變化環(huán)境下棗莊市降水徑流演變趨勢分析

韓 梅 張海龍 杜雪梅

（1.棗莊市水文中心 棗莊 277800 2.五河縣水旱災(zāi)害防御中心 五河 233300 3.濟(jì)南市水文中心 濟(jì)南 250000）

1 引言

棗莊市是魯南地區(qū)重要的政治、經(jīng)濟(jì)、交通和文化中心，屬淮河流域，全市總面積4563km2。轄5區(qū)1 市，1 個(gè)高新區(qū)。近年來，由于受氣候變化及人類活動(dòng)影響，城市水資源供需矛盾日益突出，對社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成威脅。變化環(huán)境下的水資源、水生態(tài)、水環(huán)境問題業(yè)已引起棗莊市各級(jí)政府的廣泛關(guān)注。本文目的旨在通過對降水、徑流演變規(guī)律分析研究，揭示變化環(huán)境下水資源演變規(guī)律，研究成果對了解旱澇氣候變化規(guī)律具有重要意義，可為區(qū)域防汛抗旱、水資源合理配置和可持續(xù)開發(fā)利用決策提供參考。

2 分析方法

首先采用距平曲線判斷降水、徑流序列變化的大體趨勢；然后用Mann-Kendall 趨勢分析檢驗(yàn)法(簡稱M-K 法)判斷其具體的演變趨勢[1]；最后通過相關(guān)分析法判斷兩者間的相關(guān)關(guān)系。

假設(shè)有一時(shí)間序列如下：X1、X2、X3……Xn，其趨勢檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量公式為：

M-K 法統(tǒng)計(jì)量公式S 大于、等于、小于零時(shí)，計(jì)算公式分別為：

Z 為正值表示增加趨勢，負(fù)值表示減少趨勢； Z 絕對值大于等于1.28、1.64、2.32 時(shí)表示分別通過了信度90%、95%、99%顯著性檢驗(yàn)。

用M-K 法檢驗(yàn)時(shí)間序列的突變，首先假設(shè)一時(shí)間序列X1，X2，X3……Xn，mi表示Xi＞Xj（1 ≤j ≤i）的積累數(shù)。定義統(tǒng)一量dk，假定原序列隨機(jī)獨(dú)立，則dk的均值、方差計(jì)算公式分別為：

將dk標(biāo)準(zhǔn)化：

3 演變趨勢分析

3．1 降水量時(shí)空變化

棗莊市水資源比較豐富，但降雨、徑流的時(shí)空分布不均勻，年際之間水量變化懸殊很大，而每年的地表徑流主要集中在汛期；除韓莊運(yùn)河和伊家河外都是流程很短的季節(jié)性河流，枯季其流量甚微。根據(jù)棗莊市18 處常年雨量站1950—2011年資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，全市多年平均降水量為799.6mm，其中汛期6—9月降水量為578.2mm，約占全年降水量72.4%；10月—次年5月降水量為220.8mm，約占全年降水量的27.6%；最大月平均降水量大都出現(xiàn)在7月，7月降水量多年平均值為233.3mm，占全年平均降水量的29.2%；最小月平均降水量大都出現(xiàn)在1月，1月降水量多年平均值為11.60mm，約占全年1.5%。最大年份與最小年份間降水量相差2.5倍，其中以2003年最大，為1237mm，其次較大的年份有2005年、1998年、2007年、1985年；降水量較少的年份有1988年、1981年和2002年，比多年平均少280mm 以上。汛期降水量2005年最大，為918.0mm，其次較大的年份有2003年、2004年、2007年、2008年；降水量較少的年份有2002年、1997年、1988年，比多年平均少200mm 以上。非汛期降水量1998年最大，為404.5mm，其次較大的年份有1985年、2003年、1991年、1987年；降水量較少的年份有1986年、1981年、2001年、2010年、1984年，比多年平均少100mm 以上。

3．2 徑流量時(shí)空變化

用十字河流域柴胡店水文站地表徑流量資料進(jìn)行徑流量演變趨勢分析。徑流量年內(nèi)分布與降水量分布相近。多年年均徑流量為1.95 億m3，最大年份與最小年份間徑流量相差97 倍，其較大有1958年、1963年、2004年、2005年；較少的有1981年、1983年、1988年、2002年，比多年平均少1.50 億m3以上。汛期徑流量較大的有1957年、1958年、1963年、1970年；徑流量較少的有1982年、1983年、1989年、2002年，比多年平均少1.20 億m3以上。非汛期徑流量較大的有1969年、1973年、1975年、1984年；徑流量較小的有1989年、1999年、2001年、2002年。

