澮河水庫1960—2008年蓄水量變化趨勢分析

孫風朝，張書花

(1．山西水利職業(yè)技術學院，山西　運城　044004；2．浙江省水利河口研究院，浙江　杭州　310020)

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澮河水庫1960—2008年蓄水量變化趨勢分析

孫風朝1，張書花2

(1．山西水利職業(yè)技術學院，山西運城044004；2．浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020)

基于澮河水庫1960—2008年49 a實測數(shù)據(jù)，運用Mann-Kendall趨勢檢驗和線性回歸方法研究分析了澮河水庫蓄水量多年變化趨勢及其影響因素。結果表明：過去49 a入庫水量、出庫水量和水庫蓄水量均呈現(xiàn)出顯著下降趨勢；與出庫水量相比，入庫水量在非汛期下降趨勢更為顯著；入庫水量和出庫水量在1984年發(fā)生突變，且在非汛期入庫水量和出庫水量的變化較汛期更為明顯。

澮河水庫；水庫蓄水量；變化趨勢

1　問題的提出

山西地處山地、高原地區(qū)，全省水資源總量142億m3，人均占有量381 m3，是全國平均水平的1/5，世界平均水平的1/25。水資源匱乏已經成為山西省關注的熱點問題之一。澮河水庫系黃河流域汾河一級支流上的一座中型水庫，是一座以灌溉、防洪為主兼有養(yǎng)殖、旅游等綜合效益的水利樞紐工程，是攔蓄天然降水，合理有效利用水資源的有效途徑，對防治干旱、洪澇等災害及一些極端氣候的發(fā)生起著至關重要的作用。

水庫蓄水為下游城鎮(zhèn)居民和牲畜的飲用水提供保證，對于中下游防洪減災、灌溉效益以及水資源利用起著重要作用。蓄水量的變化主要是由于入庫水量、出庫水量以及蒸發(fā)滲漏損失等引起的。近些年，在水庫蓄水量變化方面已有相應的研究，黃榮珍[1]等研究了福建閩江上游不同林地類型土壤水庫蓄水量動態(tài)變化，結果顯示不同林地類型土壤水庫的月蓄水量變化主要受降雨量、土壤蒸發(fā)量和植物蒸發(fā)散等影響；谷曉平[2]等分析了春、夏季降水對水庫蓄水量的影響，結果表明春末、夏末水庫水位均與流域內前2個月的降雨量相關最好。近些年針對澮河水庫的研究主要集中在壩體結構及主要泄流建筑物上面[3-4]，而基于水庫入庫、出庫水量以及蒸發(fā)滲漏等對水庫蓄水量變化的研究較少，尤其是有針對性的分析水庫汛期和非汛期入庫及出庫水量長系列變化的研究工作尚未見到。因此，對澮河水庫過去49 a蓄水量的變化趨勢研究分析，對于更好地探究其影響因素，并制定對應策略保證水庫蓄水量，更好地解決水資源配置問題，提高用水保證率都具有重要的科學意義。

2　材料和方法

2.1水庫概況和數(shù)據(jù)來源

澮河水庫位于黃河流域汾河水系澮河支流的中段，屬北緯35°～36°，東經111°～112°，總流域面積1 928 km2，以黃土丘陵為主，全長100 km。澮河由2大支流(澮河和續(xù)魯峪河)在翼城縣丁村與絳縣大交鎮(zhèn)交界處匯流而成，經曲沃縣、侯馬市、新絳縣三林鎮(zhèn)注入汾河，整個河床比降為7.7‰。水庫控制流域面積1 301 km2，占總流域面積的67.5%。澮河水庫區(qū)間流域面積963 km2，其中丘陵區(qū)490 km2，植被覆蓋面積190 km2，流域海拔高程在448.26～1 365.26 m，為半干旱，半濕潤地區(qū)。多年平均降水量568.0 mm，最大年降水量966.3 mm，發(fā)生于1965年中村境內，最小年降水量68.4 mm，發(fā)生于1961年續(xù)魯峪一帶。多年平均氣溫為12.9 ℃，極端最低氣溫-12.2 ℃。極端最高氣溫42 ℃。無霜期185 d，最大凍土深度50 cm，最大風速15 m/s。多年平均蒸發(fā)量514.3 mm。水庫最大結冰厚度0.3 m。

本研究所采用的數(shù)據(jù)主要由當?shù)厮畮旃芾砭痔峁饕ㄋ畮於嗄晷钏俊⑷霂焖?、出庫水量和蒸發(fā)滲漏損失等。降雨數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)，部分由當?shù)厮畮焯峁?/p>

