瀑河流域降水徑流趨勢分析

王 紅

（河北省承德水文勘測研究中心，河北 承德 067000）

河川徑流量是進行水資源優(yōu)化配置、 水量分配及合理開發(fā)利用的重要依據(jù)，近年來，在氣候條件和人類活動的共同影響下， 洪澇和干旱災害交替頻繁發(fā)生， 對流域經(jīng)濟社會發(fā)展和水安全構成了嚴重威脅［1］。降水徑流序列的改變，會影響水文序列的一致性。 如果水文預報繼續(xù)使用以一致性樣本為基礎的預測及分析方法，會對水利工程設計造成影響。徐宗學等［2］利用M-K 檢驗法，分析了海河全流域及二級區(qū)的降水及地表徑流數(shù)據(jù)的變化趨勢， 得到其時空分布特征。張文［3］對蟻螞吐河流域的降水徑流關系變化進行分析，結果表明，汛期降水量減少、流域植被變化及水土保持工程的增加導致下墊面條件改變，降水徑流關系發(fā)生變化。

這些研究中，降水徑流的趨勢研究較為成熟，但針對瀑河流域的研究還是空白。 本文對瀑河流域降水徑流趨勢進行分析， 為今后流域水文水資源的合理開發(fā)利用、水文預報精準化、流域內橡膠壩的防洪調度提供依據(jù)。

1 流域概況

1.1 地理位置

瀑河屬于灤河的一級支流， 其主流發(fā)源于平泉縣臥龍鎮(zhèn)石拉哈溝川的安杖子村， 支流發(fā)源于臥龍鎮(zhèn)瓦房店村，兩流匯合后向南流入平泉市城區(qū)，與發(fā)源于王土房鄉(xiāng)車輪橋村七老圖山南麓的支源匯合，構成了瀑河上游， 流經(jīng)寬城縣境內， 此段為瀑河中游，寬城以下為其下游，在寬城滿族自治縣塌山鄉(xiāng)境內匯入干流灤河潘家口水庫。

1.2 水文氣象

瀑河流域氣候屬于暖溫帶半濕潤、 半干旱的大陸性季風性燕山山地氣候， 多年平均氣溫8～10 ℃，多年平均降水量662.2 mm， 降雨主要集中在汛期的6—9 月份，占全年降水總量的70%～80%，其中主汛期7、8 兩個月降雨量約占全年降水量的60%。

2 研究數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本次研究收集了上游平泉水文站和下游寬城水文站1960—2018 年共59 年的實測年徑流量序列，以及流域內6 個主要控制雨量站的降水量數(shù)據(jù)，分別為沙坨子、平泉、南五十家子、黨壩、寬城、大桑園。流域面雨量采用算數(shù)平均法法計算得出。

2.2 研究方法

2.2.1 滑動平均法

滑動平均法是根據(jù)時間序列資料逐項推移，依次計算一定時間內序列的平均值來反應長期的趨勢，弱化徑流序列中一些短期的不規(guī)則變化，發(fā)現(xiàn)較長時間的變化趨勢。計算公式為：

式中y^t為t 點的滑動平均值；l 為單側平滑時距，當l等于1，2…t 時， y^t分別對應3 點滑動平均y^3，5 點滑動平均y^5，2t+1 點滑動平均y^2t+1， 若l=2 則稱為5 點滑動平均。

2.2.2 線性趨勢回歸法

線性趨勢回歸分析法能直觀反映出序列變化，常用于水文序列的分析中。假設水文序列包括趨勢性成分Pt和隨機性成分εt，那么變量Xt可表示為：

式中a 為常數(shù)；b1，b2……bn為回歸系數(shù)。

2.2.3 Mann-Kendall 檢驗法

Mann-Kendall 檢驗法是一種非參數(shù)的檢驗方法，能有效提取序列的趨勢變化，其優(yōu)點是樣本不需遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，檢驗范圍較為廣泛，計算方便［4-5］。

2.2.4 雙累積曲線法

雙累積曲線法是目前廣泛應用于水文氣象要素一致性或長期演變趨勢分析的一種方法， 可根據(jù)斜率變化程度，判斷趨勢性變化強弱。拐點出現(xiàn)的時間點即是降水徑流關系發(fā)生突變的時間點。

