漳衛(wèi)河流域徑流年際年內(nèi)變化的量化分析

河川徑流是地表水資源量的重要表現(xiàn)形式，也是水文循環(huán)的重要組成部分。在過(guò)去的幾十年中，漳衛(wèi)河流域進(jìn)行了大規(guī)模的人類改造建設(shè)活動(dòng)，例如地下水的開(kāi)采、修建水庫(kù)和灌區(qū)等，使得漳衛(wèi)河流域的下墊面條件發(fā)生了顯著變化，從而影響流域蒸散發(fā)，對(duì)流域的水文循環(huán)過(guò)程產(chǎn)生一定的影響。本文利用漳河觀臺(tái)站、衛(wèi)河元村集站1953—2017年共65年的資料，基于Mann-Kendall 法、集中指數(shù)等方法，進(jìn)行徑流趨勢(shì)、突變和年際年內(nèi)變化分析，對(duì)全面準(zhǔn)確掌握漳河流域徑流變化情況，提高洪水預(yù)報(bào)精度和延長(zhǎng)預(yù)見(jiàn)期具有重要意義。

一、研究區(qū)概況

漳河為漳衛(wèi)河的北支，漳河上游有清漳河、濁漳河兩支流，于河北省合漳村匯合為漳河干流，自觀臺(tái)入岳城水庫(kù)。衛(wèi)河為漳衛(wèi)河的南支，支流繁多，于徐萬(wàn)倉(cāng)與漳河交匯，進(jìn)入衛(wèi)運(yùn)河。觀臺(tái)站為岳城水庫(kù)的入庫(kù)控制站，元村集站為衛(wèi)河的出口控制站。

二、徑流量年際、年內(nèi)變化評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.Mann-Kendall 法

Mann-Kendall 法（以下簡(jiǎn)稱M-K 法）可以定量的識(shí)別連續(xù)時(shí)間序列的變化趨勢(shì)及顯著性水平，被廣泛地應(yīng)用在分析降水、徑流、氣溫等水文要素中。

對(duì)于年徑流序列x1，x2，…，xn，M-K 趨勢(shì)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量如下：

sgn 為符號(hào)函數(shù)，其定義為：

S 為正態(tài)分布，其均值為0，方差為：

其中，ti是第i 組的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)目。

標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量：

在趨勢(shì)檢驗(yàn)中，對(duì)于給定的置信水平α，若M-K 統(tǒng)計(jì)值|Z|≥Z(1-α)/2時(shí)，拒絕零假設(shè)，即在置信水平α 上，時(shí)間序列數(shù)據(jù)具有上升或下降趨勢(shì)，Z 為正值表示上升趨勢(shì)，Z 為負(fù)值則為下降趨勢(shì)。|Z|≥1.28，表示通過(guò)了α=0.1 的顯著性檢驗(yàn)；|Z|≥1.64，表示通過(guò)了α=0.05 的顯著性檢驗(yàn)；|Z|≥2.32，表示通過(guò)了α=0.01 的顯著性檢驗(yàn)。

（2）突變檢驗(yàn)

為確?！半p聯(lián)”工作扎實(shí)開(kāi)展，常委會(huì)在4月份召開(kāi)了全縣“雙聯(lián)”工作推進(jìn)會(huì)，并研究制定了“雙聯(lián)”工作意見(jiàn)建議辦理流程，對(duì)人大代表在“雙聯(lián)”工作中收集到的意見(jiàn)建議實(shí)行分類辦理機(jī)制。今年以來(lái)，全縣各級(jí)人大代表充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，認(rèn)真盡責(zé)履職，積極投身新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換、鄉(xiāng)村振興、環(huán)保治理、精準(zhǔn)扶貧的主戰(zhàn)場(chǎng)，全縣各人大代表民情聯(lián)絡(luò)站點(diǎn)共接待群眾600余人次，在聯(lián)系群眾、匯聚民意、服務(wù)發(fā)展等方面切實(shí)發(fā)揮了重要作用。

對(duì)于年徑流序列x1，x2，…，xn，Sk為第i 個(gè)樣本xi＞xj（1 ＜i ＜j）的累計(jì)數(shù)，構(gòu)造一個(gè)秩序列其中：

Sk的均值和方差為：

其中，UF1=0。引用此方法到反序列，把反序列xn，xn-1，…，x1重復(fù)上述過(guò)程，并且令UBk=-UFk。取顯著性水平α=0.05，臨界值U0.05=±1.96，將M-K統(tǒng)計(jì)量序列曲線UF、UB 和±1.96 兩條直線繪在一張圖上，若UF 和UB 兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，那交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻是突變時(shí)間的開(kāi)始。

2.集中指數(shù)

CI 指標(biāo)通常被用來(lái)研究各月降水的不均勻性，本文將其引入徑流的年內(nèi)不均勻性分析。

式中：wi為第i月徑流量，w 為年徑流總量，億m3。

表1 兩站徑流變化趨勢(shì)檢驗(yàn)表

圖1 兩站徑流突變分析檢驗(yàn)結(jié)果圖

圖2 兩站徑流集中指數(shù)年際變化過(guò)程圖

三、徑流的趨勢(shì)檢驗(yàn)及突變分析

1.趨勢(shì)檢驗(yàn)

