清澗河流域近50年徑流時間變化特征及趨勢分析

王計平，趙梅，程復，姜磊，王然

(1.中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所，100091，北京;2.黃河水利委員會中游水文水資源局，030600，山西晉中;3.北京水保生態(tài)工程咨詢有限公司，100055，北京;4.北京林業(yè)大學林學院100083，北京;5.國家衛(wèi)星海洋應用中心，100081，北京)

清澗河流域近50年徑流時間變化特征及趨勢分析

王計平1，趙梅2?，程復3，姜磊4，王然5

(1.中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所，100091，北京;2.黃河水利委員會中游水文水資源局，030600，山西晉中;3.北京水保生態(tài)工程咨詢有限公司，100055，北京;4.北京林業(yè)大學林學院100083，北京;5.國家衛(wèi)星海洋應用中心，100081，北京)

采用清澗河延川水文站近50年徑流序列資料，運用不均勻系數、調節(jié)系數、集中度(期)、變差系數和極值比等指標分析徑流時變特征，應用Mann-Kendall趨勢分析法檢驗流域徑流變化趨勢。結果表明：1)清澗河流域徑流的年內分配曲線呈現出單峰曲線，徑流主要集中于7—9月份，約占全年平均徑流量58%;2)1990以來，年內分配不均勻性和集中程度趨于減小;3)2000—2009年流域徑流年際變異最大，且在不同時段徑流年際變異差異較大;流域年徑流量呈現明顯下降趨勢，20世紀80年代是流域徑流豐枯轉折點，并在2000年后進入嚴重枯水期。清澗河流域徑流演變呈現出明顯的不均勻性、階段性和趨勢性，這種變化與降水和植被恢復導致下墊面特征改變有關。關鍵詞 土地利用動態(tài)變化;降水;不均勻性;趨勢;清澗河流域

徑流作為流域水文系統(tǒng)中一個重要組成元素，其時變過程受自然因素和流域下墊面的共同影響［1-2］，但隨人類改造自然能力及人類活動的不斷增強，對流域徑流演化過程的影響越明顯［3-4］。在許多干旱半干旱地區(qū)，流域徑流主要來自于大氣降水，每年大量降雨徑流是解決流域水資源短缺的重要途徑。近年來，水資源短缺問題已成為制約區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的關鍵因素［4-5］。為緩解干旱區(qū)流域水資源危機，優(yōu)化水資源時空配置，探討河川徑流時變規(guī)律顯得尤為重要［6-9］。

位于黃河中游區(qū)上段的清澗河流域，由于氣候干旱，水資源尤為短缺。地表徑流不僅是流域水資源的主要構成，也是區(qū)域農業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設的基礎，然而受降雨特性和下墊面因素影響，每年暴雨徑流不僅造成嚴重的土壤侵蝕，同時大量洪水也成為威脅下游地區(qū)生態(tài)安全的不穩(wěn)定因素。近50年來，在氣候變化［10］、水土保持［11］、土地利用［12］、植被恢復［13］等共同作用下，清澗河流域徑流時變過程極為復雜，給流域水文系統(tǒng)帶來許多不確定性。在人類活動不斷增強、氣候變化日趨明顯背景下，如何從復雜的徑流時變過程中找到有序的規(guī)律為流域水文要素分析與預測提供參考，對理解地表水資源發(fā)展變化、生態(tài)環(huán)境保護具有重要理論和實踐指導意義。筆者基于清澗河流域延川水文控制站1960—2009年徑流序列資料分析徑流年內、年際變化特征和趨勢，探討降水、土地利用動態(tài)變化對流域徑流的影響，為流域徑流預測和流域管理服務。

