西營(yíng)河出山口徑流變化規(guī)律及其影響因素分析

徐桂霞，鄭自寬，黃維東，2，宋愛英，朱 詠

(1.甘肅省水文站，甘肅 蘭州 730031；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州 730070)

受氣候變化和人類活動(dòng)的影響，河流來水發(fā)生顯著變化，使區(qū)域供水和生態(tài)用水安全面臨挑戰(zhàn)。地處西北內(nèi)陸干旱區(qū)的石羊河流域因水資源短缺、用水矛盾突出、生態(tài)環(huán)境脆弱，備受國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注[1-2]。自2001年以來，通過石羊河流域綜合治理，采取總量控制、定額管理、節(jié)約用水、關(guān)井壓田、生態(tài)調(diào)水等一系列措施，區(qū)域生態(tài)環(huán)境逐步改善，下游曾一度干涸的青土湖再現(xiàn)碧波蕩漾。西營(yíng)河是石羊河上游的8大支流之一，在2019年河道管理范圍劃定中，甘肅省水行政主管部門將西營(yíng)河確定為石羊河的干流源頭。2006—2020年從西營(yíng)河直接向下游累積調(diào)水15.9億m3，占下游調(diào)水控制斷面蔡旗水文站總來水的37.2%，在完成石羊河流域綜合治理生態(tài)調(diào)水任務(wù)中發(fā)揮了重要作用[3-4]。

近年來，研究石羊河流域水資源變化規(guī)律的文章較多，但分析研究西營(yíng)河徑流變化規(guī)律及其影響因素的較少。商玲[5]研究構(gòu)建了基于HIMS系統(tǒng)的西營(yíng)河流域分布式水文模型，當(dāng)氣溫降低1℃、降水增加20%時(shí)，年徑流量增加了23.41%。鐘秀玲[6]對(duì)西營(yíng)河九條嶺水文站多年的實(shí)測(cè)徑流資料進(jìn)行了分析，實(shí)測(cè)徑流資料呈豐、平、枯交替變化，徑流年際變化小，年內(nèi)分配不均，主要集中在6—9月。陳庭興[7]等研究西營(yíng)河九條嶺水文站1972—2019年逐年洪水水文要素摘錄表，得出山區(qū)徑流受氣候變化影響顯著，增溫變枯現(xiàn)象普遍。以上文獻(xiàn)分別采用不同方法分析了西營(yíng)河流域年徑流變化規(guī)律，但未分析不同時(shí)間尺度下徑流與氣候因子的相關(guān)關(guān)系。

本文采用最新水文、氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了西營(yíng)河出山徑流時(shí)空分布特征及其影響因素，建立了年、汛期、月等不同時(shí)間尺度的徑流與氣候因子相關(guān)關(guān)系，對(duì)精準(zhǔn)掌握西營(yíng)河出山口徑流變化規(guī)律，為石羊河流域生態(tài)調(diào)水、水資源管理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有十分重要的意義。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

西營(yíng)河發(fā)源于祁連山冷龍嶺北麓，是石羊河水系上游8條支流之一，研究區(qū)主要包括西營(yíng)河出山口控制站九條嶺水文站以上集水區(qū)域，河源高程4854m，流域面積1077km2。山區(qū)多年平均降水量450，水面蒸發(fā)量1050，多年平均氣溫6℃，全年無霜期176d；河谷盆地多年平均降水量179mm，水面蒸發(fā)量2000，多年平均氣溫7.5℃，全年無霜期210d。河流源頭植被較好，中高山區(qū)有喬、灌林和草原覆蓋，有林地4500hm2，草地8100hm2。西營(yíng)河上游主要由寧昌河與水管河2條主要支流組成，最早于1955年1月設(shè)立了四溝咀水文站，控制流域面積1455km2，后因修建西營(yíng)水庫(kù)，水文監(jiān)測(cè)受到影響，1972年1月上遷65km至九條嶺，觀測(cè)至今。九條嶺水文站實(shí)測(cè)多年平均年徑流量3.70億m3，最大年徑流量4.42億m3(1989年)，最小年徑流量2.12億m3(1991年)，河流多年平均含沙量0.34kg/m3。

