烏裕爾河流域水文氣象要素演變特征分析

羅先超，魏懷斌

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

變化環(huán)境下水文水資源的研究是業(yè)界當(dāng)今所關(guān)注的研究熱點(diǎn)之一［1］．伴隨著以全球變暖為主要特征的氣候變化，降雨、氣溫、蒸發(fā)等氣象要素也會發(fā)生不同程度的變化，這些氣象水文要素的改變勢必會影響水文循環(huán)的降水、水汽輸送及蒸散發(fā)等環(huán)節(jié)，從而影響流域水資源狀況． 烏裕爾河是扎龍濕地主要的補(bǔ)給水源，也是扎龍濕地演變的重要因子，因而烏裕爾河流域的水文氣象狀況直接關(guān)系著扎龍濕地的水循環(huán)及生態(tài)保護(hù)［2］，探究其流域水文氣象特征對區(qū)域的水資源合理開發(fā)利用及保護(hù)具有重要意義．黃方等基于Landsat MSS 和TM 影像在GIS 技術(shù)支持下分析了20 世紀(jì)70 年代中期以來松嫩平原烏裕爾河中下游流域濕地的時空變化［3］;王建成等根據(jù)烏裕爾河自上而下的水文站資料論述了烏裕爾河水污染對扎龍濕地保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響［4］;韓玉梅在分析烏裕爾河流域的水系、水文、氣候、水資源等特點(diǎn)的基礎(chǔ)上探討了烏裕爾河水文特性與生態(tài)環(huán)境保護(hù)問題［5］;孫萬光研究了氣候變化對烏裕爾河流域水文特性的影響［6］;王磊等對烏裕爾河流域的水文特征及其變化趨勢進(jìn)行了詳細(xì)的分析，研究了扎龍濕地對烏裕爾河流域水文特征的響應(yīng)［7］．

在以上研究成果的基礎(chǔ)上，筆者對氣候變化下烏裕爾河流域的水文氣象要素演變特征進(jìn)行分析．選取烏裕爾河流域7 個代表雨量站的近60 a 氣象數(shù)據(jù)和龍安橋水文站57 a 的徑流數(shù)據(jù)，運(yùn)用線性趨勢估計、Kendall 秩次相關(guān)檢驗(yàn)分析了降雨、氣溫及蒸發(fā)變化特征，運(yùn)用累計距平法和小波分析法分析了降雨變化和徑流的演變趨勢，旨在更好地掌握烏裕爾河流域的水文氣象要素特征，為氣候變化下流域的水資源利用管理及下游扎龍濕地的水循環(huán)及生態(tài)保護(hù)提供依據(jù)．

1 數(shù)據(jù)與方法

1．1 數(shù)據(jù)來源

烏裕爾河流域的地理位置為東經(jīng)125°20'—128°30'，北緯47°40'—48°20'，流域呈長條型［6］，地勢自東北傾向西南，海拔高程為145 ～410 m，干流河道全長576 km，落差271 m，平均坡降0．047%，流域總面積8 224 km2．流域概況如圖1 所示．

為了增強(qiáng)資料記錄的可靠性，取該流域的空間平均序列作為區(qū)域序列［8］．本文選用分布在烏裕爾河流域的北安、克山、富裕、海倫、明水、齊齊哈爾、伊春7 個具有代表性的氣象站資料，進(jìn)行降雨、氣溫、蒸發(fā)變化特征分析．烏裕爾河上的水文站有北安站、依安站、零號站、龍安橋站等［9］，本文根據(jù)所獲資料，對具有代表性且資料齊全的龍安橋站進(jìn)行徑流變化特征分析．

圖1 烏裕爾河流域概況

1．2 研究方法

研究氣象、水文序列變化趨勢的方法有很多，常用的有線性傾向估計、累計距平、小波分析、Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)等［9－11］． 筆者選擇以上方法并結(jié)合MATLAB、EXCEL 等工具對烏裕爾河流域的水文氣象要素進(jìn)行變化特征分析．

2 水文氣象變化特征分析

2．1 降雨變化特征

2．1．1 降雨年內(nèi)變化

根據(jù)烏裕爾河流域7 個雨量站1953—2012 年實(shí)測的年內(nèi)月降雨統(tǒng)計資料，得出該流域年內(nèi)月平均降雨量變化如圖2 所示．從分析結(jié)果來看，該流域降雨量偏少，降雨主要集中在6—9 月，占全年降雨量的78．9%，其中7、8 月份降雨量最大，占全年降雨量的52．2%，春季干旱少雨，冬季寒冷少雨．

