汾河水庫控制流域徑流突變及其驅(qū)動因素

顏時延+平建華+吳澤寧+胡彩虹

摘要：針對目前汾河入黃徑流銳減的問題，基于汾河水庫控制流域1960-2013年54年的徑流資料，采用MannKendall法和滑動T法相結(jié)合對徑流時間序列進行突變檢驗，探究了流域徑流階段性變化規(guī)律，并建立雙累積曲線模型定量計算了驅(qū)動因素降水和人類活動對徑流減少的影響量。結(jié)果表明：（1）汾河水庫控制流域內(nèi)靜樂站和上靜游站徑流均呈現(xiàn)減少趨勢；（2）流域內(nèi)靜樂站徑流序列突變年份為1979年，上靜游站為1982年；（3）人類活動是該流域徑流減少的主要因素，占徑流減少總影響量的8448%，靜樂站和上靜游站的降水對徑流影響率分別為1562%和1495%，人類活動的影響率分別為8438%和8505%。

關(guān)鍵詞：汾河；徑流；趨勢分析；突變檢驗；雙累積曲線

中圖分類號：P333文獻標(biāo)識碼：A文章編號：

16721683（2017）06004506

Abstract：Focusing on the sharp decline of the runoff of Fenhe River into the Yellow River，based on the runoff data from 1960 to 2013 of the watershed controlled by the Fenhe reservoir，we analyzed the variation trend of the runoff by using the MannKendall method and sliding Ttest to look for the abrupt change pointsWe also used the double mass curve to calculate the influence of rainfall and human activities on the runoff declineThe results showed that the annual runoffs at Jingle station and Shangjingyou station both showed a trend of declineThe runoff series at Jingle station altered abruptly in 1979，and at Shangjingyou station，it altered abruptly in 1982The runoff decline in the watershed controlled by Fenhe reservoir was mainly affected by human activities，whose contribution rate was 8448%The contribution rates of rainfall and human activities to the runoff at Jingle station were 1562% and 8438%，respectively，and those at Shangjingyou station were 1495% and 8505%，respectively

Key words：Fenhe River；runoff；trend analysis；abrupt change test；double mass curve

氣候變化和人類活動的雙重作用使徑流規(guī)律發(fā)生變化[1]。一方面通過改變下墊面條件，使產(chǎn)匯流過程發(fā)生變化，另一方面氣候因素尤其是降水因素的作用，導(dǎo)致徑流在時間和數(shù)量上發(fā)生變異[2]，破壞徑流序列的一致性。近年來，作為黃河第二大支流的汾河，入黃徑流量減少趨勢明顯[3]，摸清汾河流域徑流變化及其成因規(guī)律對于山西經(jīng)濟發(fā)展十分必要。國內(nèi)學(xué)者對此已開展了大量的研究工作，如高建峰等[4]基于汾河水庫流域多年實測水文資料，采用統(tǒng)計學(xué)方法對流域徑流的年際變化特征進行分析，結(jié)果表明流域在20世紀(jì)70和80年代發(fā)生豐水和平水年份比較多，在20世紀(jì)90年代后枯水年份比較多。胡彩虹等[5]基于多年實測旬及月徑流資料對汾河水庫上游徑流年內(nèi)分配不均勻性進行探究，表明流域徑流年內(nèi)變化幅度大，洪水主要集中在7月、8月份。任世芳等[6]利用數(shù)理檢驗方法探究汾河上游年徑流序列變化特征及趨勢。趙云等[3]基于多種相關(guān)秩次檢驗對汾河入黃徑流銳減特征進行分析。蘭躍東等[7]通過建立徑流量計算公式，分析了氣溫和降水等氣候因素對汾河徑流量的影響。李勇[8]、顧盼[9]等分別利用SWAT、MIKE SHE模型數(shù)值模擬方法探究了汾河流域土地利用和采煤等人類活動對河川徑流的影響。已有的研究多采用統(tǒng)計方法分析汾河徑流的水文特性，或?qū)搅鳒p少的單一影響因素進行分析，其成果在汾河徑流變化特征與驅(qū)動因素分析方面不夠系統(tǒng)和全面。因此，本文以汾河水庫控制流域近50年來水文資料為基礎(chǔ)，研究流域徑流時間序列階段性變化規(guī)律，采用MannKendall法與滑動T法相結(jié)合確定流域產(chǎn)匯流機制出現(xiàn)顯著變化的時間點，并基于突變檢驗結(jié)果建立徑流減少成因分析的雙累積曲線模型，定量分析各驅(qū)動因素對徑流減少的影響量，以期對今后掌握汾河水庫控制流域徑流演變規(guī)律、合理開發(fā)利用水資源提供指導(dǎo)。