1.2 資料與方法

徑流和洪水資料選取建站以來實(shí)測(cè)資料系列，對(duì)1972年以前四溝咀水文站資料采用水文比擬法，推算至九條嶺測(cè)驗(yàn)斷面；降水分析采用甘肅水文部門設(shè)立的九條嶺雨量站1956—2016年觀測(cè)資料，由于西營(yíng)河流域雨量站稀少，除了九條嶺站，又參照分析了鄰近的東灘、水磨溝、洪溝等3個(gè)雨量站1956—2016年觀測(cè)資料；氣溫資料采用烏鞘嶺、古浪、九條嶺3處氣象站1956—2016年觀測(cè)資料，對(duì)部分缺測(cè)資料采用相鄰站點(diǎn)相關(guān)法進(jìn)行了插補(bǔ)延長(zhǎng)。以上資料均為水文、氣象部門按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范監(jiān)測(cè)、整編成果，數(shù)據(jù)可靠，精度較高，滿足分析計(jì)算需要。

分析水文氣象要素歷年變化時(shí)，主要通過繪制各要素歷年變化過程線和差積曲線，根據(jù)變化趨勢(shì)方程的斜率大小，判斷其總體增減強(qiáng)度；以降水、氣溫為主要影響因子，分別建立了汛期、年、月等不同時(shí)間尺度的徑流與氣候因子相關(guān)關(guān)系[8]。

(1)水文比擬法

水文比擬法是以流域間的氣候和下墊面因素相似性為基礎(chǔ)，將相似流域的水文資料移用至研究流域的一種簡(jiǎn)便方法。本次研究將下游四溝咀水文站1956—1971年徑流資料推算至九條嶺水文站，采用公式為：

(1)

式中，W研、W參—研究站和參證站的徑流量，億m3；F研、F參—研究站和參證站的集水面積，km2。

(2)徑流趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)

采用kendall相關(guān)法、spearman相關(guān)法、線性趨勢(shì)法等3種方法對(duì)九條嶺站徑流變化趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，顯著性水平α=0.05，統(tǒng)計(jì)量臨界值|U|=1.96，|T|=1.64；采用有序聚類法、Lee-Heghinan法對(duì)九條嶺站徑流量序列跳躍點(diǎn)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，顯著性水平α=0.05，統(tǒng)計(jì)量臨界值|T|=1.64。以上方法為非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，能夠很好地對(duì)變量進(jìn)行變化趨勢(shì)和突變檢驗(yàn)分析，已廣泛應(yīng)用于氣溫、降水、徑流等水文和氣象要素的分析[9]。

(3)相關(guān)分析法

相關(guān)分析是研究2個(gè)或2個(gè)以上處于同等地位的隨機(jī)變量間的相關(guān)關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析方法。在河西內(nèi)陸河流域，河流徑流的多少主要受降水和氣溫的影響，一般通過建立徑流與氣候因子的相關(guān)關(guān)系，以相關(guān)系數(shù)及其顯著性來判斷徑流對(duì)氣候因子的響應(yīng)，計(jì)算公式如下：

W=f(P)，W=f(T)，W=f(T，P)

(2)

式中，W—徑流量；T—平均氣溫；P—降水量。

2 徑流變化

2.1 徑流年際變化

點(diǎn)繪九條嶺水文站1956—2016年徑流過程及差積曲線如圖1所示，歷年徑流過程總體呈豐、平、枯交替變化，其中1956—1961年持續(xù)增加，1962—1990年基本持平小有波動(dòng)，1991—2002年持續(xù)減少，2003—2007年持續(xù)增加，2008—2016年又有減少趨勢(shì)。歷年徑流總體上略有減少。

