汾河中游閘壩區(qū)河川徑流演變特性及驅(qū)動(dòng)因素分析*

(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

水是地球萬物生命之源，是生物圈的血液，是維持人類和生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源已成為重要的戰(zhàn)略資源。河川徑流是水資源存在的重要形式，是人類社會(huì)生存和發(fā)展最主要的水源。20世紀(jì)以來，人類活動(dòng)直接或間接地影響了河川徑流的質(zhì)量、數(shù)量和徑流過程，而徑流的變化對(duì)整個(gè)水文水資源系統(tǒng)的演化起著主導(dǎo)作用，并對(duì)資源環(huán)境和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響[1]。汾河流域是山西省生產(chǎn)力布局最密集、人口最集中的區(qū)域[2]，近年來，在氣候和人類活動(dòng)影響下，汾河流域水資源情勢(shì)與水循環(huán)格局已顯著改變，導(dǎo)致中下游部分河段一度出現(xiàn)了斷流、泉水干涸、水質(zhì)惡化等問題[3]，進(jìn)一步加劇了該地區(qū)水資源供需矛盾。

為蓄滯雨洪，抬升地下水位，改善汾河生態(tài)環(huán)境，山西省在汾河中游二壩至義棠段堤內(nèi)建攔河節(jié)制蓄水閘15座，閘壩工程運(yùn)行后，閘壩區(qū)將具有工程調(diào)節(jié)作用，汾河中游面臨河道人工干擾強(qiáng)度大、河流系統(tǒng)完整性受到威脅等問題，該河段上密集閘壩群的合理調(diào)度方案以及下游河道水量如何保障等問題亟待研究，而閘壩間水資源的合理調(diào)度與優(yōu)化配置均受上游來水規(guī)律的影響，因此研究汾河中游徑流變化規(guī)律及成因?qū)鉀Q河道片段化問題及15座閘壩的科學(xué)運(yùn)行十分必要。國內(nèi)學(xué)者針對(duì)汾河流域已開展了大量的研究工作，這些研究多集中在汾河上游或下游，且研究多以單一影響因素對(duì)徑流的影響為主，研究成果對(duì)汾河流域徑流演變特性及影響因素分析缺乏系統(tǒng)性和全面性。因此，本文以汾河二壩站、義棠站實(shí)測(cè)徑流系列為基礎(chǔ)，從年際與年內(nèi)兩個(gè)時(shí)間尺度研究年徑流變化規(guī)律，基于Mann-Kendall法突變檢驗(yàn)結(jié)果，建立降水-徑流雙累計(jì)曲線模型，對(duì)影響徑流的各項(xiàng)驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行定量分析，探求河川徑流量減少的原因，為緩解汾河流域水資源危機(jī)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供依據(jù)。

1 資料與方法

本研究以汾河二壩水文站1965—2015年和義棠水文站1958—2015年實(shí)測(cè)年徑流量作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用累計(jì)距平法、Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)和突變檢驗(yàn)法對(duì)徑流的年內(nèi)分配與年際變化規(guī)律進(jìn)行了分析，采用雙累計(jì)曲線模型分析了徑流變化的驅(qū)動(dòng)力。

1.1 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法

Mann-kendal趨勢(shì)檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，其具有不需要樣本規(guī)律分布、不受異常值干擾等優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)降水、徑流、氣溫等非正態(tài)分布序列的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析和檢驗(yàn)。其原理為：設(shè)(x1,x2,…xn)是n個(gè)獨(dú)立、隨機(jī)樣本，統(tǒng)計(jì)量S為：

其中sign()為符號(hào)函數(shù)。當(dāng)(xi-xj)小于、等于或大于零時(shí)，sign(xi-xj)分別等于-1、0和1。M-K統(tǒng)計(jì)量公式S分別為：

Z為正表示趨勢(shì)增加，反之表示減小。當(dāng)|Z|≥1.28、|Z|≥1.64、|Z|≥2.32時(shí)，分別表示序列趨勢(shì)通過了信度為90%、95%、99%的顯著性檢驗(yàn)，說明序列趨勢(shì)顯著上升或下降。

1.2 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法

設(shè)序列x1,x2,…xn，構(gòu)造秩序列ri，ri為xi≥xj(1≤j≤i)的累計(jì)數(shù)，其統(tǒng)計(jì)量Sk及其均值和方差分別為：

將Sk標(biāo)準(zhǔn)化：

UFk組成一條UF曲線，其中UF1=0，將此方法用于反序列，計(jì)算UB曲線，其中UB1=0，給定顯著水平α，如果UF>0，表示序列趨勢(shì)呈現(xiàn)上升，反之呈下降，當(dāng)UF值超過信度線上下限時(shí)，表示序列上升或下降趨勢(shì)達(dá)到顯著水平。繪制UF和UB曲線圖，則兩條曲線在置信區(qū)間內(nèi)的交點(diǎn)為突變點(diǎn)。

