渾河干流水文因素變化特征分析

郭銳

(遼寧省水文水資源勘測(cè)局，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

渾河干流水文因素變化特征分析

郭銳

(遼寧省水文水資源勘測(cè)局，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

運(yùn)用線性傾向估計(jì)和 Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn) 2 種方法，對(duì)渾河干流 4 站的降水量、徑流量、蒸發(fā)量和輸沙量進(jìn)行了年際變化分析。結(jié)果表明：降水量 4 站變化趨勢(shì)不顯著，徑流量撫順站有明顯減少趨勢(shì)，其他 3 站均不顯著，蒸發(fā)量沈陽(yáng)站具有明顯的增加趨勢(shì)，北口前站無(wú)變化趨勢(shì)，輸沙量 4站變化趨勢(shì)均不明顯。

渾河；水文因素；特征分析

水資源是生物賴(lài)以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)也是社會(huì)發(fā)展的重要支撐條件。河流作為水資源的重要組成部分，對(duì)流域內(nèi)水資源的合理配置具有重要的意義。隨著全球氣候的變暖和人類(lèi)活動(dòng)的影響，河流水文因素的變化趨勢(shì)在水科學(xué)研究中的地位更加顯著，也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。河流的水文因素包括降水、徑流、蒸發(fā)和輸沙等，合理地研究流域內(nèi)水文因素變化特征，正確地認(rèn)識(shí)到水文現(xiàn)象及其變化規(guī)律的內(nèi)在聯(lián)系，可以更好地為計(jì)算流域內(nèi)的河流的生態(tài)需水提供重要的依據(jù)。

渾河是遼河的支流，古稱(chēng)遼水，又稱(chēng)小遼河，是遼寧省東部地區(qū)較大的河流之一。全長(zhǎng) 368 km，發(fā)源于撫順市東部，自東向西流，最后于營(yíng)口市西西炮臺(tái)注入遼東灣。流域面積 1.14 萬(wàn) km2，年徑流量 30.52 億 m3。渾河流經(jīng)遼寧中部城市群，這里傳統(tǒng)的重工業(yè)相對(duì)發(fā)達(dá)、人口稠密，渾河基本上成為沿岸城市廢水排放的主要渠道。渾河流域?qū)儆跍貛Ъ撅L(fēng)型大陸性氣候，冬季干燥嚴(yán)寒，夏季多雨濕熱。流域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)，水利設(shè)施也比較完善。

1 資料來(lái)源

研究選取了渾河干流主要的水文站北口前站、撫順站、沈陽(yáng)站和邢家窩棚站的水文資料進(jìn)行水文因素變化特征分析，水文數(shù)據(jù)來(lái)源于《中華人民共和國(guó)水文年鑒》，具體為：北口前站、撫順站、沈陽(yáng)站和邢家窩棚站的降水量、徑流量、蒸發(fā)量和輸沙量，序列為 1970—2006 年。

2 分析方法

趨勢(shì)分析的方法有很多，常見(jiàn)的方法有線性傾向估計(jì)、Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)、滑動(dòng)平均、累積距平和 Mann-kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)等。此文主要利用線性傾向估計(jì)和 Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn) 2 種方法進(jìn)行趨勢(shì)分析。

2.1 線性傾向估計(jì)

用 yi表示樣本量為 n 的某一變量，用 xi表示yi所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，建立 yi與 xi之間的一元線性回歸方程為：

yi=a+bxi（i=1，2，…，n） （1）

式（1）的含義是用一條合理的直線表示 y 與其時(shí)間 x 之間的關(guān)系。由于式（1）右邊的變量是 y對(duì)應(yīng)的時(shí)間 x，而不是其它變量，因此這一方法屬于時(shí)間序列分析范疇。式中的 a為回歸常數(shù)，b為回歸系數(shù)。回歸系數(shù) b的符號(hào)表示變量 y的趨勢(shì)傾向。b＞0 時(shí)，表示隨時(shí)間 x 的增加，y 呈上升趨勢(shì)；b＜0 時(shí)，表示隨時(shí)間 x 的增加，y 呈下降趨勢(shì)。b值的大小反映了上升或著下降的速率，即表示上升或者下降的傾向程度。a和 b可以用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)。

2.2 Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)

各要素變化的總趨勢(shì)分析應(yīng)用 Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)。對(duì)序列 x1，x2，…，xn，先確定所有對(duì)偶值（xi，xj，j＞ i）中的 xi＜xj的出 現(xiàn) 個(gè) 數(shù)（設(shè)為 p）。順 序的（i，j） 子 集 是 ：（i=1，j=2，3，4， … ，n），（i=2，j= 3，4，5，…，n）…，（i=n-1，j=n）。

此檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為

當(dāng) n增加，U 很快收斂于標(biāo)準(zhǔn)化正太分布。原假設(shè)為無(wú)趨勢(shì)，當(dāng)給定顯著水平 α 后，在正太分布表中查出臨界值 Uα/2，當(dāng)＜Uα/2 時(shí)，接受原假設(shè)，即趨勢(shì)不顯著；當(dāng)＞Uα/2 時(shí)，拒絕原假設(shè)，即趨勢(shì)顯著。

3 渾河干流水文因素變化特征分析

3.1 降水變化

分析北口前站、撫順站、沈陽(yáng)站和邢家窩棚站的年降水量時(shí)間序列，從中可以看出，4個(gè)水文站的降水變化趨勢(shì)基本呈下降趨勢(shì)，但是變化趨勢(shì)不顯著。四個(gè)測(cè)站基本是在多年平均值上下浮動(dòng)。北口前站年降水量最大值出現(xiàn)在 1995 年，1175 mm，降水量最小值出現(xiàn)在 1982 年，568.6mm。撫順 站 年 降 水 量 最 大 值 出 現(xiàn) 在 1986 年 ，1044.3 mm，降水量最小值出現(xiàn)在 1997 年，397.8mm。沈陽(yáng)站年降水量最大值出現(xiàn)在 1986 年，943.4mm，最小值出現(xiàn)在 1989 年，404.1mm。邢家窩棚站年降水量最大值出現(xiàn)在 1994 年，913.8mm，最小值出現(xiàn)在 1989 年，451.9mm，1999—2006 年，降水量在多年平均值之下。

各站線性趨勢(shì)回歸方程如表1所示，從表1中可以看出，各站的傾向率均小于 0，其中沈陽(yáng)站傾向率最大為每年-2.8832mm，邢家窩棚站每年為-1.6972mm。根據(jù) F 檢驗(yàn)，得出各站均未通過(guò)檢驗(yàn)，表明接受原假設(shè)，即 4 站降水量下降趨勢(shì)均不顯著。

表1 渾河干流年降水量變化趨勢(shì)檢驗(yàn)

根據(jù) Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)，顯著水平 α=0.05時(shí)，查表得 Uα/2=1.96，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量北口前站 U=0，則|U|=0＜1.96，所以北口前站降水量的變化趨勢(shì)不顯著。撫順站 U=0.105，則|U|=0.105＜1.96，所以撫順站降水量的變化趨勢(shì)不顯著。沈陽(yáng)站 U=-1.439，則|U|=1.439＜1.96, 所以沈陽(yáng)站降水量的變化趨勢(shì)不 顯 著。邢 家 窩棚 站 U=-0.759，則 |U|=0.759＜1.96，所以邢家窩棚站降水量的變化趨勢(shì)不顯著。線性分析法和 Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)均說(shuō)明了渾河流域降水量的變化趨勢(shì)不顯著。這說(shuō)明渾河流域降水并沒(méi)有受到氣候的變化而減少，這對(duì)河流生態(tài)需水及各部門(mén)用水是有利的。

3.2 徑流變化

分析渾河干流年徑流量變化趨勢(shì)，在 1975 年之前，撫順站的徑流量幾乎都在多年平均之上，從1976—1984 年之間，各個(gè)水文站的徑流量幾乎都在多年平均之下。在 1985 年，各站幾乎到達(dá)到了第一次峰值。1986 年之后，各站又呈現(xiàn)了下降的趨勢(shì)。1995 年各站又到達(dá)了第二次頂峰。從 1996—2004 年之間，各站的年徑流量幾乎都在多年平均之下。在 2005 年，各站又到了第三次峰值。北口前站是在 1995 年達(dá)到其徑流量峰值 44.7m3/s，撫順站是在 1985 年達(dá)到其徑流量峰值 103m3/s，沈陽(yáng)站是在 1995 年達(dá)到其徑流量峰值 152m3/s，邢家窩棚站是在 1985 年達(dá)到其徑流量峰值 157m3/s。

各站線性趨勢(shì)回歸方程如表2所示。從表2中可以看出，各站的傾向率均小于 0，其中撫順站的傾向率最大，為-0.6791。根據(jù) F 檢驗(yàn)，得出除了撫順站通過(guò)檢驗(yàn)，其他 3 站均未通過(guò)檢驗(yàn)，表明撫順站拒絕原假設(shè)，即撫順站降水量減少趨勢(shì)顯著，其他 3站接受原假設(shè)，即降水量減少趨勢(shì)不顯著。

