人類(lèi)活動(dòng)對(duì)潁河白沙水庫(kù)水文情勢(shì)影響分析

□焦迎樂(lè)（河南省許昌水文水資源勘測(cè)局）

□席獻(xiàn)軍（河南省鄭州水文水資源勘測(cè)局）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，工農(nóng)業(yè)用水量的增加，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境影響愈加顯著，對(duì)河道徑流的影響越來(lái)越加劇，破壞了區(qū)域內(nèi)原有的降雨徑流關(guān)系，本文以潁河上游白沙水庫(kù)以上區(qū)間為研究對(duì)象，對(duì)該區(qū)域內(nèi)降雨、蒸發(fā)、徑流的變化規(guī)律進(jìn)行分析研究，這對(duì)于研究人類(lèi)活動(dòng)影響下潁河上游水文情勢(shì)變化規(guī)律和水資源保護(hù)開(kāi)發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、研究區(qū)概況

潁河白沙水庫(kù)以上區(qū)域西、北、南三面環(huán)山，北部分水嶺是海拔1000m以上的嵩山山區(qū)，最高海拔1440m；中部、東部為丘陵，海拔350m左右；南部為低山區(qū)，海拔為600～700m。山區(qū)土層較薄，巖石裸露，植被較好；丘陵區(qū)絕大部分為耕地，土壤多為紅黏土。該區(qū)屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年降水多集中在汛期6～9月。支流主要有安廟河、焦河、少林河、石淙河、圈門(mén)河等，現(xiàn)有券門(mén)、紙坊、少林三座中型水庫(kù)，總控制面積143.8km2，其中紙坊水庫(kù)在告成水文站以下，小型Ⅰ、Ⅱ類(lèi)水庫(kù)49座，總控制面積約150km2。

白沙水庫(kù)以上流域面積962km2，現(xiàn)有白沙水庫(kù)和告成兩個(gè)水文站，其中告成水文站控制流域面積627km2，占白沙水庫(kù)以上流域面積的65.2%，現(xiàn)有錢(qián)嶺、石道、大金店、西白坪、登封、高成、盧店、徐莊、白沙9個(gè)雨量站。

二、資料的選取和研究方法

（一）數(shù)據(jù)資料

本文利用潁河上游從20世紀(jì)50年代至2010年白沙、告成(1964年以前為曲河)兩站年徑流資料、區(qū)域內(nèi)9個(gè)雨量站的雨量資料，白沙站的蒸發(fā)資料對(duì)潁河上游的水文情勢(shì)進(jìn)行分析。年降雨量、蒸發(fā)量、年平均流量均來(lái)自水文年鑒，部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)自水文數(shù)據(jù)庫(kù)。

（二）研究方法

目前常用的水文變化趨勢(shì)分析方法有線(xiàn)性回歸、滑動(dòng)平均、Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法等，對(duì)徑流量的研究還有年降雨徑流關(guān)系圖法。在此僅重點(diǎn)介紹Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法。

Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法常用于水文、氣象、水質(zhì)等行業(yè)，該方法變量可以不具有正態(tài)分布特征，較適用于檢驗(yàn)水文變量的隨機(jī)時(shí)間系列要素變化趨勢(shì)是否具有顯著性。

對(duì)于序列Xt=（x1，x2，…，xn），先確定所有對(duì)偶值（xi，xj，j＞i）中xi與xj的大小關(guān)系（設(shè)為τ），然后計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量τ。

式中：

趨勢(shì)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量設(shè)為Z：

當(dāng)＞10時(shí)，Z收斂于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。原假設(shè)為該序列無(wú)趨勢(shì)，采用雙邊趨勢(shì)檢驗(yàn)，在給定顯著性水平α后，在正態(tài)分布表中查得臨界值Zα/2，當(dāng)|Z|＜Zα/2時(shí)，接受原假設(shè)，即趨勢(shì)不顯著；若|Z|＞Uα/2，則拒絕原假設(shè)，即認(rèn)為趨勢(shì)顯著。

