渭河流域甘肅段水資源特性及演變趨勢分析

聶文晶，張德棟

(甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000)

渭河流域甘肅段水資源特性及演變趨勢分析

聶文晶，張德棟

(甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000)

運(yùn)用1956年—2015年60年實(shí)測整編長系列水文資料，對(duì)渭河流域甘肅段干、支流徑流量開展變化特性分析及演變趨勢分析。得出渭河流域甘肅段干支流徑流量年際變化大，90年代至今出現(xiàn)了長達(dá)25年的枯水期。其中北道站與秦安站徑流量呈豐、平、枯周期性交替出現(xiàn)，徑流量逐年呈減少趨勢，并且趨勢顯著。干、支流徑流序列在1993、1985、1970等年份發(fā)生了顯著性跳躍。為水行政主管部門制定區(qū)域水資源開發(fā)利用規(guī)劃提供參考。

甘肅??；渭河流域；徑流量變化特性；演變趨勢

渭河流域甘肅段為渭河源頭至甘肅和陜西交界之間的區(qū)域，主要涉及定西、天水、平?jīng)鋈泄?7個(gè)縣區(qū)，占渭河入黃口以上總流域面積的19%。近年來渭河流域甘肅段水量銳減，特別是20世紀(jì)90年代，從干流到支流徑流量有比較明顯的減少，打破了流域水資源供需平衡，引起了嚴(yán)重的水污染等問題，各級(jí)政府和水行政主管部門高度重視。因此，開展甘肅省境內(nèi)渭河流域干、支流水量變化特性和演變趨勢分析，對(duì)于各級(jí)水行政主管部門及區(qū)域水資源開發(fā)利用規(guī)劃的編制具有積極意義。

1 流域及水文站概況

渭河流域甘肅段屬整個(gè)渭河上游部分，干流河長360 km，流域面積25 790 km2，兩岸支流眾多，北岸匯入的有秦祁河、咸河、散渡河、葫蘆河、牛頭河等支流，主要流經(jīng)黃土高原，洪枯流量相差懸殊，泥沙含量大，是渭河的主要來沙支流；南岸匯入的有榜沙河、大南河、耤河等支流，主要流經(jīng)土石山區(qū)，水流湍急，水力資源較為豐富[1]。渭河流域甘肅段干流從上到下分布有渭源、武山、北道、元龍站，其中渭源、武山、北道三站為上、中、下游控制站，實(shí)測徑流系列較長，元龍

站為出省界把口站，有近5年資料；支流分布有何家坡、仁大、甘谷、天水、社棠水文站。

2 徑流特性分析

2.1 徑流統(tǒng)計(jì)

渭河甘肅段干流選取渭源、武山、北道三個(gè)代表站，支流選取葫蘆河秦安站、散渡河甘谷站，耤河天水站、牛頭河社棠站4個(gè)入干流把口站，采用1956至2015年共60年實(shí)測和插補(bǔ)延長系列分析研究渭河流域甘肅段年徑流特性及演變趨勢情況。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，干流渭源、武山、北道水文站多年平均徑流量分別為0.23億 m3、5.41億 m3、10.84億 m3；支流秦安、甘谷、天水、社棠水文站多年平均徑流量分別為2.8億 m3、0.51億 m3、0.75億 m3、1.44億 m3。渭源、武山、北道站三站CV值分別為0.41，0.50，0.57，說明隨著集水面積的增大，越往下游徑流的年際變化越大。支流CV值大于干流，可見集水面積越小，徑流量越不穩(wěn)定，秦安站CV值達(dá)0.74，為渭河流域中最大值，說明葫蘆河徑流量年際變化最為復(fù)雜。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 渭河流域代表站年徑流量特征值表

對(duì)干支流年徑流量極大值與極小值統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)1967年流域水量最為豐沛，除支流葫蘆河、牛頭河外，均達(dá)到歷史最大值；1997年流域來水最少，干流水量達(dá)到歷史最枯，支流雖不是歷史最枯，但為枯水年，說明干、支流水量變化基本同步。從極值比可以看出，支流倍比值大于干流，反映出集水面積越小，徑流量越不穩(wěn)定，這一結(jié)論同CV值分析結(jié)果。