3 研究結果

3.1 降水變化特征

通過5a 滑動平均法得到兩站的年降水量變化趨勢圖，由圖1 可看出，平泉站年際降水量基本穩(wěn)定在均值附近；寬城站年際降水量呈不顯著的下降趨勢。

圖1 年降水量5a 滑動平均曲線

通過線性回歸法進一步分析瀑河流域年降水量的變化趨勢，取顯著性水平α=0.05，平泉站|T|=0.02＜tα/2=0.2546，寬城站|T|=0.132＜tα/2=0.2546，表明該流域降水量整體呈不顯著的下降趨勢。

3.2 徑流變化特征

通過對實測年徑流序列的分析， 年徑流序列趨勢如圖2， 兩站年徑流序列均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。通過線性回歸分析， 取顯著性水平α=0.05， 平泉站|T|=0.467＞tα/2=0.2546，寬城站|T|=0.325＞tα/2=0.2546，均通過置信度99%的顯著性檢驗， 說明該流域徑流量呈顯著下降趨勢。

從M-K 趨勢檢驗圖3 中可看出，UF 和UB 的交點出現(xiàn)在1998 年， 即1998 年是年徑流序列的突變點，1960—1998 年， 徑流序列呈不顯著的下降趨勢；1998—2018 年，徑流序列的UF 值小于0，且變化范圍超出臨界值±1.96 的范圍，說明年徑流序列呈顯著下降趨勢。

圖3 平泉站、寬城站年徑流量M-K 趨勢檢驗

3 降水徑流變化相關性分析

對年降水數(shù)據(jù)和年徑流數(shù)據(jù)進行對照分析，二者相關性并不明顯。以平泉站1975 年為例，年降水量436.9 mm，年徑流量0.319 億m3，到20 世紀90 年代，同等量級的降水，徑流量大幅減少，年均徑流量約0.034 億m3，減少率為89.3%。相同時期，不同量級的年降水量對應的年徑流量均有減少趨勢。

從圖4 可看出， 上游平泉站和下游寬城站降水徑流關系均出現(xiàn)2 次較明顯的改變。 整個時段分為1960—1978 年，1979—1995 年，1996—2018 年，各階段的雙累積曲線斜率均呈減小趨勢， 表明徑流對降水的響應逐漸減弱。

圖4 降雨徑流雙累積曲線

4 人類活動影響分析

承德市平泉和寬城地區(qū)屬于“七山一水二分田”的淺山區(qū)， 水土流失較為嚴重，20 世紀90 年代以來，響應國家號召，為改善生態(tài)環(huán)境，緩解水土流失，實施了京津冀風沙源治理工程水土保持綜合治理項目。種植刺槐、山杏等樹種，使降雨通過林草植被的吸收、阻流，削弱了降雨對土壤的侵蝕，林木根系生長發(fā)達，使得地表土質松散，增大了降雨入滲率，使得原本產(chǎn)生地表徑流的一部分降雨變成地下潛流，達到減小地表徑流、削減洪峰流量的作用。同時一部分水土保持工程，如魚鱗坑、竹節(jié)壕等，相當于流域上的小型水庫，蓄存部分暴雨降水量。瀑河流域多年降水量一致， 而徑流量減少的主要原因是一系列的人類活動不同程度地改變了流域下墊面條件， 從而對徑流形成產(chǎn)生一定影響。

5 結語

（1）1960—2018 年平泉站和寬城站的年降雨量一致性較好，無明顯的趨勢性變化，也未發(fā)生突變。

（2）平泉站和寬城站的年徑流序列呈顯著下降趨勢，1998 年發(fā)生突變。 在今后的水文預報研究中，要考慮徑流序列的非一致性， 以免影響預報結果的準確性。

（3）1960—2018 年降雨徑流關系發(fā)生2 次明顯改變，經(jīng)調查收集資料，徑流量變化的主要原因是水土保持措施改變了流域的下墊面條件， 進而導致產(chǎn)流條件發(fā)生改變，影響徑流序列的一致性。對于水土保持措施對徑流變化的定量影響， 還需在今后工作中進一步研究。