洮兒河上中游區(qū)徑流變化及影響因素研究

朱立杰，陳 奎，徐 偉，方 樟

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測(cè)繪地理信息院，河南鄭州450006；2.吉林大學(xué)地下水資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長春130021)

0 引 言

河川徑流是人類賴以生存的自然資源，人文發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步都與此息息相關(guān)。因此，了解徑流變化的影響因素及其影響程度，對(duì)研究水資源的形成、發(fā)展和演化，以及水資源的合理開發(fā)和利用有至關(guān)重要的作用。影響徑流量的因素有很多，氣候變化是影響流域水文水資源的重要因子[1- 4]，而降水可直接影響徑流量的大小。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人口的迅速增長，耕地面積不斷擴(kuò)展，林地、草地和濕地面積大幅減少，工農(nóng)業(yè)用水量急劇增加，導(dǎo)致水資源短缺、河道斷流、濕地萎縮、次生鹽漬化等問題層出不窮，人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域水資源的影響已日益嚴(yán)峻[5]。

本文以洮兒河上中游為研究區(qū)，利用Mann-Kendall秩次相關(guān)法、雙累積曲線法，分析洮兒河上中游區(qū)察爾森水庫和洮南水文站2個(gè)代表性站1961年～2010年的徑流變化趨勢(shì)，運(yùn)用F檢驗(yàn)法并通過2個(gè)代表性站50年天然徑流量和實(shí)測(cè)徑流量的對(duì)比，定量分析降水及人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響程度，為研究洮兒河流域徑流變化動(dòng)因，以及流域水資源的可持續(xù)開發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境綜合整治及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供參考。

1 研究方法

1.1 流域概況

洮兒河是嫩江下游右側(cè)一級(jí)支流，發(fā)源于大興安嶺東麓高岳山，西部以大興安嶺為分水嶺，與哈拉哈河為鄰，北臨綽爾河流域，南臨霍林河流域，河流全長563 km，流域面積43 443 km2。流域自西北向東南傾斜，西北為山地，中部為丘陵，東南部為洪積平原，屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫-2～5 ℃，年降水量350～400 mm，年蒸發(fā)量1 836～1 960 mm。

洮兒河上游內(nèi)蒙古境內(nèi)建有察爾森水庫，察爾森水庫以下流域有鎮(zhèn)西、洮南、三頂昭、黑帝廟等4處水文站。洮兒河流域以察爾森水庫和洮南水文站為界，分3個(gè)區(qū)段，察爾森水庫以上為上游區(qū)，察爾森水庫至洮南水文站為中游區(qū)，洮南水文站以下為下游區(qū)。

1.2 研究區(qū)確定

洮兒河流域中上游為我國東北典型生態(tài)敏感區(qū)域[6]，流域內(nèi)察爾森水庫是用于灌溉發(fā)電的大型水庫，加之中游分布有大面積的灌區(qū)[7]，該區(qū)徑流的變化對(duì)人類的生產(chǎn)生活影響強(qiáng)烈。按照流域內(nèi)測(cè)站點(diǎn)的分布，同時(shí)考慮流域的劃分，依據(jù)資料的精確性、觀測(cè)的持久性和系列的完整性，本文選取洮兒河上中游為研究區(qū)，采用具有代表性的察爾森水庫和洮南水文站1961年～2010年降水和徑流資料作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)影響洮兒河流域徑流量變化趨勢(shì)的主要因素進(jìn)行分析。研究區(qū)概況見圖1。

圖1 研究區(qū)水系及水文站點(diǎn)位置概況

1.3 主要方法

1.3.1 Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法

該法是提取序列變化趨勢(shì)的有效工具，被廣泛應(yīng)用于氣象和水文序列的分析。該方法不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾[8]。設(shè)系列為x1，x2，…，xn，j≤n，且i≠j，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S公式為

式中，sgn()為符號(hào)函數(shù)。

有時(shí)候，我總覺得有些事情理應(yīng)是與我無關(guān)的，直到后來事情發(fā)生了我才知道，所有與我有過一絲瓜葛的人，也許某一天的某一件事，就會(huì)與我有關(guān)，扯都扯不掉。

當(dāng)xj-xi小于、等于或大于0時(shí)，sgn(xj-xi)分別為-1、0、1。當(dāng)S大于、等于、小于0時(shí)，有

式中，Z為標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)統(tǒng)計(jì)變量。Z>0時(shí)，表示序列呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；Z<0時(shí)，表示呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

1.3.2 雙累積曲線法

該法可用于檢驗(yàn)2個(gè)變量間關(guān)系一致性及其變化，其實(shí)質(zhì)就是在直角坐標(biāo)系中繪制同一時(shí)期內(nèi)2個(gè)序列變量的連續(xù)累加值。在相同時(shí)段內(nèi)，若2個(gè)序列變量的累加值成正比，即2個(gè)變量的累積值為1條直線，其斜率為2個(gè)變量累積值對(duì)應(yīng)點(diǎn)的比例常數(shù)；若序列變量累加關(guān)系線的斜率發(fā)生了明顯突變，則意味著外加因素使2個(gè)變量比例常數(shù)發(fā)生了改變[9]。