2.2 年代變化分析

通過對(duì)干支流控制站徑流量年代進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)50年代干流渭源與武山站徑流量比多年均值略有增加，北道站略有減少，但整體變化幅度不大，北道斷面以上支流秦安、甘谷、天水站均高于多年平均值，其中甘谷站超過50%以上。60年代渭河流域徑流量是最為豐沛時(shí)期，干、支流水文站均比多年平均值偏大，達(dá)到所有年代中最大值，干流三個(gè)水文站偏大27.3%～76.6%，支流4個(gè)水文站偏大74.3%以上，超過常年值約四分之三的比例。70、80年代渭河干流三個(gè)水文站比多年平均值偏大6.6%～24.9%，支流4個(gè)水文站增、減幅度不大。90年代至今，渭河流域出現(xiàn)了長達(dá)25年的枯水年份，干流3個(gè)水文站及支流4個(gè)水文站均比常年值偏小，而且越向下游偏小幅度越大，尤以90年代及2000年代最為顯著，這一時(shí)期干流渭源站偏小20.4%～25%，武山站偏小38.2%～43.8%，北道站偏小46.2%～46.5%，支流4個(gè)水文站減少幅度都較大，偏小32.4%～65.3%，其中秦安站減幅最大。近五年來，渭河水量比80、90年代略有增加，但整體仍為枯水段，干流三個(gè)水文站比多年均值偏小11.7%～22.7%，支流秦安、天水站偏小16.7%～29.8%，甘谷站減幅為所有年代中最大值，偏小68.8%，社棠站與多年均值基本持平。分析結(jié)果見表2。

表2 渭河流域代表站各年代徑流量統(tǒng)計(jì)表 億 m3

3 水資源演變趨勢分析

3.1 趨勢研究方法

隨著時(shí)間的增長，對(duì)水文序列的各值平均而言，或是增加或是減少，形成序列在相當(dāng)長的時(shí)期里向上或向下緩慢地移動(dòng)，這種有一定規(guī)則的變化稱為趨勢。趨勢出現(xiàn)在序列全過程叫整體趨勢，只出現(xiàn)在序列中的一段時(shí)期叫局部趨勢。趨勢存在于水文序列的任何參數(shù)中，如均值、方差、相關(guān)系數(shù)等等。引起趨勢的原因有自然也有人為因素，傳統(tǒng)的分析方法有線性回歸法、滑動(dòng)平均法、坎德爾(Kendall)秩次相關(guān)法等。 其中線性回歸法是最簡單直觀的分析方法，其方程的斜率可以看出趨勢的變化程度，是水文分析計(jì)算中普遍采用的方法之一[2]；坎德爾秩次檢驗(yàn)法常用來分析降水、徑流等水文氣象要素序列的變化趨勢，應(yīng)用較為廣泛，基本原理為：原假設(shè)序列為無趨勢，當(dāng)給定顯著水平a后，在正態(tài)分布表中查出臨界值Ua/2，當(dāng)統(tǒng)計(jì)量∣U∣<∣Ua/2時(shí)，接受原假設(shè)，即趨勢不顯著；當(dāng)∣U∣>∣Ua/2時(shí)，拒絕原假設(shè)，即趨勢顯著[3]。本論文采用線性回歸法和坎德爾秩次檢驗(yàn)法對(duì)渭河流域甘肅段徑流量演變趨勢展開分析研究。

3.2 趨勢分析

3.2.1 線性回歸分析

繪制渭河干流及支流水文站1956—2015年60年資料系列徑流過程及趨勢線圖，從過程線圖可以看出，渭河干流上、中、下段3個(gè)代表站及4條支流把口水文站徑流量過程線有高有低呈鋸齒型，各個(gè)站雖變化幅度不同，但變化趨勢一致，要么都上升，要么都下降。擬合趨勢線方程渭源站為：y=-0.001 9x+0.287 5，武山站為：y=-0.082 9x+7.937 2，北道站為：y=-0.203 9x+17.062，秦安站站為：y=-0.075 6x+5.140 7，甘谷站為：y=-0.013 9x+0.930 8，天水站為：y=-0.016 5x+1.256，社棠站為：y=-0.023x+2.139 9。從擬合趨勢線方程可以看出，7個(gè)站趨勢方程的斜率均為負(fù)值,干流中北道站斜率最大，其次是武山站，支流中秦安站斜率最大，其它3站斜率基本持平?？傮w來說，渭河流域60年以來徑流量總體變化趨勢一致，都呈下降狀態(tài)，渭河干流中、下游及支流葫蘆河下降幅度最大，其它支流散渡河、籍河、牛頭河下降趨勢緩慢。過程線圖見圖1，趨勢線圖見圖2。