為檢測(cè)水文系列的突變特征，常采用Mann-Kendall突變檢測(cè)法和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法。

三、水文情勢(shì)變化趨勢(shì)分析

（一）降水量和蒸發(fā)量變化趨勢(shì)

為研究該區(qū)域水文情勢(shì)變化趨勢(shì)，首先分析該區(qū)域的主要水文要素降水量和蒸發(fā)量，區(qū)域內(nèi)年平均降雨量的計(jì)算主要根據(jù)各站年降水量資料由泰森多邊形法求得，以客觀反映區(qū)域內(nèi)的年降水量，對(duì)50年代站點(diǎn)較少的個(gè)別年份采用算術(shù)平均法進(jìn)行計(jì)算。區(qū)域蒸發(fā)量的分析直接選用白沙站年蒸發(fā)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該站蒸發(fā)資料多為E601型蒸發(fā)器資料，對(duì)部分采用80cm蒸發(fā)器資料的數(shù)據(jù)，也進(jìn)行了合理轉(zhuǎn)換。根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制區(qū)域內(nèi)歷年年降水量和歷年蒸發(fā)量變化過(guò)程線(xiàn)圖（圖1、圖2）。

由圖1和圖2可以看出年降水量基本保持穩(wěn)定，增大或減小的趨勢(shì)不顯著。而蒸發(fā)量存在顯著的逐年減小趨勢(shì)，1961～1970年、1971～1980年，1981～1990年、1991～2000年、2001～2010年平均蒸發(fā)量分別為 1162.5mm、1013.3mm、855.3mm、746.6mm、711.8mm，即每10年蒸發(fā)量都會(huì)有較大的遞減，且遞減量逐年趨緩，這也可由5年滑動(dòng)平均值圖（圖3）得到進(jìn)一步的驗(yàn)證。

圖1 潁河上游區(qū)歷年降水量變化過(guò)程線(xiàn)圖

圖2 潁河上游區(qū)歷年蒸發(fā)量變化過(guò)程線(xiàn)圖

對(duì)潁河上游區(qū)歷年降水量、蒸發(fā)量系列進(jìn)行Mann-Kendall檢驗(yàn)，降雨量系列（1951～2010年）統(tǒng)計(jì)量Z為-0.459，蒸發(fā)量系列（1952～2010年）統(tǒng)計(jì)量Z為-7.056，Z0.05=1.645，因此降雨量有下降趨勢(shì)，不顯著，而蒸發(fā)量有明顯下降趨勢(shì)。

大量研究證實(shí)，近幾十年來(lái)中國(guó)氣溫變化呈上升趨勢(shì),河南省近50年年平均氣溫也存在上升趨勢(shì)，其中冬、春、秋季平均氣溫升高，夏季平均氣溫略有降低。容易認(rèn)為全球變暖可能會(huì)使近地面層變干，陸地上水體蒸發(fā)量應(yīng)上升，而實(shí)際結(jié)論卻與此相反。根據(jù)相關(guān)研究，蒸發(fā)量減少趨勢(shì)主要是因太陽(yáng)輻射量減少所致,而非氣溫上升所致。

圖3 潁河上游區(qū)歷年降水量、蒸發(fā)量5年滑動(dòng)平均過(guò)程線(xiàn)圖

圖4 潁河上游區(qū)告成、白沙站年實(shí)測(cè)徑流深5年滑動(dòng)平均過(guò)程線(xiàn)圖

（二）徑流量變化趨勢(shì)

徑流深的計(jì)算分析分別采用告成、白沙兩站流量資料，為反映河道實(shí)際來(lái)水量的變化趨勢(shì)，未對(duì)徑流量、徑流深進(jìn)行還原計(jì)算，其中白沙水庫(kù)站考慮了水庫(kù)蓄變量的影響。

