白龍江舟曲-武都區(qū)間干支流徑流變化特征關(guān)系

馬亞麗, 李 新, 孫棟元, 白祖暉

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學 水利水電工程學院, 蘭州 730070; 2.甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司, 蘭州 730000)

在氣候變化和人類活動的共同作用下，河川徑流作為最為直接和敏感的環(huán)境要素已經(jīng)或正在發(fā)生著變化[1]，極端災害事件頻發(fā)，干旱區(qū)域河川徑流在明顯減少，濕潤地區(qū)洪澇事件增多增強[2]，河流水文情勢的變化必將給區(qū)域生態(tài)平衡和水資源管理帶來嚴峻挑戰(zhàn)[3]，因此，判別水文情勢的變化特征特點對于確保區(qū)域生態(tài)平衡和水資源安全具有重要意義，尤其在水資源普遍缺乏的西北干旱、半干旱地區(qū)，河川徑流作為水資源的重要組成部分，對于其徑流變化特征研究更具有現(xiàn)實意義及國家戰(zhàn)略性。近些年來，許多學者針對包括流量、氣溫、降雨等水文氣象要素的變化特征、相互關(guān)系及其驅(qū)動因子進行研究，已經(jīng)取得一定研究成果。研究表明黃羊河流域徑流的多年變化是相對穩(wěn)定的，氣候變化與人類活動對徑流減少的貢獻率分別為46.24%和53.76%[4]。遼河實測徑流量自20世紀70年代以來減少明顯[5]。在氣候變化和人類活動的雙重影響下，黃河的水文過程發(fā)生了劇烈變化，河川徑流量顯著變化，且不同河段河川徑流量變化規(guī)律也有所不同[6-7]。涇河年徑流量、汛期徑流量與非汛期徑流量均呈現(xiàn)出顯著減少趨勢，其Hurst指數(shù)均大于0.5，表明未來與當前趨勢有一定持續(xù)性，預測未來將呈現(xiàn)持續(xù)減少趨勢[8]。近年來隨著資源、環(huán)境被越來越多專家和學者關(guān)注，對于白龍江相關(guān)的研究重點集中在流域生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)災害預測與防治、氣候變化、河川徑流等方面。鞏杰等[9]基于遙感數(shù)據(jù)，運用GIS和InVEST模型分析了甘肅白龍江流域生境質(zhì)量時空分異特征，認為生境質(zhì)量總體表現(xiàn)出先降低后緩慢增加的趨勢。陳宗良等[10]以白龍江流域中上游第四紀沉積物為研究對象，認為其災害效應主要表現(xiàn)為崩滑效應和對泥石流的補給效應。魏宏慶等[11]剖析了白龍江中游干旱河谷地理環(huán)境與水土流失作用關(guān)系，并配置水土保持防治措施體系，為建立綜合治理模式提供有效參考。張曉曉等[12]以1961—2010年白龍江上游徑流與降水資料為基礎(chǔ)，表明上游徑流呈極顯著減少趨勢，且1990年以后人類活動逐漸成為影響徑流變化的主要因素。以往對于白龍江河川徑流的研究多集中于河流干流的一個或多個水文站的徑流變化特征分析研究，缺乏對于干流與支流變化特征關(guān)系的探討研究，本文以白龍江舟曲—武都區(qū)間段干支流的徑流變化特征關(guān)系為研究對象，采用干流2個水文站及支流3個水文站1981—2015年35 a的同期逐月徑流資料對白龍江干支流徑流變化特征進行研究，從多角度揭示徑流變化趨勢、突變特點及干支流之間的關(guān)系，以期為水資源的開發(fā)利用及河流治理與保護提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

白龍江是長江左岸嘉陵江上游的最大支流，即長江的二級支流，嘉陵江的一級支流。發(fā)源于甘肅省甘南州與四川省交界的郎木寺，流經(jīng)甘肅省東南部的迭部縣、舟曲縣、宕昌縣、武都區(qū)和文縣，經(jīng)碧口鎮(zhèn)流出甘肅省省界，最終在四川省廣元市昭化縣寶輪鎮(zhèn)附近匯入嘉陵江。地理坐標東經(jīng)102°30′—105°40′，北緯32°20′—34°10′，甘肅省段長475 km，流域面積為1.84×104km2。地勢西北高、東南低，主要表現(xiàn)為山地地貌、河谷地貌。流域地處暖溫帶與亞熱帶過渡地段，夏季高溫多雨，冬季溫暖少雨，年均溫6～14.9℃，年降水量約400～850 mm，且主要集中在5—10月[13]，旱雨季明顯，年降水由南向北呈現(xiàn)遞減趨勢，東南多于西北，相對濕度60%，日照時間1 800 h，蒸發(fā)量達2 500 mm[11]。