1.3.3 F檢驗(yàn)法

用F檢驗(yàn)X的總體方差DX是否等于Y的總體方差DY。假設(shè)DX=DY=σ2。根據(jù)統(tǒng)計(jì)理論，若X、Y為正態(tài)分布，當(dāng)假設(shè)成立時(shí)，統(tǒng)計(jì)量服從第一自由度為n1-1、第二自由度為n2-1的F分布。預(yù)先給定置信度α，查F分布表，得Fα/2。若計(jì)算的F值小于Fα/2，則假設(shè)成立，反之假設(shè)不合理。

2 結(jié)果分析

2.1 趨勢(shì)分析

運(yùn)用Mann-Kendall檢驗(yàn)法，對(duì)察爾森水庫和洮南水文站降水徑流時(shí)間序列(1961年～2010年)進(jìn)行趨勢(shì)分析，檢驗(yàn)結(jié)果見表1。從表1可知，察爾森水庫和洮南水文站的降水量呈下降趨勢(shì)，但趨勢(shì)性并不顯著，因?yàn)?個(gè)代表站的降水量檢驗(yàn)值Z均小于1.96(α=0.05的臨界值)。2個(gè)代表站的徑流量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但僅察爾森水庫的徑流量呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，達(dá)到了95%的置信度，原因可能是中游區(qū)段有歸流河和蛟流河等河流匯入洮兒河，一定程度上補(bǔ)充了洮南水文站徑流量，弱化了徑流量的趨勢(shì)變化。

表1 降水徑流序列的Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果

為進(jìn)一步分析研究區(qū)徑流量的趨勢(shì)變化，本文還加入了統(tǒng)計(jì)量序列UF和UB的分析，2個(gè)代表站年徑流系列Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)見圖2。從圖2可知，2個(gè)代表站徑流系列變化過程大體相同，1980年中期以前，徑流變化呈波動(dòng)性減小，變化趨勢(shì)并不顯著；1980年中期至2000年初，徑流量呈趨勢(shì)性增加，但察爾森水庫的趨勢(shì)性并不顯著，洮南水文站在1992年～2000年呈現(xiàn)出檢驗(yàn)值超過顯著性臨界值(1.96)的情況，即洮南水文站徑流量在此期間顯著上升；2000年以后，徑流序列趨勢(shì)又再次下降?？傊?，察爾森水庫和洮南水文站的徑流變化趨勢(shì)或多或少都有不同，原因是徑流量的趨勢(shì)變化不僅與大氣降水息息相關(guān)，人類活動(dòng)對(duì)徑流趨勢(shì)的變化同樣產(chǎn)生了不可忽視的影響。綜上分析，研究區(qū)徑流序列趨勢(shì)變化的突變點(diǎn)在2000年附近。

圖2 年徑流系列Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)

2.2 突變分析

降水-徑流雙累積曲線可以簡單且直觀地檢驗(yàn)分析水文氣象要素一致性或長期性演變趨勢(shì)[11]，該法常用于分析水文氣象要素是否具有趨勢(shì)性變化和檢驗(yàn)是否具有突變點(diǎn)。2個(gè)代表站降水-徑流雙累積曲線見圖3。從圖3可以看出，2個(gè)代表站在1998年出現(xiàn)明顯突變，降水-徑流累積曲線呈現(xiàn)2個(gè)具有明顯差異的階段性特征。1961年～1997年，降水-徑流雙累積曲線基本呈線性關(guān)系，說明該時(shí)期內(nèi)研究區(qū)徑流量與降水量變化幅度基本相同，研究區(qū)徑流量基本不受人類活動(dòng)的過度干擾，處于天然狀態(tài)，降水是影響徑流量的主要因子；1998年，洮兒河流域經(jīng)歷特大洪水，徑流量明顯增加，曲線在1998年呈現(xiàn)明顯突變；1998年～2010年，2個(gè)代表站降水-徑流雙累積曲線斜率較1998年以前均明顯減小，發(fā)生明顯偏離，說明降水對(duì)研究區(qū)徑流量的影響力度逐漸減小，而人類活動(dòng)對(duì)研究區(qū)徑流量有顯著趨勢(shì)性影響，且作用強(qiáng)度逐漸增大。

圖3 降水-徑流雙累積曲線

站名時(shí)段實(shí)測(cè)徑流量變化變化量/108m3比例%降水影響徑流量變化變化量/108m3比例%人類活動(dòng)影響徑流量變化變化量/108m3比例%察爾森水庫1961年～1997年——————1998年～2000年3965115-088-2214484122142001年～2005年-482-6228-1954046-28759542006年～2010年-476-6147-0531107-42388931998年～2010年-277-3579-1164169-1625831洮南水文站1961年～1997年——————1998年～2000年146010086-001-0101461100102001年～2005年-960-6636-4714907-48950932006年～2010年-931-6432-3633895-56861051998年～2010年-391-2699-3218219-0701781