圖2 年內(nèi)月平均降雨量、蒸發(fā)量及徑流量

2．1．2 降雨年際變化

根據(jù)該流域歷年實(shí)測的降雨統(tǒng)計資料，得出歷年平均降雨量變化過程如圖3 所示，在1953—2012年降雨量總體上呈減少的演變趨勢，年際間降雨量呈現(xiàn)較大波動． 近 60 a 的降雨傾向值為－4．33 mm/10 a，此回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2=0．005，值很小，并且對年降雨序列運(yùn)用Kendall 秩次相關(guān)檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)統(tǒng)計量，不能滿足α =0．05 的顯著性檢驗(yàn)水平，接受原假設(shè)，即趨勢不顯著．說明烏裕爾河流域的降雨量變化呈不顯著的遞減線性趨勢，可能呈現(xiàn)周期性變化特征．

圖3 烏裕爾河流域歷年降雨量變化過程

2．2 溫度變化特征

2．2．1 氣溫年內(nèi)變化

圖4 為多年月平均氣溫變化圖．由圖可以看出年內(nèi)氣溫變化有明顯的季節(jié)性，比較寒冷的月份(氣溫均在0 ℃以下)為每年的11 月到次年3 月，該流域的年內(nèi)月平均最低氣溫為－ 19 ℃(1—2 月)，月平均最高氣溫約25 ℃(6—8 月)．

圖4 多年月平均氣溫變化圖

2．2．2 氣溫年際變化

分析烏裕爾河流域7 個氣象站1959—2012 年實(shí)測的氣象數(shù)據(jù)，得出該流域的年平均氣溫變化如圖5 所示．結(jié)果表明:該流域的氣溫總體上呈現(xiàn)上升趨勢;從氣溫線性趨勢回歸方程來看，升溫傾向值為0．36 ℃/10 a，相關(guān)系數(shù)比較大;利用線性回歸趨勢檢驗(yàn)可知，該流域氣溫的線性趨勢顯著．

圖5 烏裕爾河流域年平均氣溫變化圖

2．3 蒸發(fā)變化特征

根據(jù)該流域的1961—2012 年蒸發(fā)量資料得出，多年平均蒸發(fā)量為1 280 mm，而多年平均降雨量為531 mm，蒸發(fā)量是降雨量的2．34 倍，多年年際蒸發(fā)量無明顯的大波動． 運(yùn)用Kendall 秩次相關(guān)檢驗(yàn)對多年蒸發(fā)量序列進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)統(tǒng)計量收斂于標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)分布，檢驗(yàn)統(tǒng)計量．結(jié)果表明，多年蒸發(fā)量無顯著變化趨勢，年蒸發(fā)量相對平穩(wěn)．年內(nèi)蒸發(fā)量變化如圖2 所示． 由圖可知:蒸發(fā)主要集中在4—9 月，占全年蒸發(fā)量的83．6%，其中5 月份的蒸發(fā)量最大，分析原因是該時段天氣回暖、日照豐富且風(fēng)速較大;12 月和1 月份的蒸發(fā)能力最弱，合計僅是年蒸發(fā)量的1．7%;月蒸發(fā)量均大于月降雨量，故該流域氣候相對干燥，容易出現(xiàn)干旱．

2．4 徑流變化特征

根據(jù)所得水文資料，選取資料可靠的龍安橋站的徑流資料進(jìn)行分析．

2．4．1 徑流年內(nèi)變化

年內(nèi)徑流變化如圖2 所示，由圖可以明確看出烏裕爾河為季節(jié)性河流，每年12 月到次年2 月河流處于冰凍期，河流基本斷流，3 月以后(春季)隨著氣溫升高，冰雪融化，徑流量增加． 徑流主要集中在6—9 月份，這與降水過程相符．最大徑流量出現(xiàn)在8月份，9 月份以后徑流量逐漸減小至斷流．

2．4．2 徑流年際變化

烏裕爾河流域龍安橋站年徑流量的變化存在明顯的豐枯周期變化，總體上有逐年減小的趨勢，如圖6 所示．回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2值比較小，而且對年徑流序列運(yùn)用Kendall 秩次相關(guān)檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)統(tǒng)計量，沒有達(dá)到α=0．05 的顯著性檢驗(yàn)水平，接受原假設(shè)，即趨勢不顯著，說明徑流量的變化也不是呈顯著的線性遞減趨勢，可能有周期性演變特征．

