呼蘭河蘭西站1956年以來徑流量變化趨勢

段明葳，馮 健

(1.黑龍江省大慶水文局，黑龍江 大慶 150001；2.黑龍江省水文局，黑龍江 哈爾濱 150001)

呼蘭河蘭西站1956年以來徑流量變化趨勢

段明葳1，馮 健2

(1.黑龍江省大慶水文局，黑龍江 大慶 150001；2.黑龍江省水文局，黑龍江 哈爾濱 150001)

呼蘭河流域水資源量相對不足，掌握其徑流量變化趨勢，有助于更加有效地開展水資源開發(fā)利用。采取趨勢分析法、Mann-Kendall突變分析法對呼蘭河蘭西站1956年以來年徑流量序列進行分析。結(jié)果顯示，蘭西站年徑流量總體表現(xiàn)出減小趨勢，但受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等人類活動影響，存在短時增大的局部波動；在1958年和1966年前后發(fā)生過2次突變。

徑流量，呼蘭河；蘭西；徑流

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，水資源作為重要的戰(zhàn)略資源，也受到越來越多的關(guān)注。河川徑流量一直是水資源研究的熱點，尤其是在人類活動加劇和氣候變化影響下，對河川徑流量變化趨勢的研究更有助于研究區(qū)域的水資源開發(fā)利用。黑龍江省是一個農(nóng)業(yè)大省，多年平均水資源量810.33億m3，耕地畝均水平約為全國平均水平的1/3[1]，水資源量相對不足，對河川徑流量的分析研究就更為必要。已有學(xué)者對松花江、嫩江等大江河的徑流(徑流量)變化趨勢進行過研究[2-5]，但缺乏對于呼蘭河等支流的研究。呼蘭河地處松嫩平原，貫穿黑龍江省綏化市，為重要的糧食產(chǎn)區(qū)，且流域內(nèi)水庫眾多，徑流量受人類活動影響明顯，對其變化趨勢研究具有重要意義。

1 流域概況

呼蘭河流域面積35 683 km2，干流長523 km，在哈爾濱市東北部約4 km處匯入松花江。呼蘭河為一扇形枝狀河系，地勢東北高、西南低，左岸小呼蘭河、安邦河、拉林青河、格木克河、津河、泥河等支流，右岸納依吉密河、歐根河、泥爾根河、努敏河、通肯河等支流。流域?qū)贉貛Т箨懶约撅L氣候，年降水量574.7 mm，主要集中在6—9月。

蘭西水文站為呼蘭河下游控制性水文站，集水面積27 736 km2，多年平均徑流量33.82億m3，最大年徑流量75.18億m3(1985年)，最小年徑流量4.84億m3(2008年)。

2 數(shù)據(jù)來源及分析方法

2.1 數(shù)據(jù)收集及預(yù)處理

采用蘭西站1956—2015年共60 a流量資料，以此為基礎(chǔ)資料，通過計算將流量轉(zhuǎn)換為徑流量，分別得到蘭西站1956—2015年逐年徑流量。

2.2 分析方法

通過構(gòu)建一元線性回歸方程，采用趨勢分析法來判斷蘭西站60 a徑流量的整體變化趨勢，為了進一步了解徑流量時間序列內(nèi)部的具體突變特征，采用Mann-Kendall突變分析方法對蘭西站60 a徑流量系列數(shù)據(jù)進行突變檢驗。Mann-Kendall突變分析法是非參數(shù)統(tǒng)計檢驗法，不需要樣本必須遵從一定分布的特點[6]，因而，更適合受人類活動影響明顯的呼蘭河流域。

2.2.1 趨勢分析法

用xi來代表徑流量時間序列中的一個值，其對應(yīng)的時間為ti，則可構(gòu)建xi、ti之間的一元線性回歸方程。

xi=ati+b(i=1,2,…,n)

(1)

式中:a為回歸系數(shù);b為回歸常數(shù);n為徑流量的樣本容量;a、b均采用最小二乘法進行參數(shù)估計，所涉及公示為：

(2)

(3)

(4)

(5)

2.2.2 Mann-Kendall突變分析法

以徑流量x1,x2,…,xn為一時間序列構(gòu)造秩序列ri，用j來表示徑流量序列中xi>xj(i≥j≥1) 的樣本累計數(shù)：

(6)

定義統(tǒng)計量Sk為ri的樣本累計數(shù)：

(7)

Sk的均值E(Sk)和方差Var(Sk)的計算公式如下：

(8)

(9)

在假定徑流量時間序列隨機獨立的情況下，定義統(tǒng)計量UFk為：

(10)

