近40年來蒲河流域徑流變化及影響因素分析

，

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，遼寧沈陽110161)

徑流是流域水文循環(huán)的重要組成，對流域水資源的開發(fā)利用起著決定性的作用。隨著全球性的氣候變化以及人類活動對自然的干預(yù)程度加強，流域內(nèi)的徑流發(fā)生了顯著的變化，直接影響了流域水資源的配置和合理開發(fā)利用[1]。研究近幾十年來流域徑流變化的過程，不僅有助于認(rèn)識流域水循環(huán)對氣候變化和人類活動的響應(yīng)，同時對流域內(nèi)水資源的規(guī)劃、利用和管理都具有重要意義[2-4]。蒲河是沈陽市直接管理的河道長度最長、流域面積最大的中型河流。隨著蒲河生態(tài)廊道建設(shè)整體規(guī)劃的提出，蒲河成為沈陽乃至遼寧經(jīng)濟(jì)新的增長點。改善蒲河生態(tài)環(huán)境，建立蒲河水系連通是建設(shè)蒲河生態(tài)帶，未來提升為經(jīng)濟(jì)帶的前提。而現(xiàn)有研究中，對蒲河流域徑流特性及影響因素分析研究較少。鑒于此，本文以蒲河流域為研究對象，基于蒲河流域內(nèi)沈陽站1975年以來近40 a的降雨、徑流長系列資料，應(yīng)用線性回歸分析、滑動平均、M-K檢驗法、累積距平曲線、方差分析法和雙累積曲線法對蒲河流域的徑流變化及影響因素進(jìn)行討論，為蒲河流域發(fā)展提供數(shù)據(jù)參考。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

蒲河是沈陽市第四大河流，隸屬于渾河水系，是渾河下游右岸最大支流。蒲河發(fā)源于鐵嶺縣橫道河子鄉(xiāng)想兒山，從東北流向西南，流經(jīng)鐵嶺、沈北新區(qū)、東陵、于洪、新民市和遼中縣區(qū)，于遼中縣老觀坨鄉(xiāng)黑魚溝流入渾河，全長205 km，流域面積2 496 km2。流域內(nèi)自上而下有棋盤山水庫、東陵、裕國、沈陽、大河泡和遼中等水文站，其中，沈陽水文站位于蒲河流域中部，是流域內(nèi)建站歷史最長，擁有降雨、徑流資料最全的水文站，是研究蒲河流域降雨、徑流歷史變化的理想站點。本文收集蒲河流域沈陽站1975年以來近40 a降雨、徑流資料，分析計算蒲河流域徑流年內(nèi)年際變化規(guī)律，判斷徑流變化趨勢，同時對影響蒲河流域徑流變化的因素進(jìn)行討論。

1.2 研究方法

本文采用線性回歸分析法和滑動平均法判斷徑流和降雨整體變化趨勢，在此基礎(chǔ)上通過M-K檢驗判斷趨勢性是否明顯。為了更明顯地分辨徑流年際變化階段，采用累積距平曲線判斷徑流階段趨勢，通過方差分析法判斷徑流周期性。采用雙累積曲線法分析不同階段降雨及人類活動對徑流的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 徑流變化趨勢分析

2.1.1徑流年內(nèi)變化

蒲河流域沈陽站多年平均月徑流年內(nèi)分配統(tǒng)計見表1。由表1可知，蒲河流域8月徑流最大，占全年徑流的27.3%，2月徑流最小，占全年徑流的1.7%，最大一個月的徑流為最小一個月徑流的16倍。年內(nèi)各月徑流分配不均，徑流主要集中于5—8月，1—3月徑流較小。

進(jìn)一步分析蒲河流域徑流的季節(jié)變化，將多年的沈陽站實測徑流資料時間序列按照春、夏、秋、冬4個時段劃分，并計算每個時段的多年平均值。從表1可知，蒲河流域的夏季徑流大于其他季節(jié)，呈現(xiàn)夏季(6—8月)>春季(3—5月)>秋季(9—11月)>冬季(12月至次年2月)的特點，其中夏季徑流占全年徑流的56.9%，春季徑流占全年徑流的23.2%，秋季徑流占全年徑流的13.5%，冬季徑流占全年徑流的6.5%。