1數(shù)據(jù)來源

11研究區(qū)概況

汾河水庫位于汾河流域上游，其主要控制范圍為汾河水庫壩址以上流域，流域面積約5 268 km2，流域分屬寧武縣、靜樂縣、嵐縣及婁煩縣4縣，水庫控制流域面積占4縣總面積的786 %。氣候類型屬亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，流域四季分明，春季多風(fēng)、干燥，夏季短而炎熱，秋季少晴、早晾，冬季長而寒冷。據(jù)汾河水庫流域內(nèi)嵐縣及靜樂等氣象站1961-2010年的逐日氣象資料顯示，汾河水庫流域多年平均氣溫、風(fēng)速、相對濕度、降水量分別為719 ℃、185 ms、6013%和465 mm，降水年際變化較大，無霜期達130 d。endprint

作為汾河流域境內(nèi)最大的水庫，汾河水庫于1961年6月正式投產(chǎn)使用，擔(dān)負太原和晉中地區(qū)的防洪、發(fā)電、供水、灌溉等任務(wù)，隨著引黃入晉工程的實施和運行，汾河水庫還兼負起引黃供水調(diào)蓄的任務(wù)，對山西省國民經(jīng)濟發(fā)展起著舉足輕重的作用[10]。

第15卷 總第93期·南水北調(diào)與水利科技·2017年12月

顏時延等·汾河水庫控制流域徑流突變及其驅(qū)動因素

12數(shù)據(jù)來源

汾河水庫入庫水文站分別為汾河干流的靜樂及典型支流嵐河的上靜游水文站，出庫水文站為流域出口的汾河水庫站。本次研究采用汾河水庫控制流域內(nèi)3個主要水文站的1960-2013年共54年的實測年水文數(shù)據(jù)。其中靜樂站和上靜游站，建站時間早，資料充足，作為本次分析的主要依據(jù)，具體流域位置及水文站點分布見圖1。

2研究方法

21趨勢分析

線性回歸法通過建立徑流序列xi與對應(yīng)的時間序列i之間的線性回歸方程xi=a·i+b來檢驗徑流時間序列的趨勢性。該方程斜率的正負可表征徑流時間序列是否具有遞增或遞減的趨勢，并且線性方程的斜率a在一定程度上表征了徑流時間序列平均趨勢的變化速率[1112]。

22突變點檢驗方法

國內(nèi)目前徑流時間序列突變點檢驗常采用的方法有MannKendall法、小波理論分析法、RS法、滑動T法等，其中小波分析法的結(jié)果易受小波函數(shù)的影響[13]，RS方法誤差較大，易影響變異點識別精度[14]。本文擬采用MannKendall法結(jié)合滑動T法對汾河水庫控制流域徑流時間序列進行檢驗，以準(zhǔn)確把握徑流突變點，增強突變結(jié)果分析的可信度。MannKendall法可得出趨勢方程，揭示序列的趨勢特征，并找出徑流序列突變點的位置[1516]。通過徑流序列計算得到的一條曲線UF，將序列反轉(zhuǎn)后計算得到另一條曲線UB，如果兩條曲線的交點在臨界線內(nèi)，則認(rèn)為該點即是突變點。滑動T檢驗是考察兩組樣本平均值的差異是否顯著來檢驗突變，其基本思想是對于統(tǒng)計量T，在信度水平α的情況下，對于滿足的所有可能的點τ，選擇使T統(tǒng)計量達到最大值的點，作為所求的最可能變異點τ0[1718]。兩種方法具體計算步驟可參考文獻[1518]。