1.3 雙累計(jì)曲線

人類活動(dòng)影響時(shí)期實(shí)測(cè)水文變量與天然時(shí)期之間的差值主要包括兩部分，即人類活動(dòng)影響和氣候變化影響，并提出了二者對(duì)徑流影響的分離分析方法[4-5]。計(jì)算過程如下：

ΔWT=WHR-WN

ΔWH=WHR-WHN

ΔWC=WHN-WN

式中ΔWT——徑流總量變化值；

ΔWH——徑流受人類活動(dòng)影響變化量；

ΔWC——徑流受氣候影響變化量；

WN——天然徑流量；

WHR——人類活動(dòng)影響時(shí)段實(shí)測(cè)的徑流量；

WHN——人類活動(dòng)影響時(shí)段天然徑流量；

ηT、ηC——人類活動(dòng)與氣候變化分別對(duì)徑流影響比例。

2 結(jié)果分析

2.1 河川徑流年內(nèi)分配

河川徑流量的年內(nèi)分配一般表現(xiàn)為明顯的洪水、枯水交替現(xiàn)象，這種變化因河流所處的地域不同而有所差異。因此，對(duì)同一流域，即使年徑流總量相差無幾，但如果該流域的河川徑流量年內(nèi)分配差異顯著，對(duì)從該流域取水的城市生產(chǎn)和生活用水、農(nóng)業(yè)灌溉用水等也會(huì)造成較大影響。因此，研究河川徑流的年內(nèi)分配也是確保社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

圖1 汾河二壩、義棠站徑流量年內(nèi)變化曲線

山西省降雨的主要水汽來源是夏季風(fēng)帶來的暖濕氣流，6—9月降水量占全年降水量的70%以上，7、8兩月降水尤為集中，從汾河二壩站和義棠站的徑流量年內(nèi)變化曲線(圖1)可知，汾河中游徑流年內(nèi)分配主要表現(xiàn)為典型的夏雨型，即月徑流量的豐枯程度和降水量的大小對(duì)應(yīng)。汾河中游區(qū)從11月到次年5月徑流量均較小，2—3月的徑流量為一年中的最小值，從6月開始，隨著降雨量的增加徑流量迅速上升，8月前后徑流量達(dá)到一年中的最大值，之后開始逐漸縮減?？傮w上，汾河中游閘壩區(qū)河川徑流量主要集中在汛期，且除3月外義棠站月徑流量均大于汾河二壩站月徑流量，3月是冬小麥等農(nóng)作物灌溉的高峰期，上游灌區(qū)灌溉用水量的增加是導(dǎo)致下游義棠站流量減少的原因之一。

2.2 年際變化規(guī)律分析

汾河二壩站和義棠站徑流年際特征值統(tǒng)計(jì)見表1，歷年徑流累計(jì)距平曲線如圖2所示。

表1 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

注*表示通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)。

圖2 汾河二壩、義棠站年徑流量距平累計(jì)曲線

由圖2可以看出，汾河二壩站和義棠站年徑流量在20世紀(jì)70年代之前呈上升趨勢(shì)，而整個(gè)70年代為波動(dòng)起伏狀態(tài)，1980—2010年呈逐漸減小趨勢(shì)，特別是1998—2008年的10年間，地表徑流大幅度減少，究其原因，主要是降水量減少所致，加之地下水大量超采，導(dǎo)致地下水位下降、泉水出流量劇減，流域產(chǎn)流也隨之急劇衰退，兩者共同作用造成河川徑流量大幅減少。2008年之后隨著外調(diào)水的增加和流域關(guān)井壓采、水源逐步置換，汾河中游河川徑流量才有所回升。根據(jù)Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果(表1)，汾河二壩站1965—2015年、義棠站1958—2015年的河川徑流量整體處于下降趨勢(shì)，且這種趨勢(shì)通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)，表明汾河中游段河川徑流量下降非常顯著。

通過圖3、圖4顯示的汾河二壩站及義棠站年徑流量Mann-Kendall突變檢驗(yàn)可以看出，汾河二壩站年徑流量1969—1975年表現(xiàn)為減少的趨勢(shì)，這種減少趨勢(shì)在1971年通過了0.05顯著性檢驗(yàn)(U0.05=-1.96)，說明汾河二壩站年徑流量下降趨勢(shì)十分顯著；義棠站徑流量1969—1974年表現(xiàn)為減少的趨勢(shì)，但趨勢(shì)不顯著，1976—1979年徑流量略有回升，但從1980—1987年徑流量又表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，且這種趨勢(shì)在1981年通過了0.05顯著性檢驗(yàn)(U0.05=-1.96)，表明義棠站年徑流量下降趨勢(shì)十分顯著；從2008年開始兩站徑流量均開始回升，但未達(dá)到顯著性水平。

