1957—2016 年涇河干流徑流量變化趨勢分析

陳沛源，俞 巧，李金文，馬金珠

（蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平逐漸提高，水資源利用形勢嚴(yán)峻，水資源供需矛盾加劇。 我國不斷優(yōu)化水資源分布、提升水資源利用效率，就是為了不讓水資源利用問題成為掣肘社會經(jīng)濟(jì)和諧發(fā)展的因素［1］。 另一方面，氣候環(huán)境的變化在一定程度上改變了降雨、蒸發(fā)、地表徑流等水循環(huán)過程［2］。 近些年，世界各地河川徑流量出現(xiàn)不同程度的減少，尤其是在干旱和半干旱地區(qū)，水資源問題更為突出［3］。

近些年來，有大量的學(xué)者對河流徑流量進(jìn)行了一系列研究，且取得了重要的成果［4–11］。 有學(xué)者采用小波分析法對灃河和黑河干流徑流量年際周期變化和變化原因進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)徑流量均呈周期性遞減趨勢，徑流量減少受降雨量變化和人類活動的影響，且降雨量變化為主要影響因素［12－13］。 確定徑流量突變點、對比流域水文事件發(fā)生點，可以有效分析徑流量變化原因。 M－K 突變檢驗、Pettit 檢驗［14］、有序聚類法、滑動t 檢驗［15］等方法近些年被廣泛應(yīng)用于徑流量序列的分析研究。 王嬌等［16］采用R／S 方法對涇河張家山水文站的未來徑流量、汛期與非汛期徑流量進(jìn)行預(yù)測，發(fā)現(xiàn)該水文站的徑流量未來呈持續(xù)減少趨勢。 王隨繼等［17］利用累積量斜率變化率比較方法分析皇甫川流域徑流量變化原因，得出人類活動對徑流量減少的貢獻(xiàn)率高于降雨量變化的。

涇河流域甘肅段是隴東黃土高原地區(qū)的主要水源地，對當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展尤其重要。 有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，受人類活動影響，20 世紀(jì)80—90 年代涇河流域水資源量出現(xiàn)逐年遞減趨勢，進(jìn)而導(dǎo)致水資源問題更加突出［9］。 隨著我國“西部大開發(fā)”政策和“一帶一路”倡議的實施，當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對水資源的需求量越來越大，合理分配水資源已成為當(dāng)?shù)仄惹行枰鉀Q的問題［18］，對涇河干流徑流量變化的研究顯得尤為迫切和重要。 因此，筆者以涇河干流甘肅段1957—2016 年的實測徑流量資料為基礎(chǔ)，利用Mann－Kendall 法、小波變化法和累積距平法對涇河徑流量的變化趨勢、突變年份和變化周期等進(jìn)行分析，并初步探討其產(chǎn)生的原因，以期為當(dāng)?shù)厮Y源的合理分配和防洪提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

涇河是渭河最大支流，是黃河流域十大水系之一，位于黃土高原中部（東經(jīng)106°14′—108°42′、北緯34°46′—37°19′），發(fā)源于寧夏涇源縣，流經(jīng)甘肅省和陜西省，在高陵縣注入渭河。 涇河干流全長455.1 km，流域面積45 421 km2，流域內(nèi)年降水量350 ～600 mm，屬于典型的溫帶大陸性氣候區(qū)［19－21］。 涇河流域生態(tài)環(huán)境脆弱、水資源短缺和水資源分配利用的區(qū)域差異大等問題，一定程度上制約了區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展［22］。

涇河干流甘肅段流經(jīng)平?jīng)鍪嗅轻紖^(qū)、崇信縣、涇川縣，主要支流有頡河、芮河、洪河、蒲河、馬蓮河、黑河等，其中馬蓮河為最大的一級支流。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于黃河水利委員會在涇河干流設(shè)置的水文站。 各站實測資料序列長短不一，其中崆峒峽站1973—1976 年因修建水庫而無實測資料、涇川（三）站1962—1970 年數(shù)據(jù)缺失。 考慮到徑流序列的完整性和一致性，對上述序列進(jìn)行插補延長后，選取崆峒峽、涇川（三）、楊家坪（二）、平?jīng)? 站1957—2016 年（其中平?jīng)稣驹O(shè)站時間為1974 年）的實測徑流量和天然徑流量序列進(jìn)行分析。 各站控制面積分別為：崆峒峽站597 km2、平?jīng)稣? 305 km2、涇川（三）站3 145 km2、楊家坪（二）站14 156 km2。