根據(jù) Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)，顯著水平 α=0.05時(shí)，查表得 Uα/2=1.96，U北口前=-0.419，U撫順=-2.537，U沈陽(yáng)=-0.916，U邢家窩棚=-0.785。因此，撫順站徑流量具有明顯的減少趨勢(shì)，但減少幅度并不大，其他3站徑流量均無(wú)顯著變化，與降水量的變化趨勢(shì)相一致，這對(duì)于河流生態(tài)需水的滿足是有益的。

表2 渾河干流年徑流量變化趨勢(shì)檢驗(yàn)

3.3 蒸發(fā)變化

分析北口前站、沈陽(yáng)站的年蒸發(fā)量時(shí)間序列，從中可以看出，北口前站年蒸發(fā)量圍繞多年平均上下浮動(dòng)的幅度較小。沈陽(yáng)站年蒸發(fā)量從 1970—1983 年（除去 1974 年）年蒸發(fā)量均在多年平均之下，從 1984—1997 年年蒸發(fā)量均在多年平均之上。沈陽(yáng)站年蒸發(fā)量的最大值出現(xiàn)在 1974 年，最小值出現(xiàn)在 1971 年。

表3是渾河干流年蒸發(fā)量變化趨勢(shì)檢驗(yàn)。從表 3 中可以看出，北口前站的傾向率小于 0，沈陽(yáng)站的傾向率大于 0。沈陽(yáng)站的傾向率最大為 8.333。根據(jù) F 檢驗(yàn)，得出北口前站未通過(guò)檢驗(yàn)，表明北口前站接受原假設(shè)，即北口前站年蒸發(fā)量下降趨勢(shì)不顯著。沈陽(yáng)站通過(guò)檢驗(yàn)，表明沈陽(yáng)站拒絕原假設(shè)，即沈陽(yáng)站年蒸發(fā)量上升趨勢(shì)顯著。

表3 渾河干流年蒸發(fā)量變化趨勢(shì)檢驗(yàn)

根據(jù) Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)，顯著水平 α=0.05時(shí) ， 查 表 得 Uα/2=1.96，U北口前=-1.203，U沈陽(yáng)= 3.871，因此，沈陽(yáng)站上升趨勢(shì)變化顯著。北口前站下降趨勢(shì)變化不顯著。

3.4 輸沙變化

分析渾河4站的年輸沙量時(shí)間序列的變化情況。可以看出，除了北口前站的年輸沙量呈上升趨勢(shì)外，其他 3站均呈下降趨勢(shì)。4個(gè)測(cè)站基本都是圍繞多年平均值上下浮動(dòng)。北口前站年最輸沙量最大值出現(xiàn)在 2005 年，233 萬(wàn) t，輸沙量最小值出現(xiàn)在 1978 年，0.394 萬(wàn) t。撫順站年最輸沙量最大值出現(xiàn)在 1971 年，114 萬(wàn) t，輸沙量最小值出現(xiàn)在1998 年，0.439 萬(wàn) t。沈陽(yáng)站年最輸沙量最大值出現(xiàn)在 1995 年，301 萬(wàn) t，輸沙量最小值出現(xiàn)在 1980年，2.64 萬(wàn) t。邢家窩棚站年最輸沙量最大值出現(xiàn)在 1995 年，307 萬(wàn) t，輸沙量最小值出現(xiàn)在 2000年，2.22 萬(wàn) t。

各站線性趨勢(shì)回歸方程如表 4所示，從表 4中可以看出，北口前站的傾向率大于 0，其他 3 站均小于 0。根據(jù) F 檢驗(yàn)，得出各站均未通過(guò)檢驗(yàn)，表明接受原假設(shè)，即 4站年輸沙量變化趨勢(shì)均不顯著。

表4 渾河干流年蒸發(fā)量變化趨勢(shì)檢驗(yàn)

根據(jù) Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)，顯著水平 α=0.05時(shí)，查表得 Uα/2=1.96，U北口前=1.099，U撫順=-1.7，U沈陽(yáng)=-1.543，U邢家窩棚=-1.83，絕對(duì)值均小于 Uα/2= 1.96，因此，渾河年輸沙量均無(wú)明顯的變化趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)趨勢(shì)分析 4站降水量均無(wú)明顯變化，徑流量除撫順站有減少趨勢(shì)，但幅度并不大，其他 3站均無(wú)減少趨勢(shì)，降水與徑流變化一致。這對(duì)河流生態(tài)需水及各部門(mén)用水是有利的。蒸發(fā)年際變化趨勢(shì)是沈陽(yáng)站增加明顯，北口前站變化趨勢(shì)不明顯，各站輸沙量的變化也無(wú)明顯的變化趨勢(shì)。

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