過(guò)5a或10a滑動(dòng)平均,部分消除研究序列的波動(dòng)影響,能夠較直觀地分析一個(gè)時(shí)間序列在某一時(shí)間段內(nèi)變化的整體趨勢(shì)與局部特征。因?yàn)樘?yáng)黑子周期約為11 a,筆者取滑動(dòng)長(zhǎng)度為5a與11 a,擬從中發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律,滑動(dòng)平均表達(dá)式如下:

2.2 年際變幅與年際極值比法

徑流多年變化的趨勢(shì)與幅度,可用徑流的年際變幅或年際極值比來(lái)反映[4],通常用年徑流變差系數(shù)Cv與年極值比Cm來(lái)表示:

式中:Ki為年徑流變率;n為觀測(cè)年數(shù);Qi為年徑流量;Q0為平均徑流量;Qmax、Qmin分別為研究時(shí)段內(nèi)徑流的極大值與極小值。

2.3 Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法

Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法,非參數(shù)檢驗(yàn)方法也稱(chēng)為無(wú)分布檢驗(yàn),其優(yōu)點(diǎn)是:不需要樣本遵從一定的分布,也不受少數(shù)異常值的干擾,更適用于類(lèi)型變量和順序變量。一般取檢驗(yàn)置信水平α=0.05,其原理與計(jì)算方法可見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。

2.4 差積曲線-秩檢驗(yàn)聯(lián)合識(shí)別法[6]

差積曲線又稱(chēng)為累積距平曲線,通過(guò)對(duì)累積距平曲線分析可以劃分變化的階段性。在水文研究中一般被用于劃分徑流的豐水期、枯水期和平水期。差積曲線上升表示豐水期;下降表示枯水期;沒(méi)有明顯的變化則表示平水期,其表達(dá)式為:

式中:pi∈(p1,p2,…,pn);是序列pi∈(p1,p2,…,pn)的均值;n是序列的長(zhǎng)度;pt是前t項(xiàng)之和;i∈(1,t);t∈(1,n)。

秩檢驗(yàn)是將1個(gè)序列(y1,y2,…,yn)分成了(y1,y2,…,yr)和(yr+1,yr+2,…,yn)2個(gè)序列,其中序列中樣本個(gè)數(shù)小者為n1,較大者為n2,即n1＜n2,再由n1、n2得出秩統(tǒng)計(jì)量U:

式中:W為n1中各數(shù)值的秩之和,即將原序列(y1,y2,…,yn)按從小到大排序,然后把序列(y1,y2,…,yr)在原序列對(duì)應(yīng)的秩相加就可以得到W值。若表明變異點(diǎn)顯著。

3 徑流分析

徑流年際變化分析是對(duì)徑流的多年變化規(guī)律的研究,一般指年際間的變化趨勢(shì)、變化幅度以及多年變化過(guò)程,而多年變化包括年徑流豐、平、枯水的特征及其循環(huán)等[4]。

3.1 徑流年際整體趨勢(shì)特征

冊(cè)田站1956—2005年天然年徑流變化過(guò)程與徑流量5a、11a滑動(dòng)平均如圖1、圖2。

圖1 1956～2005年冊(cè)田站天然年徑流變化過(guò)程

圖2 徑流量5a、11a滑動(dòng)平均值

圖2中,天然徑流變化5a和11a 2組滑動(dòng)平均曲線表明,年徑流量呈逐年減少趨勢(shì)。年徑流量變化10 a遞減率分別為:9.39%、-4.73%、20.63%、6.21%,僅在1976—1985年間局部上升(見(jiàn)表1)。

表1 不同時(shí)段徑流變化情況

5a滑動(dòng)平均變幅大,表明天然年徑流量呈周期性減少趨勢(shì),周期約為9～14a,線性回歸相關(guān)性不明顯。

11a滑動(dòng)平均回歸曲線相關(guān)指數(shù)R=0.91,在N1=40或N2=11時(shí),R均大于顯著性水平α=0.001下的相關(guān)系數(shù)臨界值R0.001N1-2=0.501和R0.001N2-2=0.847,相關(guān)性特別顯著[7],說(shuō)明平均徑流量下降趨勢(shì)明顯。

由M-K值分析可知,1956—2005年M-K值均為負(fù)數(shù),表明桑干河流域從1956年以來(lái)年徑流量一直呈下降趨勢(shì)(表1)。

3.2 徑流年際局部特征分析

3.2.1 徑流量突變點(diǎn)檢驗(yàn)

冊(cè)田站天然徑流系列M-K值變化過(guò)程見(jiàn)圖3,年徑流變差系數(shù)變化過(guò)程見(jiàn)圖4,年徑流累積距平曲線見(jiàn)圖5。分析這3圖,認(rèn)為可能存在3個(gè)變異點(diǎn),即 1969、1975 和 1983年 。