2.2 方 法

2.2.1 Mann－Kendall 法

Mann－Kendall 法（M－K 法）為非參數(shù)方法，不需要樣本遵從一定的分布，不受異常值的干擾［23］，適用于水文氣象序列分析［24］。 目前對長時間序列數(shù)據(jù)的趨勢分析常用M－K 法，該方法首先確定原假設(shè)H0為趨勢不顯著，備擇假設(shè)H1是雙邊檢驗，對于所有的k≤n、j≤n且k≠j，Xk和Xj的分布是不同的，檢驗統(tǒng)計量S計算公式如下：

S為正態(tài)分布，均值為0，方差Var（S）＝n（n－1）（2n＋5）／18。 當(dāng)n＞10 時，標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量Z通過下式計算：

若｜Z｜≥Z1－α／2，則原假設(shè)不可接受，即在α置信水平上，時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。對于統(tǒng)計量Z，大于0 時是上升趨勢，小于0 時是下降趨勢。 當(dāng)Z的絕對值大于等于1.28、1.64和2.32 時，代表的分別是通過了置信度90%、95%和99%的顯著性檢驗。

M－K 法可用來檢驗數(shù)據(jù)序列的突變點。 首先用逆序排列原始樣本序列去計算新序列M－K 檢驗值，進(jìn)而得到UBi＝－UFi（i＝n，n－1，…，2，1），最后查看UBi和UFi兩條曲線的交點并將其作為待定突變點。 如果變化趨勢顯著，則判定兩條曲線的交點為原始序列的突變點［25］。

2.2.2 累積距平法

徑流量突變點的確定對于準(zhǔn)確分析突變原因具有重要意義，累積距平法通過計算實測徑流量與序列平均值的差值并進(jìn)行累加，得出徑流量序列差積曲線，進(jìn)而利用曲線的變化驗證突變點的準(zhǔn)確性［26］。

2.2.3 小波變換法

小波變換法可對序列的變化周期、變化趨勢和突變進(jìn)行分析，在信號處理方面應(yīng)用廣泛［27］。 對于滿足可容許性條件的小波函數(shù)Ψ（t） ，徑流時序x（t）∈L2（R）的連續(xù)小波變換為

式中：wf（a，b）為小波變換系數(shù)；a為尺度因子；b為平移因子［28］。

3 結(jié)果分析

3.1 多年實測徑流量變化分析

3.1.1 多年實測徑流量的變化趨勢分析

涇河干流崆峒峽、平?jīng)?、涇川（三）、楊家坪（二）水文?957—2016 年實測年徑流量均呈減少趨勢（見圖1），且4 個水文站自上而下實測徑流量減少趨勢增強，除平?jīng)鏊恼就猓眯哦染_(dá)到了99%（見表1）。各站實測徑流量減少速率分別為0.01 億、0.02 億、0.04億、0.11 億m3／a；變差系數(shù)CV分別為0.56、0.63、0.57、0.52，其中平?jīng)稣綜V值較大，說明涇河上中游實測年徑流量年際變化幅度較大。

圖1 1957—2016 年各站實測年徑流量變化趨勢

表1 1957—2016 年涇河各站實測年徑流量變化趨勢檢驗

各站實測年徑流量呈遞減趨勢，且有周期性的豐枯震蕩現(xiàn)象，且不同階段各站徑流量變化趨勢不同（見圖2）。 崆峒峽站1957—1985 年與平?jīng)稣?974—1985 年多年平均實測年徑流量分別為1.4 億、1.65 億m3，水量偏豐；1986 年后這兩站徑流量減少速率變緩，分別為0.002 億、0.002 5 億m3／a，平均年徑流量比1986 年前分別減少了41%和44%；1995 年后實測年徑流量逐漸增加，增加速率分別為0.02 億、0.04 億m3／a。 涇川（三）站與楊家坪（二）站較上游兩站水量大，1957—1981 年多年平均實測年徑流量分別為3.23億、8.7 億m3，1982 年后多年平均實測年徑流量兩站分別為1.77 億、5.10 億m3，較1981 年前分別減少45%、41%。