3．3 降水徑流量趨勢檢驗(yàn)分析

根據(jù)M-K 法的基本原理及相應(yīng)計(jì)算公式，以信度95%作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，分別對年降水、汛期降水、非汛期降水和年徑流量、汛期徑流量、非汛期徑流量演變趨勢進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 M-K 趨勢檢驗(yàn)成果表

從表1 和往年資料可見，年降水量、汛期降水量和非汛期降水量均有微弱增加趨勢，但都未能通過顯著性檢驗(yàn)；年徑流量有微弱減少趨勢，但未能通過顯著性檢驗(yàn)；汛期徑流量有微弱增加趨勢，但也未能通過顯著性檢驗(yàn)；非汛期徑流量具有顯著的減少趨勢，并通過顯著性檢驗(yàn)；個(gè)別年份年降水量、汛期降水量、非汛期降水量和年徑流量、汛期徑流量、非汛期徑流量均出現(xiàn)突變點(diǎn)。

3．4 降水量與徑流量相關(guān)性分析

分別對全年、汛期和非汛期降水量與徑流量的相關(guān)性進(jìn)行分析，由圖1 結(jié)果可見，年降水量與年徑流量、汛期降水與汛期徑流量相關(guān)性相對較好，相關(guān)系數(shù)在0.76 以上；而非汛期降水與非汛期徑流量相關(guān)性差，相關(guān)系數(shù)僅為0.2426。

圖1 降水量與徑流量相關(guān)圖

4 影響降水徑流關(guān)系變化的因素分析

4．1 用水量增加

隨著流域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口的增加，工農(nóng)業(yè)、商業(yè)、畜牧業(yè)和生活用水大幅度增加。上游用水量的增加加大了水資源的開發(fā)利用，減少了入河地表徑流量。

4．2 水利工程影響

近年來河道上建設(shè)了大量的攔河閘壩，攔蓄河道地表水，用于景觀用水或農(nóng)業(yè)灌溉；同時(shí)，攔河閘壩蓄水也增加了地下水的補(bǔ)給量，使得通過下游水文站斷面的徑流量減少。

4．3 林業(yè)植被率增大

為改善日益惡化的生態(tài)環(huán)境，涵養(yǎng)水源，近年來?xiàng)椙f市開展了退耕還林的水土保持綜合治理工作，增大了林業(yè)植被。國內(nèi)外森林水文觀測結(jié)果都表明，森林覆蓋率與區(qū)域產(chǎn)水量呈負(fù)相關(guān)。林業(yè)對徑流的影響表現(xiàn)在對降水有截留作用，同時(shí)地面的枯枝落葉層和林木根系有涵養(yǎng)水源的作用，可使相當(dāng)一部分降水滲入地下，成為地下徑流，對入河徑流也產(chǎn)生了一定的影響。

4．4 降水特征與厄爾尼諾現(xiàn)象關(guān)系

環(huán)境的大氣候背景決定了區(qū)域內(nèi)小氣候，異常的降水常出現(xiàn)在厄爾尼諾現(xiàn)象或者反厄爾尼諾現(xiàn)象發(fā)生年，棗莊市除1982年、1986年、1988年、1989年比多年平均值小外，其他均比多年平均值大100mm以上，說明區(qū)域內(nèi)的降水量多寡受全球氣候影響。

5 結(jié)語

應(yīng)用1961—2008年棗莊市區(qū)域內(nèi)十字河流域降水、徑流資料對其年際變化進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：（1）年降水量總體變化趨勢不顯著，汛期降水仍然是年降水的主要來源，降水量多寡受全球氣候影響而變化；（2）年徑流量有微弱減少趨勢，而非汛期徑流量減少趨勢更為明顯；（3）年降水量與年徑流量、汛期降水量與汛期徑流量的相關(guān)關(guān)系較好，但也僅為0.7605 和0.7877，表明人類活動(dòng)一定程度改變了區(qū)域產(chǎn)匯流條件和徑流量時(shí)空分布；（4）非汛期降水量與非汛期徑流量相關(guān)關(guān)系差，僅為0.2426，非汛期徑流量的減少，一定程度上影響了水利工程攔蓄水和開發(fā)利用，也給區(qū)域非汛期水資源利用及地表、地下徑流合理配置提出了新的、更高的要求