渾河流域下墊面變化對徑流系數(shù)影響的分析

劉艷娟，許曉艷，胡 娜

（1.遼寧省水環(huán)境監(jiān)測中心鞍山分中心，遼寧 鞍山 114002；2.遼寧省水文水資源勘測局，遼寧 沈陽 110003；3.大連市水利規(guī)劃設計院，遼寧 大連 116021）

1 渾河流域概況

渾河為遼寧東部地區(qū)較大的河流，流域南部與太子河毗鄰，北與清、柴、汎河接壤，東部以龍崗山脈與鴨綠江及松花江流域分界。渾河發(fā)源于清原縣灣甸子鎮(zhèn)，長白山支脈滾馬嶺，流經(jīng)撫順、沈陽、遼陽、鞍山4個市。渾河全長415 km，流域面積11481 km2。渾河流域主要支流有英額河、蘇子河、社河、東洲河、古城河、細河、蒲河等。

2 流域下墊面變化分析

從渾河流域平面演變、縱向演變、橫向演變等方面分析，渾河大伙房水庫以下河段大部分位于城市段，受堤防和攔河建筑物影響，橫向和縱向演變較為穩(wěn)定；部分河段受采砂等人為影響，河道下切較為嚴重。

在渾河干流上建有大伙房1座大型水庫，支流上建有后樓、小孤家、紅升、腰堡、關山、英守、紅河（電站）等7座中型水庫（電站），另建有?。á瘢┬退畮?3座（含1座水電站）。大伙房以上流域內(nèi)1979年前建成的中小型水庫的庫容占現(xiàn)在總庫容的50%以上，還有大量池塘及攔河壩工程。

3 分析方法原理

采用趨勢變化及趨勢變異識別分析法，分析渾河流域下墊面對徑流系數(shù)的影響。趨勢變化及趨勢變異識別各種方法的原理如下。

3.1 滑動平均法

對于原序列（x1，x1，……，xn）的滑動平均，使原序列變得平滑，形成新的系列yt中通過目估的辦法判斷序列是否有明顯變化趨勢。

3.2 Hurst系數(shù)法

H系數(shù)常用來定量表證水文序列是否為隨即序列，以及對序列的長期相關性進行分析，通過計算水文系列的Hurst系數(shù)H，與臨界值比較判別系列變化特點。

Hurst系數(shù)計算的常用方法為R/S分析方法，又稱為重標極差分析，時間序列｛X（t）｝，t＝1，2，…，對于任意正整數(shù)τ≥1，定義均值序列

用ζ（t）表示累積離差：

極差R定義為：

R（τ）＝maxζ（t，τ）-minζ（t，τ），τ＝1，2，…，n

標準差S定義為：

考慮比值 R（τ）/S（τ）＝R/S，對于給定的序列，任何長度τ的 R/S均可統(tǒng)計計算。R/S＝（cτ）H，可以推出 ln[ R（τ）/S（τ）]＝H（ lnc+lnτ），用最小二乘法可求得參數(shù)c和Hurst系數(shù)H，根據(jù)下式計算分數(shù)布朗運動增量的相關函數(shù)C（t），利用相關函數(shù)C（t）值進行顯著性檢驗。在給定顯著水平為α的條件下，當C（t）小于臨界值rα時，認為序列的長期相關性不顯著，即序列非一致性不顯著；當C（t）大于等于臨界值rα時，認為序列的長期相關性顯著，即序列非一致性顯著。

假設檢驗時選用的顯著性水平常用的 α＝0.05，非一致性程度按表1判斷。

表1 非一致性判斷標準表

3.3 突變點檢驗方法

1）Mann—Kendall檢驗法

Mann—Kendall檢驗（簡稱Mann—K檢驗）是世界氣象組織推薦的一種非參數(shù)檢驗方法。對于具有n個樣本量的時間序列x，構造一秩序列，定義統(tǒng)計變量為：

求出時間序列的UFk和UBk值。UFk服從標準正態(tài)分布，原假設：序列無趨勢變化。采用雙邊趨勢檢驗，在給定一顯著性水平α下，查正態(tài)分布表得到臨界值Uα/2，（如α＝0.05，顯著性水平臨界值為±1.96）。若|UFk|＜Uα/2，接受原假設，即序列無趨勢變化；若|UFk|＜Uα/2，拒絕原假設，即表明序列存在一個明顯的增長或減少趨勢。所有UFk將組成一條隨時間變化曲線，如果該曲線落在置信區(qū)間（-Uα/2，+Uα/2）內(nèi)，那么原序列不存在變化趨勢，反之，原序列存在顯著的變化趨勢。將時間序列按逆序排列，再計算，UBk＝-UFk′（k′=n+1-k），如果UFk和UBk兩條曲線出現(xiàn)交點，且交點在臨界直線之間，那么交點對應的時刻就是突變開始的時刻。

2）滑動T檢驗法

兩個正態(tài)隨機變量均為小樣本時，T檢驗法可用來檢驗它們的數(shù)學期望是否有顯著差異。滑動T檢驗法是針對傳統(tǒng)T檢驗法只能用于已知變異點的檢驗，而無法用于變異點的識別問題。設變異點τ前后兩序列總體的分布函數(shù)各為 F1（x）和 F2（x），從總體 F1（x）和 F2（x）中分別抽取容量為n1和n2的兩個樣本，構造T統(tǒng)計量為：