23徑流變化驅(qū)動力分析模型

徑流變化是氣候和人類活動雙重驅(qū)動的結(jié)果，本文將降水作為氣候變化的主導(dǎo)因素。天然狀態(tài)下，人類活動不明顯，在計算區(qū)內(nèi)累積降水和累積徑流的雙累積曲線無明顯拐點[19]，如果雙累積曲線出現(xiàn)拐點并發(fā)生偏移，說明累積降水和累積徑流的關(guān)系不再呈現(xiàn)單一關(guān)系，表明徑流變化除了受降水因素影響以外，還受到人類活動等其他因素的影響?；谏鲜龇治?，參考文獻[2021]，總結(jié)徑流突變驅(qū)動因素分析的雙累積曲線模型建模步驟如下。

（1）以突變年份為界，將突變年份前階段作為基準(zhǔn)期，突變年份后作為變化期。

（2）建立基準(zhǔn)期累積降水與累積徑流的擬合方程ΣR=kΣP+b，即為天然條件下的降水與徑流相關(guān)關(guān)系。

（3）將變化期的降水過程進行還原，帶入上述擬合方程，得到天然徑流過程R0。

（4）將變化期的實測降水過程帶入擬合方程，得到徑流過程R1。

（5）R0-R1=ΔRp，ΔRp即為由于降水因素變化引起的徑流減少量。

（6）ΔR實-ΔRp=ΔR人，ΔR人即為由于人類活動影響引起的徑流減少量。

3結(jié)果分析

31徑流序列時序特性分析

從圖2靜樂站、上靜游站近50年來徑流變化趨勢圖可以看出，兩站的年徑流時間序列年際變化振蕩起伏明顯，但曲線變化具有一定的一致性，徑流變化趨勢線傾向值都為負值，表明各站點徑流序列呈現(xiàn)減小趨勢。其中，靜樂站年徑流量遞減速率為0019 m3s；上靜游站遞減趨勢明顯，年徑流量平均遞減速率為0035 m3 s。靜樂站和上靜游水文站年均徑流減少量分別為00272億m3a和0014億m3a。1960-2013年靜樂站、上靜游站年徑流均值分別為72 m3s和178 m3s，靜樂站年徑流均值約是上靜游站的4倍。其中，靜樂站和上靜游站徑流趨勢線在1966年呈現(xiàn)不規(guī)律性偶然增大的現(xiàn)象，經(jīng)查證是由于“66·8平定灤泉特大暴雨”引起。從圖中也可以看出，兩個水文站的徑流序列均值線在20世紀(jì)80年代前后呈現(xiàn)出差異性，20世紀(jì)80年代后平均徑流量明顯小于80年代前徑流量。

32汾河水庫控制流域年徑流突變分析

本文通過采用MannKendall檢驗法、滑動T檢驗法檢驗汾河水庫控制流域靜樂、上靜游水文站1960-2013年徑流時間序列演變過程中的階段性變化特征，確定出現(xiàn)顯著變化的時間點。

（1）MannKendall檢驗結(jié)果。

圖3為靜樂、上靜游水文站1960-2013年實測徑流序列MannKendall檢驗結(jié)果，可以看出，汾河水庫控制流域靜樂站徑流突變點較多，在顯著水平005情況下，靜樂水文站UF、UB相交的年份點，即可能發(fā)生突變的年份分別為1972、1975和1979年。上靜游站徑流突變年份只有一個，為1982年。

（2）滑動T檢驗結(jié)果。

[HJ17mm]由圖3結(jié)果可以看出，徑流的MannKendall突變檢驗結(jié)果并不唯一，存在多個突變點現(xiàn)象，因此本文結(jié)合滑動T法，剔除多余突變點，確定研究區(qū)的突變年份。圖4為靜樂、上靜游水文站1960-2013年徑流序列的滑動T檢驗結(jié)果。從圖中可以看出，靜樂站實測徑流序列滑動T檢驗的最大T值對應(yīng)年份為1970年和1979年，而且大于顯著水平a=001時的T檢驗值，由此可知，靜樂站1960-2013年實測徑流序列滑動T檢驗的突變年份發(fā)生在1970年和1979年，該結(jié)果與MannKendall突變檢驗的結(jié)果有所差別，但相差甚微。上靜游站實測徑流序列滑動T檢驗的突變年份為1982年，該結(jié)果與MannKendall突變檢驗的結(jié)果相一致，表明上靜游站徑流變化比較規(guī)律。endprint