圖1 九條嶺站歷年徑流變化過程線圖

采用kendall相關(guān)法、spearman相關(guān)法、線性趨勢(shì)法等3種方法對(duì)九條嶺站年徑流量趨勢(shì)性進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見表1，年徑流量趨勢(shì)均呈不顯著減少趨勢(shì)。采用有序聚類法、Lee-Heghinan法對(duì)九條嶺站年徑流量序列跳躍點(diǎn)顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見表2，年徑流量序列主要出現(xiàn)3個(gè)跳躍年份，分別為1961、1990、2002年，與年徑流變化過程線一致。1962—1990年徑流量比1956—1961年減少0.42億m3，減少了11.6%；1991—2002年徑流量比1962—1990年減少0.50億m3，減少了15.6%；2003—2016年徑流量比1991—2002年增加0.68億m3，增加了25.1%。

表1 九條嶺站年徑流量趨勢(shì)性檢驗(yàn)結(jié)果

表2 九條嶺站年徑流量序列跳躍點(diǎn)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

2.2 徑流年內(nèi)分配

九條嶺水文站多年平均月徑流量年內(nèi)分配如圖2(a)所示，徑流主要集中在5—9月，占全年徑流量的80.0%，10—4月僅占20.0%。各年代汛期與非汛期徑流占全年的百分比變化如圖2(b)所示，可見在20世紀(jì)90年代以前，汛期徑流占比一直在增加，非汛期占比在減小，90年代后，汛期徑流占比逐漸減小，非汛期占比在增加，徑流年內(nèi)分配趨于均勻。

圖2 九條嶺站徑流年內(nèi)分配圖

2.3 洪水過程分析

汛期暴雨產(chǎn)生的洪水是西營(yíng)河徑流的主要組成部分，選取九條嶺站4場(chǎng)次典型洪水過程分析洪水的特點(diǎn)如圖3所示。西營(yíng)河幾次洪水過程均為復(fù)式洪峰，即連續(xù)出現(xiàn)3～5個(gè)洪峰，主要是由近到遠(yuǎn)不同區(qū)域暴雨形成的洪水過程。較大的2場(chǎng)洪水先出現(xiàn)小的洪峰、后出現(xiàn)大的洪峰，這主要是全流域發(fā)生降水，暴雨中心偏于上游，下游區(qū)域降水相對(duì)較少，先形成較小的洪水，接著上游洪水疊加進(jìn)來形成更大的洪峰，如圖3(a)(b)所示；較小的2場(chǎng)洪水首先出現(xiàn)最大的洪峰、后出現(xiàn)小的洪峰，這主要是暴雨中心偏于下游，下游先形成最大洪水，接著降水量較小的上游小洪水才延遲到達(dá)出口斷面，如圖3(c)(d)所示。可見汛期洪水過程主要受流域降水的時(shí)空分布影響。

圖3 九條嶺站典型洪水過程

3 徑流影響因素分析

3.1 影響徑流的主要因素

內(nèi)陸河流域地表徑流主要由降水和冰雪融水補(bǔ)給，出山口以上河流水量的影響因素主要為降水和氣溫。西營(yíng)河月年徑流與降水、氣溫的單因子相關(guān)和復(fù)相關(guān)系數(shù)見表3，可見年徑流與降水的相關(guān)關(guān)系最好，與降水、氣溫的復(fù)相關(guān)次之，與氣溫的相關(guān)關(guān)系較差，說明西營(yíng)河的年徑流總量主要受年降水的影響；6—9月徑流與降水的相關(guān)性較好；3—4月徑流與氣溫的相關(guān)性較好；5月和10月徑流與降水、氣溫的復(fù)相關(guān)性較好；冬季枯水期(1—2月、11—12月)地表徑流主要由地下水滲漏補(bǔ)給，與氣溫、降水的關(guān)系不大。

表3 西營(yíng)河九條嶺站徑流與氣候因子相關(guān)系數(shù)

3.2 氣溫變化

點(diǎn)繪烏鞘嶺、古浪、九條嶺站歷年平均氣溫過程線，如圖4(a)所示；其多年平均氣溫年內(nèi)分布如圖4(b)所示。各站歷年氣溫總體呈上升趨勢(shì)，每10年增加0.1～0.4℃。氣溫的年內(nèi)分布，其中1—2月、11—12月各站氣溫均在零下，1月最低為-11.5～-8.8℃；烏鞘嶺、九條嶺3月氣溫在零下；4—10月氣溫在零上，7月最高為13.1～17.5℃。