利用漳河觀臺(tái)站、衛(wèi)河元村集站1953—2017年共65年的徑流資料進(jìn)行M-K 趨勢(shì)檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，觀臺(tái)站、元村集站的Z 值為負(fù)，觀臺(tái)站的M-K 統(tǒng)計(jì)量|Z|=5.58，元村集站的M-K統(tǒng)計(jì)量|Z|=5.09，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了0.01 顯著性水平的2.576，說(shuō)明其年徑流量的下降趨勢(shì)十分明顯，觀臺(tái)站尤其是在1978年以后徑流量已下降至接近于0的狀態(tài)。元村集站的徑流量1965年開(kāi)始急劇下降，1968年開(kāi)始緩慢回升，但一直沒(méi)恢復(fù)到1965年的水平，1978年徑流量再次減少，之后趨于平穩(wěn)。

2.突變分析

對(duì)漳河觀臺(tái)站、衛(wèi)河元村集站的徑流序列進(jìn)行突變分析，結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可知，觀臺(tái)站1956年之后，UF 由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值，說(shuō)明徑流量開(kāi)始呈下降趨勢(shì)，1973年開(kāi)始，|UF|大于0.05 置信水平的1.96，說(shuō)明下降趨勢(shì)十分顯著。1974年UF 線與UB 線相交，可知觀臺(tái)站的年徑流量發(fā)生了突變。造成突變的原因是：第一，由于全球氣候變暖使降雨量減少；第二，高強(qiáng)度的人類活動(dòng)；第三，漳河地區(qū)的土地利用發(fā)生了一定的改變。

元村集站的UF 值于1967年后由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值，說(shuō)明徑流量開(kāi)始趨于下降，1976年UF 線與UB 線相交，交點(diǎn)處于0.05置信水平臨界線的±1.96區(qū)間之內(nèi)，此后UF 曲線下降到臨界值之下，說(shuō)明通過(guò)了0.05 的顯著性檢驗(yàn)，徑流量發(fā)生突變。觀臺(tái)站與元村集站的徑流量在20世紀(jì)60年代開(kāi)始趨于減少，且均在20世紀(jì)70年代發(fā)生突變，說(shuō)明漳衛(wèi)河流域在“63·8”大洪水后，高強(qiáng)度的人類活動(dòng)使其徑流發(fā)生變化。

四、徑流量的年內(nèi)分布情況

觀臺(tái)站、元村集站的徑流量年內(nèi)分布十分不均，1—5月徑流量較少且差別不大，6月開(kāi)始增加，7—8月達(dá)到峰值，9月再次回落。徑流量集中在主汛期的7月、8月，其中1950—1990年，最大徑流量穩(wěn)定在8月，2000年之后則提前到7月。汛期6—9月徑流量占多年平均值的比例在70%～80%，總體上，漳衛(wèi)河流域徑流量各月差異十分明顯，呈現(xiàn)“單峰型”，分配比例則差異較小。1950—2010年徑流量由豐轉(zhuǎn)枯，最大月徑流量出現(xiàn)時(shí)間提前。

對(duì)漳衛(wèi)河流域徑流量進(jìn)行集中度年際變化分析，見(jiàn)圖2。由圖2可知，觀臺(tái)站的WCI各年波動(dòng)較大，最大值為1996年的56.34，最小值為1983年的7.89，極值比7.14。其多年平均值為20.90，說(shuō)明徑流量月際變化顯著。年代變化上，徑流量集中度呈現(xiàn)降低—上升—降低—上升的趨勢(shì)，但整體呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明徑流量的年內(nèi)不均勻度逐漸增加。元村集站的WCI各年雖然也有波動(dòng)，但波動(dòng)程度較觀臺(tái)站低，最大值為1966年的45.28，最小值為1961年的9.1，極值比4.98。其多年平均值為14.47，說(shuō)明降水量年內(nèi)季節(jié)變化顯著，但不呈現(xiàn)月際變化。年代變化上，各年代徑流量集中度差異較小，但整體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，說(shuō)明元村集站的徑流量年內(nèi)不均勻度減少，各月徑流量趨向平均。

五、結(jié)論

（1）漳衛(wèi)河流域的徑流量呈下降趨勢(shì)，漳河觀臺(tái)站M-K 統(tǒng)計(jì)值|Z|達(dá)到了5.58，衛(wèi)河元村集站M-K統(tǒng)計(jì)值|Z|達(dá)到5.09，均超過(guò)了α=0.01 的顯著水平，說(shuō)明漳衛(wèi)河流域的徑流量下降顯著。兩站的徑流量均在20世紀(jì)70年代發(fā)生突變，除了氣候變化的影響外，大規(guī)模的人類活動(dòng)是造成徑流減少的主要因素。但兩者的影響不是孤立存在的，在未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)兩者貢獻(xiàn)率的研究，以更有效地為流域管理決策提供支撐。

（2）漳衛(wèi)河流域徑流量年內(nèi)分配不均，各月差異明顯。觀臺(tái)站的徑流量呈月際變化，未來(lái)徑流的分布的不均勻性將增大；元村集站的徑流量呈顯著的季節(jié)性變化，各月徑流將趨于平均。兩站的最大月徑流出現(xiàn)時(shí)間將提前，這在水資源可持續(xù)利用、水文預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中應(yīng)引起足夠的重視■