33 驅(qū)動因素分析

通過趨勢檢驗和突變分析表明，汾河水庫控制流域徑流序列呈遞減趨勢，突變年份分別為1979年和1982年。根據(jù)徑流減少驅(qū)動因素分析的雙累積曲線模型建模步驟，首先將研究區(qū)1960年-2013年降水徑流資料進行劃分，并建立基準(zhǔn)期和變化期的降水和徑流的雙累積曲線。

如圖5所示，雙累積曲線在突變年份出現(xiàn)拐點，表明 1981-2013年期間徑流過程不僅受到降水因素影響，還受到人類活動因素的干擾發(fā)生偏離?；鶞?zhǔn)期內(nèi)靜樂站和上靜游水文站的累積降水和累積徑流呈線性相關(guān)關(guān)系，擬合方程分別為∑R=0017×∑P+0516、∑R=0004∑P+0072，擬合度R2分別為0995和0996，表明基準(zhǔn)期內(nèi)兩個水文站的降水過程和徑流過程有極高的相關(guān)性，徑流過程受其他因素影響程度非常之小，因此，將基準(zhǔn)期的降水徑流關(guān)系視為天然狀態(tài)下的降水徑流過程。在基準(zhǔn)期徑流變化只與降水變化有關(guān)，雙累積曲線為一直線；變化期徑流受人類活動的影響加劇，雙累積曲線出現(xiàn)拐點并發(fā)生偏移。根據(jù)雙累積曲線建模原理，將變化期靜樂站和上靜游站實測降水?dāng)?shù)據(jù)和還原的降水?dāng)?shù)據(jù)分別帶入基準(zhǔn)期擬合方程，得到徑流過程R0和R1，其差值即為降水因素引起的徑流減少量。變化期實際徑流減少是降水變化和人類活動雙重作用的結(jié)果，因此實際徑流減少量與降水因素引起的徑流減少量相減，即得到人類活動引起的徑流減少量。計算結(jié)果如表2所示，可以看出，靜樂站和上靜游站降水因素對徑流的影響量分別為1 13530萬[KG-8]m3和50458萬[KG-8]m3，對徑流的影響率分別為1562%和1495%，通過模型原理可知人類活動影響量分別為6 13113萬[KG-8]m3和2 86978萬[KG-8]m3，影響率分別為8438%和8505%。對于整個汾河水庫控制流域來講，降水因素對徑流的年平均影響量為95276萬[KG-8]m3，人類活動影響量為5 18725萬[KG-8]m3，占總減少量的8448%。對比分析各驅(qū)動因素的影響結(jié)果，可以得出：（1）靜樂站的人類活動對徑流總影響量遠大于上靜游站，但影響程度略小于上靜游水文站，主要原因在于靜樂站位于汾河干流上游，控制流域面積范圍更廣；（2）從各個水文站和整個流域降水因素和人類活動對徑流影響比例來看，結(jié)果雖有微小差別，但總體保持統(tǒng)一，表明氣候大環(huán)境和人類活動在流域徑流影響上的一致性；（3）人類活動是汾河水庫控制流域徑流減少的主要原因，汾河流域土地利用變化、水利工程建設(shè)及水資源開采等人類活動嚴(yán)重改變了流域下墊面條件，對汾河徑流減少產(chǎn)生了深遠的影響，是導(dǎo)致研究區(qū)徑流發(fā)生銳減的主導(dǎo)因素。

4結(jié)論

本文基于突變分析檢驗結(jié)果建立了徑流減少驅(qū)動因素分析的雙累積曲線模型，系統(tǒng)的分析了汾河水庫控制流域徑流序列變化特征及內(nèi)部成因規(guī)律，研究表明：汾河水庫控制流域內(nèi)徑流年際震蕩起伏明顯，總體呈現(xiàn)遞減趨勢，20世紀(jì)80年代后徑流均值明顯小于20世紀(jì)80年代前，流域徑流在1980年左右發(fā)生突變，20世紀(jì)80年代后汾河徑流銳減主要原因在于人類活動的影響，降水變化是流域徑流銳減的次要原因。該研究不僅有助于降水變化和人類活動影響下徑流演變規(guī)律的認(rèn)識，也為流域下一步水資源治理工作提供依據(jù)。本研究氣候因素僅考慮了降水因素，并未考慮溫度、濕度、蒸發(fā)等其他影響因子，下一步全面評估各影響因子對徑流減少的影響量，對于今后制定水資源保護措施更具針對性作用，也是今后的重點研究問題。