圖3 汾河二壩站年徑流量突變檢驗(yàn)曲線

圖4 義棠站年徑流量突變檢驗(yàn)曲線

圖3、圖4中UF(k)和UB(k)曲線在1970年和1971年在臨界線之間有一個(gè)交點(diǎn)，并且汾河二壩站UF(k)曲線在1971年、義棠站UF(k)曲線在1981年后超出了臨界線，因此汾河二壩站河川徑流量在1971年、義棠站河川徑流量在1981年后顯著下降，汾河二壩站在1970年、義棠站在1971年發(fā)生突變。

2.3 驅(qū)動(dòng)因素分析

氣候變化和人類活動(dòng)是導(dǎo)致徑流發(fā)生變化的雙重驅(qū)動(dòng)因素[6]，降水-徑流雙累積曲線可反映出氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響。通過趨勢(shì)分析和突變檢驗(yàn)，汾河二壩站、義棠站徑流序列均呈顯著遞減趨勢(shì)，突變年份分別為1970年和1971年，因此，汾河二壩站可將1970年以前的徑流量視為基準(zhǔn)期，義棠站可將1971年以前的徑流量視為基準(zhǔn)期，基準(zhǔn)期內(nèi)徑流變化只受氣候變化的影響，之后的時(shí)段視為變化期，變化期內(nèi)徑流不僅受氣候變化的影響，同時(shí)還受人類活動(dòng)的干擾。根據(jù)雙累計(jì)曲線建模原理，計(jì)算出降水、人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 汾河二壩站、義棠站降水-徑流雙累計(jì)曲線

汾河二壩站和義棠站，降水因素對(duì)徑流的影響量分別為0.38億m3和0.74億m3，影響率分別為10.27%和12.71%；人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響量分別為3.32億m3和5.08億m3，影響率分別為89.73%和87.29%，見表2。

表2 降水、人類活動(dòng)對(duì)徑流影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果

流域徑流分布特性主要受氣候因素和人類活動(dòng)兩個(gè)因素影響。氣候因素對(duì)徑流產(chǎn)生著持久且基本穩(wěn)定的影響。人類活動(dòng)對(duì)流域地表徑流量的影響可分為兩方面：?以地表水為水源的工農(nóng)業(yè)用水、生活用水以及水利工程的調(diào)蓄，直接改變了下游水文站控制斷面的實(shí)測(cè)徑流量；?生產(chǎn)實(shí)踐和社會(huì)活動(dòng)改變流域下墊面條件，導(dǎo)致入滲、徑流、蒸散發(fā)等平衡要素變化，使得流域產(chǎn)匯流條件發(fā)生變化，同時(shí)改變徑流的時(shí)程分配。

對(duì)比分析各驅(qū)動(dòng)因素的影響結(jié)果得出如下結(jié)論：

a.義棠站的人類活動(dòng)對(duì)徑流總影響量遠(yuǎn)大于汾河二壩站，但影響程度略小于汾河二壩水文站，主要由于義棠水文站控制流域面積更大，范圍更廣。

b.從汾河二壩站和義棠站降水和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響比例來看，雖然結(jié)果有微小差異，但總體上保持一致性，表明氣候和人類活動(dòng)對(duì)汾河流域河川徑流的影響具有一致性。

c.降水量偏少以及時(shí)空分布不均是造成汾河中游徑流量減少的原因，但影響程度有限。

d.人類活動(dòng)干擾是汾河中游徑流減少的主要原因。隨著人口的增加和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人為大量開采地下水，尤其是開采巖溶水，導(dǎo)致巖溶大泉自然出流量嚴(yán)重衰減，加之煤礦的無序開采對(duì)地下水造成了永久性和不可逆轉(zhuǎn)性的破壞，導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降，使淺層地下水疏干，加速了土壤退化和植被衰退，植被破壞又進(jìn)一步導(dǎo)致涵養(yǎng)水源能力減弱，地表濕地面積萎縮、地下水補(bǔ)給減少，加劇了地下水位快速下降，形成生態(tài)系統(tǒng)的惡性循環(huán)。

3 結(jié) 語

本文采用Mann-Kendall法對(duì)汾河中游二壩站1965—2015年、義棠站1958—2015年實(shí)測(cè)徑流量進(jìn)行了趨勢(shì)檢驗(yàn)和突變檢驗(yàn)，系統(tǒng)地分析了汾河中游徑流年內(nèi)分配和年際變化規(guī)律，并根據(jù)突變檢驗(yàn)結(jié)果建立了降水-徑流雙累積曲線模型，研究表明:汾河中游段徑流量年內(nèi)分配不均，年際變化大，年徑流量總體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，降水量偏少以及時(shí)空分布不均是造成汾河中游徑流量減少的部分原因，而人類活動(dòng)干擾是汾河中游徑流減少的主要原因，特別是人為大量開采地下水，導(dǎo)致巖溶大泉自然出流量嚴(yán)重衰減，加之煤礦的無序開采造成地下水位持續(xù)下降，使淺層地下水疏干，加速了土壤退化和植被衰退，植被破壞又進(jìn)一步導(dǎo)致涵養(yǎng)水源能力減弱，進(jìn)一步加劇了地表徑流的衰減。