2 資料與方法

2.1 水文觀測數(shù)據(jù)

采用1981—2015年白龍江流域(舟曲站、武都站、宕昌站、黃鹿壩站、馬街站)5個水文站35 a同期逐月徑流數(shù)據(jù)資料，所用數(shù)據(jù)均來自甘肅省水文水資源勘測局。其中舟曲站、武都站位于白龍江干流，宕昌站、黃鹿壩站、馬街站位于舟曲—武都區(qū)間段的一級支流，即岷江、拱壩河、北峪河。舟曲—武都區(qū)間干流徑流量為舟曲站和武都站來水量之差；區(qū)間入流為5個水文站之間的來水量，即武都站與其他4站來水量之差；宕昌徑流量為岷江宕昌以上流域來水量；黃鹿壩徑流量為拱壩河黃鹿壩以上流域來水量；馬街徑流量為北峪河馬街以上流域來水量。水文測站基本信息見表1。

2.2 研究方法

(1) 累積距平法。累積距平法利用累積距平曲線反映變化趨勢，若累積距平曲線顯示上升趨勢，則累積距平值增加，距平值為正；若顯示下降趨勢，則累積距平值減少，距平值為負；同時可判斷發(fā)生突變時間。

表1 水文測站基本信息

累積距平值表示為：

(1)

(2) Mann-Kendall趨勢檢驗。假定H0={x1，x2，…，xn}為時間序列，n為時間序列的長度，xk，xj分別為第k，j年的流量值，在滿足零假設(shè)(H0)即數(shù)據(jù)序列沒有趨勢時，定義統(tǒng)計量S

(2)

確定方差V和標準正態(tài)系統(tǒng)變量U

(3)

(4)

式中:U>0,序列呈增加(上升)趨勢;U<0為減少(下降)趨勢;若|U|越大,表示序列趨勢變化越顯著,當顯著水平α給定時，|U|大于置信區(qū)間臨界值1.28,1.96,2.58時,分別表示通過了信度90%,95%,99%的顯著性檢驗;H0數(shù)據(jù)無趨勢的假設(shè)被拒絕[14-17]。

(3) Mann-Kendall突變檢驗。首先構(gòu)建時間序列的秩序列為：

(5)

(6)

式中:E(Sk)和Var(Sk)為Sk的數(shù)學期望和方差,其不偏估計量表達式為

(7)

(8)

將原有時間序列進行逆序，對逆時間序列計算，獲得UBk=-UFk。根據(jù)UFk大于0或小于0，判斷序列上升或下降趨勢，若UFk和UBk序列點在置信范圍內(nèi)存在交點，則說明該交點是突變點[14-17]。

(4) 雙累積曲線。雙累積曲線是在直角坐標系中兩個不同變量同期內(nèi)連續(xù)累加值所構(gòu)建的關(guān)系曲線，常用于水文氣象要素長期演變趨勢及一致性的檢驗分析[18]。干流徑流量與支流徑流量及各支流徑流量所構(gòu)建的雙累積曲線可利用關(guān)系曲線斜率表征水文變量的階段性特征，從而探究河川徑流演變趨勢過程，并依據(jù)回歸分析曲線構(gòu)建的兩變量關(guān)系式，進一步量化分析各支流對徑流情勢演變過程的影響程度[19-20]。

3 結(jié)果與分析

3.1 干支流徑流量年際變化及趨勢

舟曲—武都區(qū)間白龍江干流多年平均徑流量為14.13億m3/a，該區(qū)間上的3條支流，岷江宕昌站、拱壩河黃鹿壩站、北峪河馬街站多年平均徑流量依次為3.14億m3/a，4.84億m3/a，0.14億m3/a，干流區(qū)間入流6.01億m3/a，占比分別為22.22%，34.22%，0.99%，42.56%，區(qū)間入流量最大，北峪河支流徑流量最小，不足1%。徑流量與不同站點的集水面積大小及氣候條件、地形地貌有關(guān)，降雨量、集水面積、坡度越大，其徑流量也相應越大。各站年徑流量整體呈現(xiàn)下降趨勢，其中1981—1993年徑流量均值大于多年平均水平，為豐水期，1994—2015年徑流量均值小于多年平均值，為枯水期，具體見圖1；各站累積距平曲線均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，以1993年為分界點，1993年前高于多年均值，1993年后低于多年均值，具體見圖2。各站徑流量線性傾向變化率不同，舟曲—武都區(qū)間干流線性傾向變化率最大，為-2.16億m3/10 a，35 a減少量達到7.56億m3，其次黃鹿壩站為-0.84億m3/10 a，宕昌站為-0.56億m3/10 a，馬街變化率最小，僅為-0.05億m3/10 a，35 a減少量達到0.18億m3。相比區(qū)間干流減少量，支流拱壩河占比38.89%，支流岷江占比25.93%，北峪河占比2%，區(qū)間入流占比32.8%，可見支流拱壩河和區(qū)間入流對于區(qū)間干流的變化有明顯影響。白龍江流域自20世紀50年代以來，特別是90年代以來，由于氣候變化和大肆砍伐森林等人類活動的影響，降雨量總體上呈現(xiàn)顯著下降趨勢，并且降水是白龍江流域徑流的主要補給來源，舟曲—武都區(qū)間降雨量的顯著減少趨勢是導致徑流顯著性下降的主要原因，徑流變化趨勢與降雨量總體趨勢相一致。