2.3 量化分析

利用水文法中的經(jīng)驗(yàn)公式法，定量分析降水和人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響程度，先依據(jù)2個(gè)代表站突變年份前降水、徑流實(shí)測(cè)資料，建立降水-徑流線性回歸方程

R1=0.021 2P1-1.950 4

R2=0.047 2P2-4.227 6

式中，R為年徑流量；P為年降水量；1為察爾森水庫；2為洮南水文站。利用F檢驗(yàn)法對(duì)上式進(jìn)行回歸分析得到，察爾森水庫和洮南水文站降水-徑流回歸方程的方差檢驗(yàn)值分別為F(0.05，1，35)=24.49和F(0.05，1，35)=15.55，均達(dá)到顯著性水平，表明上式可以作為預(yù)測(cè)和評(píng)估人類活動(dòng)、降水對(duì)洮兒河流域徑流量的作用強(qiáng)度的依據(jù)。

根據(jù)上式，將突變前的實(shí)測(cè)徑流量作為背景值，計(jì)算突變年后不同時(shí)段的理論徑流量，此值相當(dāng)于天然狀態(tài)下的徑流量。突變年后不同時(shí)段理論值與突變年前基準(zhǔn)值的差即為降水對(duì)徑流變化的影響量，不同時(shí)段理論值與實(shí)測(cè)值之間的差即為人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響量。考慮到特殊年份(本文中為特大洪水年[12])對(duì)計(jì)算和分析結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，分析時(shí)將1998年～2000年單獨(dú)劃分為1個(gè)時(shí)段。2個(gè)代表站計(jì)算結(jié)果見表2。

從表2可以看出，2個(gè)代表站實(shí)測(cè)徑流量均有顯著的減小趨勢(shì)。察爾森水庫2006年～2010年的徑流量是1961年～1997年年平均徑流量的38.50%，不同時(shí)期降水及人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響程度不同；降水對(duì)徑流量的影響程度呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，人為因素影響程度呈顯著上升趨勢(shì)，2006年～2010年，人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響量最大，占到了88.93%，約為同一時(shí)期降水影響百分比的8倍；從突變年份前后2個(gè)時(shí)段來看，1986年～2010年的年均徑流量較之前減少2.77億m3，人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響比例為58.31%，降水的影響比例為41.69%。

洮南水文站2006年～2010年的徑流量約占1961年～1997年年均徑流量的35.66%，2006年～2010年年徑流量的減小受人為影響的比例為61.05%，約為降水影響的2倍；突變年前后2個(gè)時(shí)段徑流量對(duì)比， 1998年～010年的年均徑流量減少3.91億m3，人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響比例為17.81%，降水的影響比例為82.19%。

結(jié)合實(shí)際分析，研究區(qū)自1998年以后興建并運(yùn)行各種水利設(shè)施并擴(kuò)大灌區(qū)，人類的用水需求也隨之增大，且察爾森水庫自2000年以后一直以灌溉為主，故而人為因素對(duì)徑流變化的影響程度自1998年以后顯著增加。從上述分析結(jié)果得出，人類活動(dòng)對(duì)察爾森水庫徑流量的影響程度比對(duì)洮南水文站大，分析原因?yàn)檠芯繀^(qū)中游區(qū)段的支流匯入，在一定程度上彌補(bǔ)了洮兒河干流中游區(qū)段的徑流量的損失，使得人類活動(dòng)對(duì)洮南水文站徑流量的影響不顯著。

3 結(jié) 語

本文采用Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法、雙累積曲線法和F檢驗(yàn)法，對(duì)察爾森水庫和洮南水文站1961年～2010年降水量和徑流量進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)1961年～2010年，研究區(qū)降水量呈不顯著下降趨勢(shì)，徑流量呈下降趨勢(shì)，且察爾森水庫徑流的下降趨勢(shì)顯著。徑流序列趨勢(shì)變化的突變點(diǎn)在2000年附近。

(2)研究區(qū)徑流量于1998年出現(xiàn)顯著變化。1998年前，降水量和徑流量基本呈線性相關(guān)，說明該時(shí)期研究區(qū)基本處于天然狀態(tài)，降水量的多少直接影響研究區(qū)徑流量的變化，人為因素影響較小；1998年，由于特大洪水，研究區(qū)徑流量突變性增大，降水-徑流雙累積曲線發(fā)生明顯偏離；1998年后，降水對(duì)研究區(qū)徑流變化作用減小，人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響逐漸增加。

(3)人類活動(dòng)對(duì)徑流量，尤其是對(duì)察爾森水庫的影響作用較1998年之前增大，且隨著時(shí)間的推移有增強(qiáng)的趨勢(shì)。反之，降水對(duì)徑流量的影響較1998年以前有所減小，且隨著時(shí)間的推移有減小的趨勢(shì)。自突變年以后，徑流量整體上呈逐漸減小的趨勢(shì)。

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