1 研究區(qū)概況

清澗河位于黃河中游區(qū)上段右岸中部地帶，發(fā)源于陜西省安塞縣，流經子長、清澗，于延川縣蘇亞匯入黃河，是黃河的一級支流，全長167.8 km(圖1)。清澗河流域總面積為4 080 km2，干流上游設有子長水文站，控制流域面積913 km2。子長站下游72 km處設有延川水文站，控制流域面積3 468 km2，至入黃口38 km。流域屬于半干旱氣候，降雨主要集中在汛期6—9月，且多為暴雨，歷時短、強度大、范圍小。流域內多年平均降水量約500mm，多年平均徑流深約50mm。清澗河流域是典型黃土丘陵溝壑區(qū)，植被覆蓋差，水土流失嚴重，多年平均年侵蝕模數在5 000～1萬t/km2之間。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig．1 Geographical position of Qinjianhe River

2 研究方法

分析所用1960—2009年徑流資料一部分通過向水利部水文局科教處資料室申請獲得，一部分由黃河水利委員會水文局提供。利用1985、1995、2000和2008年土地利用矢量數據模擬流域土地利用動態(tài)變化。應用不均勻系數、調節(jié)系數、集中度等特征指標［14］刻畫流域徑流隨時間分配的不均勻性。

2.1 不均勻系數

徑流年內分配不均勻系數(Cr)用于表示流域降雨量年內分配的不均勻程度，其計算公式為

2.2 調節(jié)系數

年內分配完全調節(jié)系數(Ct)是年內分配不均勻性的又一計算方法。Ct越大，月徑流量序列間的差異越大，徑流年內分配不均勻程度越高。若0≤Ct＜1，計算公式為

2.3 集中度和集中期

集中度(Cn)和集中期(D)是利用實測的月徑流資料反映年徑流的集中程度和最大徑流量出現的時段。其計算思路是將一年內各月的徑流量作為向量，月徑流量的大小作為該向量的長度，所處月份為向量的方向，從1—12月每月的方位角θi分別為0、30、60、…、360度，并把每個月得徑流量分解為x和y2個方向上分量Rx和Ry，計算如式(3);進一步確定徑流的合成向量R，如式(4)。

集中期表示月徑流量合成后的總效應，其對應的角度換算為徑流集中月份。集中度則反映了集中期徑流值站年總徑流的比例，當集中度等于100%時為最大極限值，表明該流域全年的徑流集中在某一個月內。當集中度為0時是最小極限值，說明全年的徑流平均分配在12個月中，即每個月的徑流量都相等。

2.4 變差系數與極值比

徑流的年際變化一般采用極值比(Km)和變差系數(Cv)描述。極值比為歷年最大年平均流量(Rmax)與最小年平均流量(Rmin)之比;變差系數為一定時段內徑流量得標準差(σ)與平均值()的比值;Km和Cv值越大，表明徑流年際變化越大。

2.5 土地利用動態(tài)度模型

土地利用動態(tài)變化定量化方法可用土地利用變化速率和動態(tài)度2個模型來描述［15］，區(qū)域內某土地利用類型在某個變化時期的土地利用變化速率或動態(tài)度模型為：

研究區(qū)的綜合土地利用動態(tài)度的計算模型為

式中：Ai為第i種土地利用類型在監(jiān)測時期t1至t2期間的轉移速率;Bi為第i種土地利用類型在監(jiān)測時期t1至t2期間的新增速率;Ti為第i種土地利用類型在監(jiān)測時期t1至t2期間的變化速率;Ui為監(jiān)測期間第i種土地利用類型未變化面積，km2;L(i，t1)和L(i，t2)分別為第i種土地利用類型在監(jiān)測期初和期末的面積，km2;t1為監(jiān)測期初;t2為監(jiān)測期末;n為區(qū)域內土地利用類型的分類數，i∈(1，n)。

3 結果與分析

3.1 徑流年內變化分析

3.1.1 徑流的年內分配特征 從清澗河流域徑流年內分配圖(圖2)可知，流域徑流年內分布呈現明顯單峰曲線，徑流集中在汛期，7、8、9月份為一年內徑流量變化的高峰時段，由于春汛，3月份也較前半年內的其余月份的徑流量要大。這表明在清澗河徑流最主要的補給源是雨季降水，其次為積雪消融。清澗河徑流的年內分配極不均勻，流域徑流主要集中在7—9月份，這3個月內的徑流量占全年徑流量的58.16%。除7—9月份外，3月徑流量最大，主要是由于融雪解凍補充徑流(圖3)。