圖1 干支流徑流量年際變化過程

圖2 干支流徑流量累積距平

采用M-K法對各水文站的年徑流系列進行趨勢檢驗，將計算結(jié)果與顯著性水平分別為0.1，0.05，0.01的置信區(qū)間臨界值±1.28，±1.96，±2.58對比，可以看出宕昌、黃鹿壩檢驗統(tǒng)計量U均小于-2.58，達到了0.01的顯著性水平，馬街、舟曲—武都干流區(qū)間檢驗統(tǒng)計量U均小于-1.96，達到了0.05的顯著性水平，且統(tǒng)計量U全部為負值，可見，年徑流變化趨勢呈現(xiàn)顯著下降趨勢，顯著性水平均在0.05以上。對比圖1中干支流徑流量年際變化過程，計算結(jié)果與年際變化趨勢一致。徑流變化趨勢檢驗結(jié)果見表2。

3.2 干支流徑流量變化突變分析

白龍江支流岷江上的宕昌站統(tǒng)計量UFk除1984年外，均小于0，呈現(xiàn)下降趨勢，與M-K趨勢檢驗結(jié)果一致，顯著性水平0.01，在95%的置信水平條件下，年徑流突變的臨界年份為1986年。支流拱壩河上黃鹿壩站UFk除1983—1986年、1990年大于0，呈現(xiàn)上升趨勢，其他年份均小于0，為下降趨勢，顯著性水平0.01，突變年份為1994年。支流北峪河上馬街站UFk除1984—1985年、1992—1994年大于0，呈現(xiàn)上升趨勢，其他年份均小于0，為下降趨勢，顯著性水平0.05，突變年份為1991年。舟曲—武都區(qū)間白龍江干流UFk除1985外，其他年份均小于0，為下降趨勢，顯著性水平0.05，突變年份為1986年，具體見圖3。徑流突變主要源于降雨等氣象因素存在顯著的變化，徑流突變的臨界年份前后均值變化明顯，徑流的形成除受流域氣候因素的影響，還與下墊面等因素密切相關(guān)。各支流具有空間異質(zhì)性，地形地貌、氣象、地質(zhì)、植被等各方面存在差異，地勢西北高東南低，為典型的高、中山峽谷區(qū)，氣候分布不均勻，自西北向東南由亞熱帶濕潤氣候過渡到高寒濕潤氣候，降水自上游至中游逐漸減小，多方面因素共同作用造成各支流突變年份并不完全一致。

表2 白龍江干支流徑流量變化趨勢檢驗

圖3 干支流徑流量M-K突變檢驗

各站以突變點劃分前后時段為基準期與變化期，統(tǒng)計不同時段的徑流特征參數(shù)值，見表3。各站年徑流量均呈下降趨勢，宕昌站由基準期4.37億m3/a降至變化期2.89億m3/a，較基準期減少33.87%；黃鹿壩站由基準期5.94億m3/a降至變化期4.10億m3/a，減少率30.98%；馬街站由基準期0.22億m3/a降至變化期0.10億m3/a，減少率54.55%；舟曲—武都區(qū)間干流由基準期20.16億m3/a降至變化期12.88億m3/a，減少率36.11%，盡管年徑流量最小，突變年份前后馬街減少率最大，其次為舟曲—武都區(qū)間干流。各站各時期變差系數(shù)與極值比存在差異，表明各站徑流年際波動變化明顯。宕昌1986年前后由特豐水年變?yōu)槠剿?，黃鹿壩1994年前后由特豐水年變?yōu)槠菟辏R街1991年前后由特豐水年變?yōu)樘乜菟?，舟曲—武都區(qū)間干流1986年前后由特豐水年變?yōu)槠剿?。突變年份前后各時期呈現(xiàn)不同的年景分布，與各支流的地形地貌、氣象、植被覆蓋等氣候及下墊面條件差異有關(guān)。