參考文獻（References）：

[1]董磊華，熊立華，于坤霞，等氣候變化與人類活動對水文影響的研究進展[J]水科學(xué)進展，2012，23（2）：278285（DONG L H，XIONG L H，YU K X，et alResearch advances in effects of climate change and human activities on hydrology [J]Advances in Water Science，2012，23（2）：278285（in Chinese）） DOI：1014042jcnki321309201202022

[2]李艷玲，暢建霞基于Morlet小波的徑流突變檢測[J]西安理工大學(xué)學(xué)報，2012，28（3）：322325（LI Y L，CHANG J XDetection of the abrupt changes in runoff based on the Morlet wavelet [J]Journal Xi′an University of Technology，2012，28（3）：322325（in Chinese）） DOI：103969jissn10064710201203014

[3]趙云，胡彩虹，胡珊汾河和沁河流域入黃徑流銳減事實分析[J]水電能源科學(xué)，2012，30（3）：3134（ZHAO Y，HU C H，HU SFacts analysis of significant reduction in runoff of Fenhe and Qinhe Basin[J]Water Resources and Power，2012，30（3）：3134（in Chinese））

[4]高建峰，任健美，胡彩虹汾河水庫以上流域徑流變化與洪水頻率分析[J]中國沙漠，2009，29（3）：577582（GAO J F，REN J M，HU C HAnalysis on variation characteristics of runoff and flood frequency in the watershed controlled by the Fenhe Reservoir[J]Journal of Desert Research，2009，29（3）：577582（in Chinese））

[5]胡彩虹，王紀(jì)軍汾河水庫上游流域徑流年內(nèi)分配時程變化規(guī)律研究[J]干旱區(qū)資源與環(huán)境，2009（6）：8590（HU C H，WANG J JStudy on the annual runoff distribution in upstream watershed of the Fenhe Reservoir[J]Journal of Arid Land Resources and Environment，2009（6）：8590（in Chinese）） DOI：1013448jcnkijalre200906014endprint

[6]任世芳，趙淑貞汾河水庫上游年徑流演變趨勢分析[J]人民黃河，2012（3）：1718，21（REN S F，ZHAO S ZAnnual runoff change in the upper reaches of Fenhe River Reservoir[J]Yellow River，2012（3）：1718，21（in Chinese）） DOI：103969jissn10001379201203007

[7]蘭躍東，康玲玲，董飛飛，等汾河流域氣候變化及其對徑流影響探討[J]水資源與水工程學(xué)報，2012（2）：7072，7 （LAN Y D，KANG L L，DONG F F，et alEffect of climatic change on runoff in Fenhe Watershed[J]Journal of Water Resources &Water Engineering，2012（2）：7072，7（in Chinese））

[8]李勇汾河水庫流域土地利用變化對徑流影響研究[D]鄭州：鄭州大學(xué)，2014（LI YImpact on runoff studies at the Fenhe River Reservoir watershed landuse change[D]Zhengzhou ：Zhengzhou University，2014（in Chinese））

[9]顧盼山西古交煤礦開采對河川徑流影響機理及量化模型研究[D]鄭州：鄭州大學(xué)，2015（ GU PImpact studies on the mechanism and quantitative model of coal mining on river runoff in Gujiao City of Shanxi Province[D]Zhengzhou：Zhengzhou University，2015（in Chinese））

[10][ZK（#]李文紅利用水文法分析汾河水庫上游的減沙效益[J]太原理工大學(xué)學(xué)報，2008（2）：178180（LI W HAnalysis on the benefit of sediment reduction of water and soil conservation in the upstream area of Fenhe Reservoir using hydrology method[J]Journal of Taiyuan University of Technology，2008（2）：178180（in Chinese）） DOI：1016355jcnkiissn10079432tyut200802018