圖2 清澗河流域徑流年內分配Fig．2 Annual distribution of runoff in Qingjianhe River Basin

圖3 延川水文站各月徑流分配Fig．3 Distribution of amount ofmonthly runoff in Yanchuan Hydrographic Station

3.1.2 徑流年內變化特征值 由表1可知，隨著時間推移，清澗河年內分配不均勻系數Cr呈現增大—減小—增大的變化趨勢，表明徑流年內分配不均勻性呈現周期變動。清澗河徑流年內分配完全調節(jié)系數Ct同徑流年內分配不均勻系數的變化規(guī)律相似。集中度和不均勻系數表現出同步性變化規(guī)律，凡是集中度高的時段，其不均勻系數也高。徑流年內分配的集中度介于32%～52%之間，最小集中度出現在20世紀80年代，為32%，最大集中度出現在70年代，為52%，說明在1970—1979年清澗河年內徑流最集中，而在1980—1989年徑流年內分配比較分散。不同時段內徑流集中期為7月中旬，與徑流量年內實際分配基本吻合。綜合比較各時段內徑流變化發(fā)現，徑流年內分配不均勻系數、調節(jié)系數和集中度變化基本一致，從1990年以來清澗河流域徑流的年內分配不均勻性和集中度均呈現出減小趨勢，但在2000年后這種狀態(tài)所有回升。

表1 清澗河流域徑流年內分配和年際變化特征值Tab．1 Annual distribution and interannual variations of runoff in Qingjianhe River Basin

3.2 徑流年際變化分析

3.2.1 徑流年際變化特征 從表1可知，清澗河流域歷年的Cv值為0.25～0.43，Km值為2.11～3.92，在1960—2000年間的各時段內，Cv值逐漸減小，而在2000年后，Cv值呈上升趨勢并達到歷史最高水平，表明20世紀60、70年代流域徑流年際變異較大，80、90年代清澗河流域的徑流量年際變異較小，而21世紀頭10年，清澗河流域徑流年際變異達到最大程度。從不同階段降雨和徑流的散點分布圖(圖4［16］)也可以看出：在1980 年以前，年徑流量和年降水的散點分布較為分散，說明20世紀60、70年代流域徑流年際變化較強烈，同時在3個徑流時段內;1955—1979年徑流量和年降水量的泥沙直線斜率最高，表明相同的降水量變化對徑流量年際變化的影響最明顯。80年代，年降水集中分布于360～540mm之間，是降水量年際變化最小時段，流域年徑流量的極值比和變差系數同樣也處于4個時段內的最低水平，分別為0.27和2.11。90年代，年降水量與年徑流量的擬合直線斜率幾乎與1980—1989年二者的擬合直線平行，這表明該時段內降水和徑流年際變化較小。在流域單元內，降雨是徑流年際變化的直接因素，但還與流域下墊面條件有關，如土地利用/土地覆被變化、水土保持措施等。

圖4 清澗河流域降雨與徑流相關關系Fig．4 Correlation relationships between annual rainfall and runoff in Qingjianhe River Basin

3.2.2 徑流不同時段豐枯變化 徑流的豐枯變化特征可以進一步反映徑流年際變化情況，對徑流豐枯情況的劃分標準一般按其距平比例P來確定。

式中：P＞20%為豐水;10%＜P≤20%為偏豐;-10%＜P≤10%為平水;-20%≤P＜-10%為偏枯;P＜-20%為枯水?；谶@一標準對清澗河流域不同階段內徑流豐枯情況進行分析(表2)，發(fā)現清澗河流域在20世紀60年代為徑流偏豐水年，70年代為徑流平水年，80年代為徑流偏枯水年，90年代為徑流偏豐水年，2000年至今屬于嚴重枯水年。對比發(fā)現清澗河流域在整個時間序列上呈現出由豐水年向枯水年演變趨勢，豐枯變化波動明顯。20世紀80年代是流域徑流豐枯的明顯轉折點，特別是進入2000年以來，清澗河流域徑流豐枯程度達到了近50年來的最低水平。