圖1 1956-2015年渭河干流水文站年徑流過程線圖

3.2.2 趨勢性檢驗(yàn)和跳躍分析

在顯著水平為0.05時(shí)，經(jīng)坎德爾(Kendall)秩次相關(guān)法檢驗(yàn)，渭河流域7個(gè)水文站均超過顯著性檢驗(yàn)臨界值1.96，表明渭河流域徑流量逐年呈減少趨勢，并且趨勢顯著。在顯著水平為0.05時(shí)，渭河流域7個(gè)水文站T的絕對(duì)值均超過臨界值2，表明徑流序列在某一年已發(fā)生顯著跳躍。根據(jù)有序聚類分析法判斷，渭河干流三個(gè)站水文序列跳躍年份為1993年，即1956—1993年為前一樣本，1994—2015年為后一樣本，支流4個(gè)水文站跳躍年份各不相同。根據(jù)分析，7個(gè)水文站中北道站跳躍量最大，跳躍前均值為13.8，跳躍后均值為5.73，跳躍量8.07，跳躍后比跳躍前減少了58.5%，其次為武山、秦安站跳躍量較大，渭源站跳躍量最小。說明渭河干流中、下游及葫蘆河徑流量減少趨勢最為顯著，這一結(jié)論同年徑流過程線圖法分析結(jié)果一致。分析結(jié)果見表3。

圖2 1956-2015年渭河支流水文站年徑流過程線圖

站名趨勢方程Kendall秩次相關(guān)結(jié)果(α=0．05)均值跳躍性檢驗(yàn)U值(Uα/2=1．96)趨勢程度T值(Ta/2=2)跳躍顯著否跳躍年份跳躍量渭源y=-0．0019x+0．28752．918減小、顯著3．96顯著1993-0．09武山y(tǒng)=-0．0829x+7．93724．249減小、顯著6．26顯著1993-3．547北道y=-0．2039x+17．0624．562減小、顯著6．162顯著1993-8．07秦安y=-0．0756x+5．14075．579減小、顯著3．316顯著1985-2．724甘谷y=-0．0139x+0．93086．764減小、顯著7．06顯著1990-0．454天水y=-0．0165x+1．2563．891減小、顯著5．62顯著1968-0．773社棠y=-0．023x+2．13993．801減小、顯著4．77顯著1970-1．115

4 結(jié)語

(1)渭河流域甘肅省段干、支流水量變化基本同步，徑流量年際變化大，集水面積越小，徑流量越不穩(wěn)定，越往下游徑流的年際變化越大。

(2)渭河流域甘肅省段徑流量50年代變化幅度不大，60年代是豐水時(shí)期，70、80年代變化幅度不大，90年代至今出現(xiàn)了長達(dá)25年的枯水年份，尤以90年代及2000年代最為顯著，近5年來比80、90年代有所增加，但整體仍為枯水段。

(3)渭河流域甘肅段干流徑流量逐年呈減少趨勢，并且趨勢顯著，干流及支流葫蘆河較少趨勢顯著，支流散渡河、籍河、牛頭河下降趨勢較緩。

(4)渭河干流徑流量跳躍年份為1993年，支流跳躍年份不相同，7個(gè)站中北道站跳躍量最大，其次為武山、秦安站跳躍量較大，渭源站跳躍量最小。

[1]楊成有,劉進(jìn)琪.甘肅省河流名錄[M].蘭州：甘肅人民出版社.2014.

[2]丁晶,鄧育仁.隨機(jī)水文學(xué)[M].成都:成都科技大學(xué)出版社.1988.

[3]周芬.Kendall檢驗(yàn)在水文序列趨勢分析中的比較研究[J].成都科技大學(xué)出版社.1988.

2017-03-27

聶文晶(1973-)，女，甘肅蘭州人，工程師，主要從事站網(wǎng)規(guī)劃、水文分析計(jì)算、水資源研究等工作。

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1004-1184(2017)04-0142-03