圖2 1985 年前后四站實測年徑流量變化趨勢

3.1.2 多年實測徑流量的突變分析

利用M－K 法對涇河干流4 個水文站1957—2016年的徑流量突變情況進(jìn)行檢驗，結(jié)果顯示涇川（三）站在1982 年發(fā)生突變，其余3 站均在1986 年發(fā)生突變。

崆峒峽站1957—1969 年是豐水年，1970—1973年是偏枯年，在1986 年流量累積距平值開始下降，這與M－K 突變檢測結(jié)果一致，見圖3（a）。 平?jīng)稣?974—1985 年是豐水年，1986 年開始出現(xiàn)突變下降，而1987—1994 年有短暫的上升（為偏豐年）；2010—2014 年出現(xiàn)上升，為偏豐年，但流量未超過峰值水平。 涇川（三）站1957—1970 年是豐水年，之后5 a 是偏枯年，在1982 年出現(xiàn)突變，與突變檢測結(jié)果一致。 楊家坪（二）站1957—1969 年為豐水年，1970—1975 年為偏枯年，1986 年發(fā)生突變，徑流量遞減，突變年份與M－K 檢驗結(jié)果一致。

圖3 各水文站流量差積曲線

3.1.3 多年實測徑流量變化周期分析

本研究采用Morlet 小波函數(shù)對涇河干流甘肅段4個水文站多年實測年徑流量進(jìn)行連續(xù)一維復(fù)小波變換計算。

由小波分析實部圖可知，4 個水文站均存在2～10 a尺度、10 ～30 a 尺度和30 a 以上尺度的周期性變化（見圖4），其中崆峒峽站、平?jīng)稣竞蜎艽ǎㄈ┱咀顬槊黠@。 4 個水文站年徑流量變化周期超過30 a 的分別為44、34、46、45 a（見圖5）。 崆峒峽站8、25 a 左右小尺度變化最明顯，其下游各站周期變化逐漸減弱；除平?jīng)鏊恼就猓溆? 站均存在25 a 左右的第二主周期。 4 個水文站30 a 以上大尺度周期變化明顯，且從上游至下游周期性逐漸增強。 各水文站在20 世紀(jì)80—90 年代小尺度周期性發(fā)生大幅度減弱甚至消失，與突變年分析結(jié)果一致，表明此次分析結(jié)果可靠。

圖4 各水文站多年實測徑流量小波變換實部等值線

圖5 各水文站多年實測徑流量小波方差

4 個水文站存在3 次豐枯交替變化，崆峒峽站1970 年前后5 a、1990 年前后2 a 和2010 年前后2 a左右偏豐，平?jīng)稣?982 年前后3 a、1996 年前后2 a 和2012 年前后2 a 左右偏豐，涇川（三）站1967 年前后2 a、1987 年前后3 a 和2008 年前后3 a 左右偏豐，楊家坪（二）站1967 年前后2 a、1988 年前后3 a 和2008年前后3 a 左右偏豐，間隔期間偏枯。 楊家坪（二）站各尺度周期性較弱，僅在1980 年前有較為明顯的小尺度周期性變化，說明涇河下游地表徑流受外界環(huán)境影響較大。

3.2 多年天然徑流量變化分析

天然徑流量指實測河川徑流量的還原水量，包括實測徑流量和人類活動對河川徑流影響的徑流量兩部分［29］。

涇河干流甘肅段4 個水文站多年平均天然徑流量分別為1.07 億、1.15 億、2.60 億、7.16 億m3，自上游崆峒峽往下游依次增大（見圖6）。 4 個水文站天然徑流量均呈下降趨勢，平?jīng)稣就ㄟ^置信度為95%的顯著性檢驗，其余均通過置信度為99%的顯著性檢驗（見表2）。 自上而下各站變差系數(shù)CV值分別為0.56、0.58、0.49、0.46，表明崆峒峽和平?jīng)稣灸觌H變化幅度較大。