根據(jù)兩站歷年徑流深歷年變化過(guò)程線(xiàn)圖（圖略），兩站徑流深均存在逐年減少的趨勢(shì)，且基本同步，告成站徑流深系列（1955～2010年）統(tǒng)計(jì)量Z為-2.813，白沙水庫(kù)站徑流深系列（1953～2010年）統(tǒng)計(jì)量Z為-4.783，因此兩站徑流深均有顯著下降趨勢(shì)。從2001年至2010年，兩站年徑流深差值較大，且白沙徑流深要小于上游告成站徑流深，這可由兩站5年滑動(dòng)平均過(guò)程線(xiàn)圖得到進(jìn)一步的反映。

為進(jìn)一步分析徑流變化規(guī)律，繪制了潁河上游區(qū)告成、白沙站年降雨徑流關(guān)系圖（圖5），由圖5可知，年徑流深出現(xiàn)了較大變化，20世紀(jì)八十年代中期后，其年降雨徑流關(guān)系線(xiàn)均較以前的關(guān)系線(xiàn)左移，反映了因取用水增加，同樣降雨量造成河道來(lái)水減少。

圖5 潁河上游區(qū)告成、白沙站年降雨徑流關(guān)系圖

（三）突變分析

Mann-Kendall突變檢驗(yàn)結(jié)果表明，蒸發(fā)量在1988年發(fā)生突變，告成徑流深在1986年發(fā)生突變，白沙水庫(kù)徑流深在1990年發(fā)生突變。而根據(jù)滑動(dòng)t檢驗(yàn)結(jié)果，蒸發(fā)量在1987年發(fā)生突變，告成徑流深在1984年發(fā)生突變，白沙水庫(kù)徑流深在1984年發(fā)生突變。綜合兩種方法可確定蒸發(fā)量和徑流量的變化點(diǎn)為20世紀(jì)80年代中期。

通過(guò)調(diào)查分析，白沙水庫(kù)下游的許昌市龍崗發(fā)電有限公司2001年開(kāi)始從白沙水庫(kù)通過(guò)管道引水，近10年來(lái)年平均從白沙水庫(kù)取水1215萬(wàn)m3，而上述水量并未反映在白沙水庫(kù)出庫(kù)實(shí)測(cè)水量中，因此也就解釋了為何從2001年至2010年，白沙、告成兩站實(shí)測(cè)年徑流深相差較大的主要原因。此外告成到白沙水庫(kù)區(qū)間工礦企業(yè)引水、煤礦開(kāi)采疏干排水等也對(duì)白沙水庫(kù)站徑流深的的變化產(chǎn)生了一定的影響。

四、結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)潁河上游白沙水庫(kù)以上降雨、蒸發(fā)、徑流等的分析，可得出以下結(jié)論：一是年降水量無(wú)明顯變化趨勢(shì)，蒸發(fā)量呈明顯的減小趨勢(shì)，告成站和白沙水庫(kù)站兩站年實(shí)測(cè)徑流量及徑流深也顯著減小，特別是近20多年；二是根據(jù)Mann-Kendall突變檢驗(yàn)和t滑動(dòng)檢驗(yàn)結(jié)果，蒸發(fā)量和徑流量在20世紀(jì)80年代中期發(fā)生了突變；三是蒸發(fā)量減小原因可能是因人類(lèi)活動(dòng)影響太陽(yáng)輻射，造成太陽(yáng)輻射較少，從而造成蒸發(fā)量減?。凰氖请S著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，流域內(nèi)及沿河取用水量的增加，導(dǎo)致河道內(nèi)實(shí)測(cè)徑流量急劇減少，說(shuō)明人類(lèi)活動(dòng)對(duì)白沙水庫(kù)以上地表徑流的影響是比較嚴(yán)重的；五是通過(guò)對(duì)告成、白沙水庫(kù)兩站徑流數(shù)據(jù)的分析，近10年來(lái)白沙水庫(kù)實(shí)測(cè)水量顯著較少的主要原因系下游許昌市龍崗發(fā)電有限公司引水所致。

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