2.2Mann-Kendall趨勢檢驗

本文應用MK檢驗1960—2008年澮河水庫蓄水量、入庫水量和出庫水量等的變化趨勢。Mann-Kendall(MK)趨勢檢驗是一種簡單的非參數(shù)檢驗，該方法由Mann在1945年提出，Kendall在1975年加以改進，與相關的參數(shù)檢驗法相比，其優(yōu)點在于不需要檢驗數(shù)據(jù)服從某種分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，因此受到世界氣象組織高度推薦并普遍應用于水文氣象參數(shù)的變化趨勢的顯著性檢驗。MK檢驗得到的統(tǒng)計量Z值如果是正值，表明被檢驗序列呈現(xiàn)增加的變化趨勢，如果是負值，表明序列呈現(xiàn)減少的變化趨勢。另外，如果Z值絕對值大于95%置信水平統(tǒng)計值1.96，表明序列呈現(xiàn)的趨勢是顯著的[5]。

2.3雙累計曲線

雙累積曲線是指同一個時期內一個變量的連續(xù)累積值與另一個變量連續(xù)累積值的關系線[6]。如果2個變量成比例，將是一條直線，且這條線的斜率為2個變量之間的比率。如果該曲線的梯度發(fā)生變化則表明變量之間的原始關系被打破，且斜率發(fā)生突變點的年份為2個變量累計關系出現(xiàn)突變的時間。

3　結果與分析

3.11960—2008年水庫蓄水量的變化趨勢分析

用簡單的線性回歸方法結合MK趨勢檢驗分析澮河水庫年蓄水量、入庫水量、出庫水量和蒸發(fā)滲漏損失的變化趨勢。從圖1和表1可以看出1960—2008年49 a水庫年蓄水量表現(xiàn)出顯著下降趨勢(Z值為-2.870，坡度為-22.71萬 m3/a)。由于澮河水庫降雨記錄資料比較完善，因此選取中雨(日降雨量10～25 mm)、大雨(日降雨量25～50 mm)、暴雨(日降雨量50～100 mm)以上對應的庫水位上漲過程記錄，計算入庫洪量。選取典型樣本為中雨3～5次，大雨5～8次，暴雨以上全選。圖2為澮河水庫P(降雨)—V(入庫量)關系曲線圖。從圖2可以看出，水庫入庫水量的多少主要和降水量成正相關關系。圖3可以看出主要是由于降雨的下降(Z=-1.043)使入庫水量在多年呈現(xiàn)出顯著下降趨勢(Z=-6.150)。伴隨著入庫水量的下降，出庫水量也表現(xiàn)出同入庫水量較為一致的顯著下降趨勢(Z=-6.120)，但由于下游人口增加及工業(yè)用水增加等導致用水量增加，使得出庫水量下降趨勢略低于入庫水量。入庫水量的下降會導致水庫蓄水量的下降，而出庫水量的下降則會導致水庫蓄水量的增加，蒸發(fā)滲漏損失也會導致水庫蓄水量的下降。從表1可以看出蒸發(fā)滲漏損失雖然表現(xiàn)為下降趨勢(Z=-1.720)，由于其平均年下降量較小(坡度為-2.93萬m3/a)，相比降水量變化等對水庫蓄水量變化影響較小，因此未做相關分析。近些年，當?shù)毓I(yè)發(fā)展迅猛，澮河水庫承擔了立恒、通才、中宇、閩光焦化等當?shù)?大支柱企業(yè)的供水任務，加之降水量的下降與蒸發(fā)滲漏損失，最終使水庫蓄水量呈現(xiàn)出顯著下降趨勢。

圖4給出了澮河水庫1960—2008年月平均入庫水量和出庫水量的Mann-Kendall趨勢檢驗Z值。從圖4中可以看出，入庫水量都呈顯著下降趨勢(Z>1.960)，且在非汛期下降趨勢較汛期更為明顯；出庫水量除了9月平均值也都表現(xiàn)出顯著下降趨勢，其汛期下降趨勢較非汛期更為明顯。比較入庫水量和出庫水量在多年12個月各月平均值中的MK趨勢分析Z值，可以看出在汛期入庫水量和出庫水量表現(xiàn)出較為一致的下降趨勢，但在非汛期入庫水量的下降趨勢明顯大于出庫水量，因此導致全年水庫蓄水量表現(xiàn)出下降趨勢。

圖1　入庫水量、出庫水量和水庫蓄水量的多年變化趨勢圖

水量Z值顯著性坡度/(萬m3/a)入庫水量-6.15***-182.27出庫水量-6.12***-184.64蓄水量-2.87***-22.71蒸發(fā)滲漏量-1.72*-2.93