表1 沈陽站多年平均月徑流年內(nèi)分配統(tǒng)計

2.1.2徑流年際變化

流域徑流年際變化的總體特征通常采用變差系數(shù)、模比系數(shù)和年際極值比來表示[5]。蒲河流域徑流年際變化特征值計算結(jié)果見表2。由表2可知，沈陽站年徑流的最大值為4 838.07×106m3，最小值為428.55×106m3，徑流最大值與最小值分別出現(xiàn)在2010年與2001年。徑流的多年均值為1 408.6×106m3，徑流最大值與徑流多年平均值的模比系數(shù)為3.43，徑流最小值與徑流多年平均值的模比系數(shù)為0.3，年際極值比為11.29，變差系數(shù)為0.76。由于徑流變差系數(shù)及年際極值比的數(shù)值比較大，說明蒲河流域徑流的年際豐枯變化劇烈，變化不均勻。

表2 徑流年際變化特征值

2.1.3徑流變化趨勢分析

根據(jù)沈陽站多年實測徑流資料，繪制年徑流曲線，利用線性回歸分析法和五年滑動平均法對沈陽站徑流時間序列進(jìn)行趨勢分析。趨勢分析結(jié)果見圖1。由圖1可以看出蒲河流域年均徑流處在豐枯交替的不斷變化中，但總的趨勢是遞增的。為了判斷徑流的遞增趨勢是否明顯，本文采用Mann-Kendall趨勢分析法，選用置信水平α= 0.05。經(jīng)計算，Mann-Kendall檢驗統(tǒng)計量為0.8，表明徑流呈現(xiàn)遞增趨勢，與線性回歸分析和滑動平均法檢驗的結(jié)果一致。但是由于其絕對值小于臨界值1.64，表明徑流遞增趨勢不顯著。

2.1.4徑流階段趨勢分析

為分析徑流的年際變化階段，繪制了蒲河流域沈陽站徑流累積距平曲線。當(dāng)徑流處于枯水期時，累積距平曲線低于多年平均水平，累積距平過程線向下波動；當(dāng)徑流進(jìn)入平水期時，徑流在多年平均值上下波動，累積距平過程線呈現(xiàn)水平；當(dāng)徑流處于豐水期時，累積距平曲線高于多年平均水平，累積距平過程線上升[6]。根據(jù)蒲河流域沈陽站多年實測徑流資料繪制累積距平曲線見圖2。

從圖2可知，蒲河流域近40 a天然徑流序列大致可以分為如下階段：4個顯著的枯水期為1975—1984、1987—1993、1996—2004、2005—2009年。3個顯著的豐水期為：1984—1987、1993—1996、2009—2010年，無表現(xiàn)出豐枯轉(zhuǎn)換顯著的平水期。從圖2中還可以發(fā)現(xiàn)，年徑流累積距平是負(fù)距平占主導(dǎo)地位，說明蒲河流域天然徑流年際之間持續(xù)枯水的時段要大于持續(xù)豐水的時段。

2.1.5徑流的周期分析

蒲河流域年徑流的多年變化具有一定的周期性，對蒲河流域沈陽站年徑流序列進(jìn)行方差分析，可以得到其主要周期，蒲河流域年徑流周期分析見表3。根據(jù)表3數(shù)據(jù)繪制方差比值見圖3。由表3及圖3可知，蒲河流域徑流變化周期大致為5 a和10 a。

表3 徑流不同周期下方差比計算結(jié)果

2.2 徑流變化影響因素分析

2.2.1降雨影響分析

1975年以來的近40 a中，蒲河流域降雨的多年均值為659.16 mm，降雨的最大值為1 052.9 mm，最小值為404.1 mm，降雨的年際極值比為2.61，降雨年際變化不大，說明蒲河流域降雨的年際豐枯變化并不劇烈。

為分析降雨對徑流變化的影響，繪制蒲河流域年降雨和年徑流分期變化曲線，見圖4、5。從圖4可以看出：在1994年以前，降雨與徑流兩者趨勢變化具有一定的同步性，年徑流隨著年降雨的增減變化而變化，因此降雨是影響徑流變化的主要因素；從圖5可以看出1995年以后，在全流域年降雨具有減小趨勢條件下，年徑流出現(xiàn)上升趨勢，表明降雨對徑流的影響在不斷減弱，人類活動對徑流的影響逐漸加強。