圖3 冊(cè)田站天然徑流系列M-K值變化過(guò)程

圖4 年徑流變差系數(shù)(Cv)變化過(guò)程

統(tǒng)計(jì)量UFk和UBk曲線的交點(diǎn)為1983年,位于給定置信區(qū)界限U0.05=±1.96以?xún)?nèi),說(shuō)明年徑流量在1983年發(fā)生了突變,徑流量呈下降趨勢(shì),至1987年UFk,曲線整體突破 α=0.05置信區(qū)間,1983年前后平均徑流量變率達(dá)33%,遞減率達(dá)24.5%,反映出年徑流量減小趨勢(shì)十分明顯(表2)。

圖5 徑流累積距平曲線

表2 徑流量突變點(diǎn)檢驗(yàn)

3.2.2 變差系數(shù)變異點(diǎn)檢驗(yàn)

由圖4可知,Cv以1969年為分界較為明顯。1969年前v=0.37,之后v=0.17,降低113%;5aCv的M-K值 1969年前平均為 -0.12,之后為-3.78,超出α=0.05置信區(qū)間較大,表明徑流變化幅度從1969年開(kāi)始變小,幅度較大(表3)。

表3 1969年前后年徑流系數(shù) Cv對(duì)比

3.2.3 徑流豐、枯周期變化

由圖5可知,1956—1969年、1976—1983年為豐水期;1970—1975年、1984—2005年為枯水期,周期為9～14a。M-K檢驗(yàn)表明,徑流量只在1983后才呈現(xiàn)出顯著性(見(jiàn)表2),而1983年前的豐水期只是在天然年徑流量整體下降情勢(shì)下的相對(duì)豐水。

4 結(jié) 論

a.該流域的徑流變化從整體上來(lái)說(shuō),天然年徑流量呈逐年減少趨勢(shì),減少趨勢(shì)較大,11a滑動(dòng)平均回歸曲線相關(guān)指數(shù)R達(dá)0.91,相關(guān)呈顯著性水平。

b.年際徑流特征存在1969年與1983年2個(gè)變異點(diǎn)。其中,1969年主要是年際變差系數(shù)Cv開(kāi)始減小,減小幅度較大,表明徑流年際間的變幅趨于平穩(wěn)發(fā)展;1983年是年徑流量突變點(diǎn),1983年前后徑流量下降率達(dá)到24.5%,至1987年天然年徑流量突破α=0.05置信水平,呈現(xiàn)出顯著性減少趨勢(shì)。這也從一個(gè)側(cè)面印證了“近百年來(lái),中國(guó)氣溫增暖的突變點(diǎn)在1987年,從1987年我國(guó)才開(kāi)始出現(xiàn)明顯增暖突變(全球突變點(diǎn)是1979年)”這一結(jié)論[8]。

c.5a徑流量滑動(dòng)平均與累積距平曲線均反映出一定的周期性變化規(guī)律,周期約為9～14a,而其他資料的研究表明,海河流域徑流周期約為35a(18 a枯,17 a豐)[4],因本次資料序列較短,未能進(jìn)行更深研究。

河川徑流的變化可以反映出氣候變化,但是同時(shí)也受到其他諸如地理位置、流域面積大小、植被情況、人類(lèi)活動(dòng)等因素影響,關(guān)系比較復(fù)雜,僅通過(guò)有限、局域、短期、單一的指標(biāo)對(duì)整個(gè)流域長(zhǎng)期的規(guī)律進(jìn)行研究,并不能作出較大區(qū)域乃至全球性氣候變化的結(jié)論。海河流域作為我國(guó)水資源對(duì)氣候變化最為脆弱的流域之首[9],有必要采用更多的資料對(duì)整個(gè)流域的水文特征作進(jìn)一步研究。

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[3]王林旺.山西省暴雨成因及時(shí)空分布研究[J].中國(guó)水利,2003(12):34-36.

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Study on interannual variation of runoff in Sanggan River Basin

HE Zhen-ping1,Zhao Chun1,2
(1.Cetian Reservoir Administration Bureau of Shanxi Province,Datong 037300,China;2.Cetian Hydrometric Station,Datong Branch of Hydrology and Water ResourcesSurvey Bureau of Shanxi Province,Datong 037300,China)

The interannual variation law of runoff was analyzed for the runoff data from 1956 to 2005 in Cetian hydrometric station using the moving average method,the coefficient of variation method,the combination of residual mass curve and rank test,and Mann-Kendall statistical test.The results showed that the natural annual runoff had the reducing trend periodically and significantly,and the inter-annual variation significantly reduced.This study provided valuable information for water resources planning and utilization and flood safety administration in the Sanggan River Basin.

Sanggan River Basin;runoff;interannual variation;Mann-Kendall test;residual mass curve;rank test

P333

A

1004-6933(2011)03-0054-04

10.3969/j.issn.1004-6933.2011.03.013

赫振平(1972—),男,山西陽(yáng)高人,工程師,主要從事水利工程建設(shè)與管理工作。E-mail:hzp40@hotmail.com

(收稿日期:2010-05-28 編輯:徐 娟)