注：表中“***”和“*”分別表示置信水平為99%和90%。

圖2　澮河水庫P(降雨)—V(入庫量)關系曲線圖

圖3　降雨量和入庫水量的多年變化趨勢圖

圖4　1960—2008年入庫水量和出庫水量月平均MK趨勢檢驗Z值圖

3.2汛期和非汛期影響水庫蓄水量變化因素分析

由于入庫水量和出庫水量有較強的相關性，且表現(xiàn)出明顯的正比關系，同時，其變化對水庫蓄水量的變化影響較大，因此本研究對入庫水量和出庫水量繪制雙累計曲線，尋找突變年份，從而定量分析入庫水量和出庫水量的變化及對水庫蓄水量的影響。從上述分析可以看出在汛期和非汛期水庫入庫水量和出庫水量的下降程度明顯不同，因此將全年劃分成汛期和非汛期來討論。將汛期和非汛期內的入庫水量和出庫水量連續(xù)累計值繪制成曲線，由于2個變量有較強的相關性，因此從圖5可以看出在1960—1983年，2個變量的斜率都沒有發(fā)生變化，不論是汛期還是非汛期，曲線斜率都是在1984年發(fā)生轉變，與該年屬于水量偏枯年有關。1984年上游小河口水庫承擔小河口灌區(qū)供水任務也對此有一定影響。從表2可以看出，相比1960—1983年，汛期和非汛期入庫水量和出庫水量在1984—2008年都有明顯減小。汛期入庫水量減少了1 798.5萬m3，出庫水量減少了2 370.0萬m3，出庫水量比入庫水量多減少了571.5萬m3，因此導致在汛期增加水庫蓄水量。但在非汛期，入庫水量減少了2 071.5萬m3，出庫水量減少了1 410.1萬m3，入庫水量比出庫水量多減少了661.4萬m3，使非汛期水庫蓄水量減少?？梢钥闯?，在突變年后入庫水量比出庫水量減少更多，加之蒸發(fā)滲漏損失，使水庫蓄水量全年呈現(xiàn)出顯著下降趨勢。從表2可以看出，1984—2008年水庫年蓄水量比突變前減小了479.2萬m3。

圖5　汛期和非汛期入庫水量和出庫水量的雙累計曲線圖

表2汛期和非汛期突變年(1984年)前后入庫水量、出庫水量和水庫蓄水量的變化量表萬m3

年份1960—19831984—2008 汛期水量 入庫2541.3742.7-1798.5* 出庫2953.3583.3-2370.0*非汛期水量 入庫3375.21303.7-2071.5* 出庫2456.51046.4-1410.1*水庫年蓄水量1702.81223.6-479.2*

注：表中帶“*”號的數(shù)據(jù)為變化量。

4　結　論

基于澮河水庫降雨數(shù)據(jù)和水庫實測數(shù)據(jù)，運用Mann-Kendall趨勢檢驗和線性回歸對影響水庫蓄水量的各個變量進行了趨勢分析，結合雙累計曲線對水庫汛期和非汛期的入庫水量的水庫水量做了分析，找出突變年份，定量分析其變化量。主要研究結論如下：

(1)水庫入庫水量和出庫水量在1960—2008年都表現(xiàn)出顯著下降趨勢，蒸發(fā)滲漏損失也表現(xiàn)出下降趨勢，由于在非汛期入庫水量的下降趨勢較出庫水量更為顯著，使得水庫蓄水量呈現(xiàn)出顯著下降趨勢。

(2)不論在汛期或非汛期，入庫水量和出庫水量都在1984年發(fā)生突變，且相對于汛期入庫水量和出庫水量的變化，在非汛期的入庫水量與出庫水量的變化更大，加之蒸發(fā)滲漏損失的影響，使1984—2008年水庫年蓄水量減少了479.2萬m3。

本研究未考慮水庫水面降水量對其蓄水量帶來的影響，對水庫蒸發(fā)滲漏損失的研究還有待進一步開展。

[1]黃榮珍,李鳳,謝錦升,等.福建閩江上游不同林地類型土壤水庫蓄水量動態(tài)變化[J].水土保持學報,2006,20(6):50-53.

[2]谷曉平,劉雪梅.春、夏季降水對水庫蓄水量的影響[J].氣象,2001,26(4):50-53.

[3]石建軍.澮河水庫泄洪洞結構優(yōu)化研究[J].水利水電技術,2007,38(8):50-52.

[4]李建華,邢棣堂,王志剛.澮河水庫新加壩體石壩端沉陷裂縫處理分析[J].山西水利,2006,6(3):71-72.

[5]Mann H B.Nonparametric tests against trend [J].Econometrica,1945(13):245-259.

[6]Searcy JK,C.H Hardison.Double-mass curves[M].U.S Geological Survey Water Supply Paper.1541-B,1960.

(責任編輯郎忘憂)

2015-09-07

孫風朝(1987-)，男，助教，碩士，主要從事水文水資源方面的研究。E-mail：sunfengchao_120@163.com

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10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.03.005