圖4 九條嶺站氣溫年際年內(nèi)變化

3.3 降水量變化

點(diǎn)繪4個(gè)代表站歷年降水量過程線如圖5(a)所示，其多年平均降水量年內(nèi)分配圖如圖6(b)所示。歷年降水量除洪溝站總體呈減少趨勢(shì)，年均減少0.27mm外，其余3站均呈增加趨勢(shì)，年均增加0.63～1.04mm。降水量的年內(nèi)分配不均，主要集中在5—9月，占全年的77.8%～84.7%，10—次年4月僅占15.3%～22.2%。

圖5 代表站降水量年際年內(nèi)變化

3.4 徑流與氣溫、降水關(guān)系分析

根據(jù)影響西營(yíng)河九條嶺站徑流的氣候因子建立相關(guān)關(guān)系，見表4?？菟?—2月、11—12月徑流量與上月徑流量之間有很好的相依關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.880～0.924；年、汛期5—9月徑流量與同期降水量相關(guān)系數(shù)分別為0.656和0.603；5月、10月徑流量與同期平均氣溫、降水量的復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.603和0.616；3月、4月徑流量與同期平均氣溫相關(guān)系數(shù)分別為0.359和0.617；6—9月各月與同期降水量相關(guān)關(guān)系在0.489～0.683之間。置信水平α=0.05時(shí)，相關(guān)系數(shù)臨界值r=0.456，各時(shí)段徑流量與氣候因子的相關(guān)系數(shù)均大于臨界值，說明相關(guān)性顯著。

表4 西營(yíng)河九條嶺站徑流與氣候因子相關(guān)公式表

4 結(jié)論

(1)西營(yíng)河九條嶺水文站歷年徑流總體呈不顯著減少趨勢(shì)，年徑流量序列主要出現(xiàn)3個(gè)跳躍年份，1961年前后減少了11.6%，1990年前后減少了15.6%，2002年前后增加了25.1%。該站徑流年內(nèi)分配主要集中在5—9月，占全年徑流量的80.0%，10—次年4月僅占20.0%。在20世紀(jì)90年代以前，汛期徑流占比一直在增加，非汛期占比在減??；90年代后，汛期徑流占比逐漸減小，非汛期占比在增加。

(2)西營(yíng)河出山口以上徑流的影響因素主要為降水和氣溫。各代表站歷年氣溫總體呈上升趨勢(shì)，每10年增加0.1～0.4℃；歷年降水量總體呈增加趨勢(shì)，除洪溝站呈減少趨勢(shì)，年均減少0.27mm外，其余3站均呈增加趨勢(shì)，年均增加0.63～1.04mm。

(3)在西營(yíng)河向下游民勤生態(tài)調(diào)水中，實(shí)時(shí)掌握上游來水是制約調(diào)水成效的主要因素，通過枯水期11月—次年2月上月徑流評(píng)估當(dāng)月徑流，采用氣溫、降水等氣候預(yù)報(bào)因子評(píng)估3—10月徑流，可為科學(xué)制定調(diào)水方案提供重要依據(jù)。

(4)內(nèi)陸河的來水受降水過程、冰雪融水及地下水補(bǔ)給的影響，徑流形成機(jī)理和演變過程十分復(fù)雜，受高山無人區(qū)氣象和水文站點(diǎn)稀少、資料較少限制，本文只是通過出山口水文控制站觀測(cè)資料，分析了不同時(shí)間尺度的徑流變化規(guī)律及其與影響因子之間的關(guān)系，對(duì)于考慮不同地形地貌的空間變化、不同因子對(duì)徑流形成機(jī)理的影響、冰雪洪水災(zāi)害防治和預(yù)報(bào)預(yù)警，是今后還需深入研究的方向。