2.2.2人類活動影響分析

通過繪制徑流與降雨的雙累積曲線并觀察其直線斜率變化，可以判斷出影響徑流發(fā)生變化的主要因素[7]。對于正常年份，如果徑流只受到降雨而無其他因素影響時，雙累積曲線呈直線且斜率沒有明顯變化；對于受到人類活動影響的年份，雙累積曲線將會發(fā)生一定的偏離。可根據(jù)雙累積曲線發(fā)生偏離所對應(yīng)的年份判斷出徑流發(fā)生顯著改變的時間點，偏離程度反映受人類影響強度，偏離程度越大表明受人類影響越強。

根據(jù)蒲河流域沈陽站實測徑流資料和實測降雨資料，繪制降雨～徑流雙累積曲線見圖6。從圖6可以看出，曲線自1984年開始產(chǎn)生了明顯的偏轉(zhuǎn)，因此以1975—1984年作為沈陽站的基準(zhǔn)期，依據(jù)降雨～徑流雙累積曲線的拐點將沈陽站徑流序列劃分為4個階段?；鶞?zhǔn)期與其他時段進(jìn)行對比分析可以看出，徑流累積值自1984年之后開始有顯著的向上偏離，自1994年之后向上偏離的程度更加明顯，自2004年之后依然保持向上偏離的趨勢，表明徑流的變化受到了除降雨之外的其他因素影響，如人類活動引起下墊面條件變化繼而影響徑流使徑流發(fā)生變化。

對基準(zhǔn)期累積降雨和累積徑流進(jìn)行回歸分析，建立基準(zhǔn)期內(nèi)累積降雨和累積徑流序列的相關(guān)方程如下：

R=0.5184P+319.16(R2=0.9947)

根據(jù)基準(zhǔn)期內(nèi)的徑流和降雨資料，建立基準(zhǔn)期內(nèi)的徑流序列和降雨序列的相關(guān)方程：

R=0.4038P+100.9

根據(jù)降雨與徑流的相關(guān)方程計算沈陽站不同時段的理論平均徑流，將其作為天然徑流的近似值。基準(zhǔn)期實測值與各個時段的計算值的差值即為此時段降雨變化對徑流變化的影響值[8]。而人類活動影響時段的實測徑流與基準(zhǔn)期實測徑流的差值包括兩部分，即降雨影響部分以及人類活動影響部分。因此，基準(zhǔn)期實測值與各個時段實測值的差值再減去降雨變化影響值就得到了人類活動對徑流變化的影響值，影響值與總減少值的百分比即為影響率[9]。計算結(jié)果見表4。

表4 降雨和人類活動對蒲河流域徑流影響

由表4可以看出，基準(zhǔn)期內(nèi)蒲河流域沈陽站年均天然徑流為359.59 (m3/s·月)，對比基準(zhǔn)期1985—1994、1995—2004、2005—2015年年均徑流增加分別為222.90、156.79、394.51 (m3/s·月)。其中，降雨影響使徑流增加分別為18.63、6.57、3.51 (m3/s·月)，占總增加量的8.36%、4.19%、0.89%。人類活動影響使徑流增加分別為204.27、150.23、391.01 (m3/s·月)，占總增加量的91.64%、95.81%、99.11%。說明以1975—1984年為基準(zhǔn)期，蒲河流域在整個研究期內(nèi)人類活動對徑流的影響是導(dǎo)致徑流發(fā)生改變的主要因素。

3 結(jié)論

本文根據(jù)蒲河流域內(nèi)沈陽站長系列徑流、降雨實測資料，計算得出以下結(jié)論。

a) 蒲河流域徑流年內(nèi)分配不均，主要集中在5—8月，占全年的74.5%，徑流的年際變化不均勻，豐枯變化較為劇烈。蒲河流域徑流存在周期性，周期由一個5 a周期和一個10 a周期疊加而成。

b) 蒲河流域徑流變化中，不只是降雨對其產(chǎn)生影響，還有人類活動對其產(chǎn)生影響。研究結(jié)果表明降雨對徑流的影響有了一定的削弱，人類活動對徑流的影響逐漸加強，成為導(dǎo)致徑流發(fā)生改變的主要因素。

c) 本文分析的蒲河流域徑流的年內(nèi)、年際變化規(guī)律，以及影響蒲河流域徑流變化的影響因素，可為蒲河流域改善生態(tài)環(huán)境，建立水系聯(lián)通的生態(tài)帶以及未來提升為經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)提供徑流信息參考。