4 下墊面對徑流系數(shù)的影響分析

徑流系數(shù)是一定匯水面積地面徑流量與降雨量的比值，是任意時段內(nèi)的徑流深度y（或徑流總量W）與同時段內(nèi)的降水深度x（或降水總量）的比值。徑流系數(shù)說明在降水量中有多少水變成了徑流，它綜合反映了流域內(nèi)自然地理要素對徑流的影響。

以渾河流域主要控制站大伙房水庫站1955—2010年徑流系數(shù)系列進行分析。

4.1 年徑流系數(shù)變化分析

從大伙房水庫年徑流系數(shù)變化圖（如圖1）可以看出，由于下墊面變化影響，大伙房水庫的年徑流系數(shù)總體呈減小趨勢。

圖1 大伙房水庫年徑流系數(shù)變化圖

4.2 徑流系數(shù)變異初步分析

1）10年滑動平均值法

首先采用10年滑動平均值法，分析大伙房水庫年徑流系數(shù)10年滑動趨勢，年徑流系數(shù)總體呈減小趨勢，如圖2所示。

圖2 大伙房水庫年徑流系數(shù)10年滑動趨勢圖

2）Hurst系數(shù)法

根據(jù)Hurst系數(shù)法，對大伙房水庫以上流域降雨及徑流系數(shù)進行Hurst系數(shù)法檢驗，算得降雨C（t）值0.1999，查樣本數(shù)為52年相關系數(shù)取顯著水平α＝0.05的r（0.05）為0.2732，C（t）小于 rα，即降雨無明顯的非一致性變化。徑流系數(shù)C（t）值0.6679，查樣本數(shù)為52年相關系數(shù)取顯著水平 α＝0.05 的 r（0.05）為 0.2732，C（t）大于 rα，即徑流系數(shù)產(chǎn)生明顯的非一致性變化。由于徑流主要由降雨產(chǎn)生，而降雨沒有明顯的非一致性變性，徑流系數(shù)產(chǎn)生明顯的非一致變化的原因為下墊面的變化。

4.3 變異點識別分析

對大伙房水庫徑流系數(shù)進行突變點檢驗，利用依據(jù)Mann—Kendall檢驗法如圖3，UBk與Ufk無接近相等?；瑒覶檢驗出現(xiàn)最大值年份1979年，結合流域下墊面實際情況綜合考慮，因此選擇突變點為1979年。

圖3 Mann-Kendall分析成果

大伙房以上流域降雨進行一致性分析，得出降雨沒有產(chǎn)生明顯的非一致性變化，由此可見，降雨不是大伙房徑流系列減小的主導因素。通過分析流域內(nèi)的下墊面變化情況，可以發(fā)現(xiàn)，在20世紀70年代末，由于農(nóng)業(yè)結構發(fā)生了明顯的改變，流域內(nèi)農(nóng)田水利工程建設及灌溉農(nóng)業(yè)的大力發(fā)展，對徑流的影響日益加重，大伙房以上流域內(nèi)1979年前建成的中小型水庫的庫容占現(xiàn)在總庫容的50%以上，大量池塘及攔河壩也減小了徑流量。總之，流域內(nèi)下墊面的變化造成了流域徑流的明顯減少，使徑流系列的一致性遭到破壞。

4.4 徑流系數(shù)年內(nèi)變化規(guī)律分析

以1979年為界，統(tǒng)計分析1979年前后各月徑流系數(shù)變化規(guī)律，分析大伙房水庫上游修建水庫前后，不同豐枯期對水庫產(chǎn)流特性的影響規(guī)律，分析的徑流系數(shù)隨時間變化趨勢線的斜率統(tǒng)計見表1。

可以看出1979年前后，各月的徑流系數(shù)變化趨勢中徑流量均有減小趨勢，僅7月份表現(xiàn)出增大趨勢，而徑流量影響比重較小的月份為4—8月?？偟氖歉髟聫搅骶袦p小趨勢，1979年以后的系數(shù)較1979年以前的系數(shù)明顯減小。

表1 年內(nèi)徑流變化趨勢統(tǒng)計成果表

5 結語

1）受流域下墊面變化影響徑流系列演變規(guī)律：滑動平均值法分析，渾河流域大伙房水庫站年徑流系數(shù)總體呈減小趨勢；變異點識別分析，渾河大伙房水庫站年徑流系數(shù)系列一致性遭到破壞，主要是由于流域下墊面受人類活動影響而發(fā)生改變，以變異點1979年為分界點。

2）受流域下墊面變化影響徑流系列年內(nèi)演變規(guī)律：以1979年為界，大伙房水庫上游修建水庫前后各月的徑流量均有減小趨勢，界點以后較以前明顯減小，原因主要是人類活動使流域下墊面發(fā)生了變化。

［1］李棟梁，謝金南，王文.中國西北地區(qū)夏季降水規(guī)律及其異常研究［J］.大氣科學，1997，21（3）：331-340.

［2］李少娟，錢永甫.2006.中國降水年內(nèi)分配的時空演變規(guī)律之新法研究［J］.南京氣象學院學報，2006，29（3）：315-321.