圖6 烏裕爾河龍安橋站年徑流量變化過程

3 水文周期及演變趨勢

綜上分析可以看出，降雨和徑流均不是呈顯著的遞減線性趨勢，可能存在周期性變化特征．選用累積距平法對烏裕爾河流域的降雨和徑流進(jìn)行趨勢分析，用小波分析法進(jìn)行降雨和徑流的周期性分析．

3．1 降雨趨勢分析

利用累計距平法進(jìn)行降雨量趨勢分析，結(jié)果如圖7 所示．從圖中可以看出，降雨量存在明顯的豐水期、枯水期．1955—1963 年、1982—1988 年為顯著的豐水期，1972—1982 年、1998—2008 年為枯水期，1964—1972 年、1989—1998 年為振蕩期，豐枯周期交替出現(xiàn)．在MATLAB 軟件工具中用小波分析法得出該降雨序列的小波方差如圖8 所示．由圖可知，多年平均降雨量存在2 個明顯的峰值，所對應(yīng)的周期分別為30、8 a，其中第1 主峰對應(yīng)的是30 a 尺度，為降雨變化的主周期，第2 周期為8 a．

圖7 多年平均降雨量累積距平年際變化過程

圖8 多年平均降雨量序列小波方差

3．2 徑流趨勢分析

對烏裕爾河的代表水文站——龍安橋站的近60 a 的徑流資料進(jìn)行分析，得到年徑流量累積距平變化過程，如圖9 所示． 由圖可以看出:烏裕爾河龍安橋水文站年徑流有2 個顯著的豐水期即1956—1963 年、1982—1988 年，2 個顯著的枯水期即1972—1982 年、1999—2012 年，振蕩期為1964—1971 年、1989—1998 年，振蕩期內(nèi)豐枯周期交替出現(xiàn)，持續(xù)的豐水期或枯水期均在4 a 內(nèi)交替出現(xiàn)．這種現(xiàn)象跟降雨量趨勢分析的結(jié)果極其相似，也充分說明降雨和徑流顯著相關(guān)．

圖9 龍安橋站徑流量累積距平年際變化過程

利用小波分析法對龍安橋水文站的徑流進(jìn)行周期性分析，小波方差如圖10 所示．由圖可知:多年平均徑流量有3 個明顯的峰值，分別是5、9、21 a 的時間尺度，第1 主峰對應(yīng)21 a 時間尺度，說明21 a 左右的周期性振蕩最強(qiáng)，為流域徑流變化的第1 周期，第2、3周期分別是9、5 a．

圖10 龍安橋水文站徑流序列小波方差

4 結(jié) 語

1)烏裕爾河流域降雨量偏少，年內(nèi)主要降雨期為6—9 月，春季干旱少雨，冬季寒冷少雨，降雨量在1953—2012 年存在波動性豐水期和枯水期，多年呈現(xiàn)周期性波動，降雨量存在一個降雨演變主周期為30 a，總體上降雨量呈不顯著遞減趨勢．

2)烏裕爾河流域1959—2012 年年際平均氣溫呈顯著的上升趨勢，升溫傾向值為0．36 ℃/10 a．年內(nèi)氣溫變化具有明顯的季節(jié)性，比較寒冷的月份(氣溫均在0 ℃以下)為每年的11 月到次年3 月，該流域的年內(nèi)月平均最低氣溫為－19 ℃，月平均最高氣溫約25 ℃．

3)該流域年際蒸發(fā)量保持穩(wěn)定，無顯著變化趨勢．年內(nèi)蒸發(fā)量主要集中在4—9 月，占全年蒸發(fā)量的83．6%，月蒸發(fā)量均大于月降雨量． 故該流域氣候干燥，容易出現(xiàn)缺水干旱．

4)烏裕爾河為季節(jié)性河流，年內(nèi)徑流主要集中在6—9 月，這與降雨過程相符，也說明降雨與徑流相關(guān)性大;該流域的龍安橋站年徑流有明顯的豐枯周期，徑流量呈現(xiàn)周期性波動特征，第1 主周期為21 a，第2、3 周期分別是9、5 a，總體上年徑流呈不顯著的減小趨勢并具有周期性波動特征．

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