式中：UF1=0,UFk為標準正態(tài)分布，給定顯著性水位α，查正態(tài)分布表可得臨界值Uα，若|UFk|>Uα，則表明序列存在一個明顯的趨勢變化，所有的UFk可組成一條曲線。若針對該樣本序列的反序列應(yīng)用同樣的方法，將計算結(jié)果乘以-1得到UBk，令UB1=0，則所有的UBk也可組成一條曲線。

通過統(tǒng)計序列UFk、UBk可對序列x的變化趨勢作進一步分析，并明確突變時間和區(qū)域，以達到對序列內(nèi)部具體突變特征的分析確定。

3 徑流量變化趨勢分析

3.1 趨勢分析

近60 a來，蘭西站年徑流量呈現(xiàn)下降趨勢，見圖1，其年際傾向率為-0.2345，即徑流量平均每年減少約2000萬m3，年徑流量1956年為63.24億m3，到2015年的30.43億m3，減少了51.8%。其中，最豐年為1985年(75.18億m3)，最枯年為2008年(4.84億m3)，最豐最枯年之比為13.07。從年徑流量5 a滑動均值曲線可以看出，總體呈現(xiàn)出減小趨勢，但20世紀80年代前期和2011—2013年有小的波動，局部呈增大趨勢。

對比圖1、圖2，從年代際變化來看20世紀60—70年代呈顯著減小趨勢，70年代末期至80年代末期呈增大趨勢，以后呈減小趨勢，但不明顯。為進一步反映年徑流量隨時間定性的變化趨勢，繪制蘭西站年徑流量累計平均曲線(見圖3)，1956—1982年之間年徑流量下降趨勢非常明顯，1982—1987年略有增大趨勢，1988年又開始呈現(xiàn)出減小的趨勢，但不顯著。

圖1 蘭西站1956年以來年徑流量曲線圖

圖2 蘭西站1956年以來年徑流量距平累積曲線圖

圖3 蘭西站年徑流量累計平均曲線圖

3.2 突變檢驗

通過Mann-Kendall突變分析法計算并繪制蘭西站1956年以來年徑流量系列的UF-UB統(tǒng)計量曲線圖(見圖4)，圖中虛線表示α=0.05的顯著性水平臨界值±1.96，從圖中可以看出，蘭西站年徑流量在1958年和1966年前后發(fā)生了兩次突變，結(jié)合趨勢分析可知，這兩次突變的發(fā)生時間均在50 a以前，之后隨著20世紀70年代的大規(guī)模農(nóng)業(yè)開墾、80年代家庭聯(lián)產(chǎn)承包責任制的開展實施，呼蘭河流域用水量越來越大，致使呼蘭河下游蘭西站徑流量也呈現(xiàn)出減小的趨勢，但受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等人類活動影響明顯，所有在整體表現(xiàn)出減小趨勢的同時，期間發(fā)生有局部波動的情況。

圖4 蘭西站年徑流量M-K統(tǒng)計量曲線圖

4 結(jié) 論

以呼蘭河下游蘭西站1956—2015年逐年共計60 a的年徑流量系列資料，采用趨勢分析法、Mann-Kendall突變分析法等方法，對資料系列進行時間序列的分析，結(jié)果表示，蘭西站1956年以來年徑流量總體呈減小趨勢，但不顯著，平均每年減少約2000萬m3。在1958年和1966年前后，蘭西站年徑流量發(fā)生過兩次突變，但均發(fā)生在50 a前，后期隨著20世紀70年代、80年代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，人類活動活動對蘭西站徑流量有所影響，使其在減少的整體趨勢中發(fā)生有短時增大的局部波動。

[1] 黑龍江省水利廳. 黑龍江省水資源公報[R]. 哈爾濱:黑龍江省水利廳，2015.

[2] 繆馳遠,魏欣,孫雷，等. 嫩江、哈爾濱兩地48年來夏季降水特征分析[J]. 資源科學(xué), 2007, 29(6):25-31.

[3] 徐東霞,章光新,尹雄銳. 近50年嫩江流域徑流變化際影響因素分析[J]. 水科學(xué)進展, 2009, 20(3):416-421.

[4] 宋小燕,穆興民,高鵬，等. 松花江哈爾濱站近100年來徑流量變化趨勢[J]. 自然資源學(xué)報, 2009, 24(10):1803-1809.

[5] 溫姍姍,姜彤,李修倉，等. 1961-2010年松花江流域?qū)嶋H蒸散發(fā)時空變化及影響要素分析[J]. 氣候變化研究進展, 2014, 10(2):79-85.

[6] 胡剛,宋慧. 基于Mann-Kendall的濟南市氣溫變化趨勢及突變分析[J]. 濟南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012, 26(1):96-101.

段明葳(1984-)，女，廣西陽朔人，工程師，主要從事水文測量方面的工作。E-mail：53770686@qq.com。

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2096-0506(2017)05-0059-03