圖6 1957—2016 年各水文站天然年徑流量變化

表2 1957—2016 年各站天然徑流量變化趨勢檢驗

3.3 多年實測徑流量與天然徑流量對比

涇河干流甘肅段自上游至下游河流的天然徑流量與實測徑流量均呈增加趨勢，但兩者差值逐漸增大（見圖7），差值的增大表明人類活動對徑流量的影響在沿程增加。 流域內(nèi)修建水利工程，進(jìn)行引水、蓄水和調(diào)水等行為均會影響徑流量。 涇河流域20 世紀(jì)60—70 年代即開始興建多項水利工程，且上游截引水、來水不均、地下水超采、水土保持措施等，導(dǎo)致利用水量增大［30］。 目前，流域內(nèi)規(guī)劃建設(shè)的多項水源工程，如小盤河水庫、新集水庫、盤口水庫等供水工程，均會對河川徑流量造成巨大影響［20］。

圖7 1957—2016 年各站多年平均天然徑流量與實測徑流量對比

3.4 討 論

M－K 法是主流的序列趨勢分析方法，本研究在此基礎(chǔ)上，通過累積距平對M－K 法進(jìn)行了側(cè)面印證。 上游崆峒峽站、平?jīng)稣緩搅髁繌?995 年左右開始由遞減趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙厔?，下游涇川（三）站、楊家坪（二）站則在2009 年左右開始出現(xiàn)上升趨勢，與陳晨等［31］研究分析的1932—2010 近80 a 的序列趨勢相似，具有周期變化中心為2、12、20 a 左右和大尺度周期逐漸增強的特征。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類活動對河道自然狀態(tài)的影響，如修筑水庫、水壩、跨流域調(diào)水等民生工程，造福于民的同時，對河道徑流量的影響也十分巨大。 涇河下游徑流量的減少速率明顯大于上游，且下游小尺度周期較上游減弱明顯。 由于愈往下游，人類活動的影響愈大，尤其下游楊家坪（二）站周期性較弱，且近些年小尺度周期性變化已經(jīng)消失，不符合正常徑流周期變化規(guī)律，可見上游兩站的徑流變化趨勢能更加貼近氣候等自然環(huán)境因素歸因的變化趨勢。 區(qū)域水資源調(diào)配、流域水資源利用等相關(guān)政策的研究制定，應(yīng)更加著重于水資源調(diào)配利用的因地制宜和科學(xué)合理性。 如上游的截引水應(yīng)綜合考慮下游的用水平衡，實行最嚴(yán)格的水資源管理制度，做好水資源回用規(guī)劃工作，提高水資源利用效率等，避免區(qū)域用水矛盾的出現(xiàn)，使得流域社會經(jīng)濟(jì)有序發(fā)展的同時，也能保持水資源的可持續(xù)利用。

4 結(jié) 論

（1）1957—2016 年涇河干流甘肅段實測徑流量整體呈遞減趨勢，崆峒峽水文站、平?jīng)鏊恼尽艽ǎㄈ┧恼竞蜅罴移海ǘ┧恼緦崪y徑流量降低速率分別為0.01 億、0.02 億、0.04 億、0.11 億m3／a，徑流量突變后年平均值較突變前分別減少41%、 44%、45%、41%。

（2）涇河干流甘肅段4 個水文站徑流量突變年份主要集中在1982 年和1986 年，且突變點前后豐枯變化顯著。

（3）上游崆峒峽站與平?jīng)稣咎烊粡搅髁啃蛄幸恢滦院?，下游涇川（三）站和楊家坪（二）站天然徑流量曲線一致，實測徑流量與天然徑流量沿程均有增加，且天然徑流量與實測徑流量之差沿程增大。

（4）涇河干流4 個水文站年徑流量均有突出的2～10 a 尺度、10 ～30 a 尺度和30 a 以上尺度的周期性變化，中小尺度周期性變化逐漸減弱，大尺度周期性變化逐漸增強。 楊家坪（二）站作為出省控制站，年徑流量小尺度周期性在1980 年后近乎消失，大尺度周期性也與其余3 站相差較大，受人類活動影響程度較高。