[11]鐘永華，魯帆，易忠，等密云水庫以上流域年徑流變化趨勢及周期分析[J]水文，2013（6）：8184（ZHONG Y H，LU F，YI Z，et alChange trend and period of annual runoff in upstream watershed of Miyun Reservoir[J]Journal of China Hydrology，2013（6）：8184（in Chinese）） DOI：103969jissn10000852201306017

[12]章誕武，叢振濤，倪廣恒基于中國氣象資料的趨勢檢驗方法對比分析[J]水科學(xué)進展，2013（4）：490496（ZHANG D W，CONG Z T， NI G HComparison of three mannkendall methods based on the China′s meteorological data[J]Advances in Water Science，2013（4）：490496（in Chinese）） DOI：1014042jcnki321309201304019

[13]桑燕芳，王棟水文序列小波分析中小波函數(shù)選擇方法[J]水利學(xué)報，2008（3）：295300，306（SANG Y F，WANG DWavelets selection method in hydrologic series wavelet analysis [J]Journal of Hydraulic Engineering，2008（3）：295300，306（in Chinese）） DOI：103321jissn：055993502008（3）006

[14]雷紅富，謝平，陳廣才，等水文序列變異點檢驗方法的性能比較分析[J]水電能源科學(xué)，2007（4）：3640（LEI H F，XIE P，CHEN G C，et alComparison and analysis on the performance of hydrological time series changepoint testing methods[J]Water Resources and Power，2007（4）：3640（in Chinese））

[15]傅麗昕近57年來和豐縣氣溫和降水量的趨勢性及突變特征分析[J]南水北調(diào)與水利科技，2014，12（4）3841（FU L XTendency and mutation analysis of annual temperature and precipitation of Hefeng county in recent 57 years[J]SouthtoNorth Water Transfers and Water Science & Technology，2014，12（4）3841（in Chinese）） DOI：1013476 jcnkinsbdqk201404009endprint

[16]于延勝，陳興偉基于MannKendall法的水文序列趨勢成分比重研究[J]自然資源學(xué)報，2011（9）：15851591（YU Y S，CHEN X WStudy on the percentage of trend component in a hydrological time series based on mannkendall method[J]Journal of Natural Resources，2011（9）：15851591（in Chinese）） DOI：1011849zrzyxb201109014

[17]符淙斌，王強氣候突變的定義和檢測方法[J]大氣科學(xué)，1992，16（4）：482493（FU C B，WANG QThe definition and detection of the abrupt climate change[J]Scientia Atmosphere Sinica，1992，16（4）：482492（in Chinese）） DOI：103878jissn1006989519920411

[18]丁愛中，趙銀軍，郝弟，等永定河流域徑流變化特征及影響因素分析[J]南水北調(diào)與水利科技，2013，11（1）：1722（DING A Z，ZHAO Y J，HAO D，et alAnalysis of variation characteristics of runoff and their influencing factors in the Yongding River Basin[J]SouthtoNorth Water Transfers and Water Science & Technology，2013，11（1）：1722（in Chinese）） DOI：103724 SPJ1201201301017

[19]KMPL IchiyanglPrecipitation in Nepal between 1987 and 1996[J]International Journal of Clinatology2007，15（2）：17531762DOI：101002joc1492

[20]林凱榮，何艷虎，陳曉宏氣候變化及人類活動對東江流域徑流影響的貢獻分解研究[J]水利學(xué)報，2012（11）：13121321（LIN K R，HE Y H，CHEN X HIdentifying the quantitative effect of climate change and human activity on runoff in the Dongjiang River Basin[J]Journal of Hydraulic Engineering，2012（11）：13121321（in Chinese）） DOI：1013243jcnkislxb201211001

[21]王國慶，張建云，劉九夫，等 氣候變化和人類活動對河川徑流影響的定量分析[J]中國水利，2008（2）：5558（WANG G Q，ZHANG J Y，LIU J FQuantitative assessment for climate change and human activities impact on river runoff[J]China Water Resources，2008（2）：5558（in Chinese）） DOI：103969jissn10001123200802016endprint