表2 延川水文站不同時段年徑流量豐枯變化Tab．2 High and low water，level change of runoff in each period of Yanchuan Hydrological Station

3.2.3 土地利用動態(tài)變化對徑流的影響 土地利用是決定流域下墊面環(huán)境特征的重要指標。根據數據可獲取性，利用 1985、1995、2000、2008年 4期土地利用矢量圖對清澗河流域進行土地利用動態(tài)變化分析(表3)，表明：清澗河流域耕地轉移明顯。3個時段內耕地的轉移速率均大于新增速率，特別在2000年后，耕地的轉移速率達到最高水平(7.75%);清澗河流域林、草地新增明顯。1995—2000年和2000—2008年2個時段內林地和草地的新增速率明顯大于轉移速率，在2000—2008年時段內達到最大，分別為5.82%;3個時間段內區(qū)域綜合土地利用動態(tài)度呈現逐年增大的趨勢，分別為0.47%、1.43%和3.38%，2000—2008年是土地利用動態(tài)變化最為劇烈的時段。

土地利用變化對流域徑流時變具有重要影響。從表3可以看出，耕、林、草是清澗河流域土地利用的重心。根據清澗河流域土地流轉與動態(tài)特征，將1985年前視為第1階段，其特點是以耕地利用為重心，土地利用變化速率相對穩(wěn)定，流域徑流年際變化不均勻程度和變異程度較低，徑流變化對于集中，流域徑流處于偏豐或平水水平;第2階段為1985—1995年，該時段為土地利用頻繁流轉階段，徑流的年內分配較為分散，徑流向偏枯水平轉變;1995—2000年對土地利用結構調整的過渡階段，該時段內徑流不均勻程度開始回升，集中度趨于增大，徑流年際變化也呈增加趨勢;2000年后土地利用進入快速演變階段，耕地向林、草地景觀類型的快速轉變，使得林地和草地的新增速率達到較高水平，同時流域土地利用總動態(tài)變化達到極值，林、草等生態(tài)功能型景觀的快速增加顯著改善了流域對徑流的調節(jié)能力。這不僅使流域徑流年際變化和不均勻程度增大，集中程度增強，而且顯著改變了流域的徑流效應，出現明顯的枯水現象，豐枯程度達到了-23.8%。

表3 1985—2008年清澗河流域土地利用動態(tài)變化Tab．3 Dynamic changes of the land use in Qingjianhe River Basin from 1985 to 2008

3.2.4 徑流年際變化趨勢 利用Mann-Kendall非參數統(tǒng)計方法［17］對清澗河流域50年年徑流量進行趨勢分析發(fā)現，清澗河流域年徑流量總體呈現明顯下降趨勢(圖5)。盡管清澗河流域在個別年內會出現徑流極值，但從20世紀60年代以來，總的趨勢表明清澗河流域的年徑流量呈現明顯的下降趨勢。這不僅與流域降雨收支有關，而且與流域土地利用結構調整、植被恢復等人為活動密切相關。此外，修筑淤地壩、水庫等設施也會對流域徑流時變過程產生一定影響，還有待進一步研究。

圖5 清澗河流域徑流量變化趨勢Fig．5 Variation trend of amount of runoff in Qingjianhe River Basin

4 結論與討論

1)清澗河流域徑流年內分配呈明顯單峰曲線，主要集中在 7—9月，占全年平均徑流量的58.16%。

2)在不同時段內，清澗河徑流年內分配不均勻系數、調節(jié)系數和集中度的變化規(guī)律基本一致，但從20世紀90年代以來，延川站徑流年內分配不均勻性和集中程度趨于減小。