表3 干支流徑流量時段變化特征

3.3 干支流變化特征關(guān)系

根據(jù)舟曲—武都區(qū)間干流M-K突變檢驗，突變點為1986年，以1986年為界，1981—1986年為基準期，1987—2015年為變化期，利用累積量斜率變化率(SCRCQ法)探討舟曲—武都區(qū)間3條支流對于白龍江干流的影響，計算得到各支流和區(qū)間入流對舟曲—武都區(qū)間干流1986年前后出現(xiàn)變化的影響率大小，是變化期對比基準期斜率變化的反映，從各部分徑流1986年前后變化率的角度得到各部分的影響率。具體見表4。

表4 支流徑流對干流徑流影響影響率

根據(jù)舟曲—武都區(qū)間的白龍江干流累積徑流量—年份曲線(圖4)，基準期斜率為19.83，變化期斜率12.19，變化期較基準期的變化率-38.55%。依據(jù)舟曲—武都干流累積徑流量—支流各站累積徑流量曲線(圖5)，支流岷江宕昌站基準期斜率由4.82變?yōu)樽兓谛甭?.52，變化率-6.28%，對舟曲—武都干流徑流變化影響率為16.29%；支流拱壩河黃鹿壩站基準期斜率由3.29變?yōu)樽兓谛甭?.72，變化率-17.34%，對舟曲—武都干流徑流變化影響率為44.97%；支流北峪河為一條徑流量較小的支流，多年平均徑流量僅為0.14億m3/a，占舟曲—武都干流多年徑流量的0.99%，比重不足1%，對于舟曲—武都區(qū)間干流影響十分有限，這里考慮其影響率為1%；與三條支流影響率做差，剩余的干流區(qū)間入流影響率為37.74%?？梢?，對于舟曲—武都區(qū)間白龍江干流徑流變化，拱壩河支流變化影響最大，其次是干流區(qū)間入流變化、岷江支流變化，最后是北峪河小支流的影響。影響率大小除與各支流的徑流量大小有關(guān)，也與其徑流變化率相關(guān)，北峪河馬街站徑流量占比不足1%，影響率最小，雖然區(qū)間入流徑流量大于拱壩河黃鹿壩徑流量，但因拱壩河徑流變化率較大，其影響率最大。

圖4 舟曲-武都累積徑流-年份曲線

圖5 宕昌站和黃鹿壩站徑流雙累積曲線

4 結(jié) 論

(1) 1981—2015年35 a舟曲—武都區(qū)間白龍江干流多年平均徑流量14.13億m3/a，岷江宕昌站、拱壩河黃鹿壩站、北峪河馬街站、舟曲—武都干流區(qū)間入流分別為3.14億m3/a，4.84億m3/a，0.14億m3/a，6.01億m3/a，舟曲—武都干流區(qū)間入流占比最大為42.56%，其次支流拱壩河34.22%，支流北峪河占比最小為0.99%，可見就徑流量而言，區(qū)間入流量明顯高于支流徑流量。各站徑流年際變化整體呈現(xiàn)顯著下降趨勢，且顯著性水平達到0.05以上。

(2) 各站徑流量線性傾向變化率不同，線性傾向變化率舟曲—武都區(qū)間干流最大，為-2.16億m3/10 a，35 a減少量高達7.56億m3，其次黃鹿壩和宕昌-0.84億m3/10 a、-0.56億m3/10 a，減少量分別為2.94億m3,1.96億m3，馬街變化率最小為-0.05億m3/10 a，減少量0.18億m3，相比區(qū)間干流減少量，支流拱壩河占比38.89%，支流岷江占比25.93%，北峪河占比2%，區(qū)間入流占比32.8%，可見支流拱壩河和區(qū)間入流對于區(qū)間干流的變化有明顯影響。

(3) 在95%的置信水平條件下，舟曲—武都區(qū)間白龍江干流、白龍江支流岷江上的宕昌站、白龍江支流拱壩河上黃鹿壩站、白龍江支流北峪河上馬街站突變年份依次為1986年、1986年、1994年、1991年，突變年份前后年景分別為特豐水年—平水年、特豐水年—平水年、特豐水年—偏枯水年、特豐水年—特枯水年。各站統(tǒng)計量UFk除個別年份外，大部分年份均小于0，呈現(xiàn)下降趨勢，與M-K趨勢檢驗結(jié)果一致。

(4) 對于舟曲—武都區(qū)間白龍江干流徑流變化，舟曲—武都區(qū)間干流變化期較基準期的變化率-38.55%、支流岷江宕昌站變化率-6.28%、支流拱壩河黃鹿壩站變化率-17.34%，1986年前后拱壩河變化大于岷江，拱壩河支流變化影響最大，為44.97%，其次是干流區(qū)間入流變化，影響率為37.74%，再其次為岷江支流變化，影響率16.29%，最后是北峪河小支流的影響，影響率為1%。