3)清澗河流域在不同年代間徑流年際變異差異較大，其變異在2000—2009年間達到最大程度。

4)清澗河流域徑流演變具有明顯的階段性和趨勢性，年徑流序列歷經了偏豐、平水、偏枯、偏豐、枯水期的變化，20世紀80年代是流域徑流豐枯明顯轉折點，特別是2000年后清澗河流域徑流豐枯程度達到了近50年來的最低水平。

綜合看來，清澗河流域徑流時變過程不僅與降雨變化有密切關系，而且受土地利用動態(tài)變化影響較為明顯。在流域尺度上，降雨是徑流形成的基礎，降雨量的時空變化是影響徑流過程變異的主要因子。土地利用引起的下墊面條件改變是流域景觀變化的主要原因和組成部分，會對流域降雨—徑流關系產生重要影響。由于流域樣本數量限制、水文過程模型缺乏等因素，本文僅從土地利用數量和轉移速率等方面分析了土地利用動態(tài)度對徑流時變過程的影響，而未探討土地利用空間格局與徑流過程關系。因此如何表征土地利用時空結構變化對徑流以及降雨—徑流關系的影響今后仍需要深入研究。

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Temporal variations and trend analysis of runoff in Qingjianhe River in Yellow Rivermidstream area in the past 50 years

Wang Jiping1，Zhaomei2，Cheng Fu3，Jiang Lei4，Wang Ran5

(1.Research Institute of Forest Ecology，Environment and Protection，the Chinese Academy of Forestry，100091，Beijing;2.Bureau of Hydrology and Water Resources of themiddle Yellow River，Yellow River Water Conservancy Committee，030600，Jinzhong，Shanxi;3.Beijing Water-soil Conservation and Eco-engineering Consultation Co.，Ltd，100055，Beijing;4.College of Forestry，Beijing Forestry University，100083，Beijing;5.National Satellite Ocean Application Service，100081，Beijing：China)

Based on the data set of runoff of the Yanchuan Hydrological Station，Qingjianhe River，in the past 50 years，annual unevenly distribution coefficient of runoff，complete accommodation coefficient，concentrative degree(concentrative period)，variation coefficient and runoff extremum ratio of the station were calculated and analyzed，which indicated the annual and interannual variations of runoff.The longterm variation tendency of the runoff in the Qingjianhe River Basin was verified by the tendency analysismethod.The results demonstrate that the annual analytic curve of annual distribution of runoff in Qingjianhe River Basin occurred unimodal curve，and the runoffmainly distributed during July to September，which accounted for 58% of average annual flow.Since 1990s，the annual unevenly distribution and concentrative degree had a gradual decrease.The interannual runoff in different periods varied so greatly to reach the peak of past 50 years after 2000.The annual runoff in this basin presented a significant downtrend，which was supported by the facts that 1980s was the remarkable turning point of the runoff from high to low water level period，and after 2000 runoff turned into the low-water period and reached the lowest level in the past 50 years.The evolution of runoff in Qingjianhe River Basin shows the clear nonuniformity，periodicity and tendency，which is related with the rainfall and characteristic variation of underlying surface caused by restoring vegetation.

land-use dynamic change;rainfall;nonuniformity;tendency;Qingjianhe River Basin

2011-04-22

2011-08-18

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項“黃土高原生態(tài)恢復對徑流泥沙影響評價技術研究”(201004058);中國博士后科學基金“黃河中游植被恢復格局對流域徑流泥沙的影響”(20100480365)

王計平(1978—)，男，博士后。主要研究方向：景觀格局規(guī)劃、水文過程模擬。E-mail：wjp_gis@163.com

?責任作者簡介：趙梅(1965—)，女，工程師。主要研究方向：水利規(guī)劃、水文分析與水資源管理。E-mail：hwhzzwgh@126.com

(責任編輯：程 云)