清源河流域降水與徑流變化趨勢分析

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(1.甘肅省定西水文水資源勘測局，甘肅 定西 743000；2.甘肅省天水水文水資源勘測局，甘肅 天水 741000)

清源河是渭河源頭的一條小河，位于甘肅省渭源縣南部，發(fā)源于渭源縣西南部海拔3 495 m的壑壑山，地理位置位于104°02′～105°14′E，34°57′～35°09′N之間，流域面積116 km2(見圖1)，主要溝道有池溝、大峴溝、紅溝、石頭溝、牛溝。流域內(nèi)設有雨量站8處，出口設有渭源水文站。在五竹鎮(zhèn)峽口村建有峽口水庫一座，集水面積34.7 km2，設計庫容750萬 m3，于2000年9月建成蓄水運行。

圖1 清源河流域水系圖

1 資料來源及“三性”分析

1.1 資料來源

分析所用渭源水文站及池溝、五竹等8處雨量站資料均來自于水文年鑒。渭源站1956～1980年年徑流資料經(jīng)鄰近站插補，其余年份實測。流域面平均降水量選用池溝、五竹等8處雨量站資料用泰森多邊形法加權(quán)計算，對不同步降水系列采用等值線內(nèi)插插補。

1.2 資料“三性”分析

渭源站實測徑流資料依據(jù)水文驗規(guī)范要求測驗、整理整編，數(shù)據(jù)準確可靠，成果精度較高；對斷面上游水利工程取用水量進行了還原計算(主要是2000～2016年修建峽口水庫后)。雨量站自建站以來位置、計量儀器、整編方法多年一致。徑流、降水資料一致性較好。所選61年來資料涵蓋枯、平、豐年，且連續(xù)完整，代表性較好。

2 分析方法

2.1 Mann-Kendall趨勢檢驗法

Mann-Kendall法是世界氣象組織推薦并已廣泛應用的統(tǒng)計方法，能有效區(qū)分某一自然過程是處于自然波動還是存在確定的變化趨勢。其公式為：

(1)

2.2 線性回歸法

線性回歸法用來確定兩種或兩種以上變量間相互依賴定量關系的一種統(tǒng)計分析方法。用時間序列xi表示樣本量為n的某一變量，ti表示xi所對應的時間，建立xi與ti之間的一元線性回歸方程為：

Xi=a+btii=1，2，…，n

(2)

式中：a、b為回歸常數(shù)和系數(shù)，ti為序號。該方程表示因變量x與時間t之間的的變化關系。b值反映序列上升或下降趨勢，b>0表示呈上升趨勢，b<0表示呈下降趨勢。

2.3 滑動平均法

滑動平均相當于低通濾波器，通過平滑值來顯示序列變化趨勢。對于樣本量為n的序列x，其滑動平均序列表示為：

(3)

式中：k為滑動的長度。經(jīng)過滑動平均后，原序列中短于滑動長度的周期大大削弱，顯示出序列明顯的變化趨勢。

3 結(jié)果分析

3.1 降水變化趨勢

經(jīng)計算，1956-2016年平均降水量為690.8 mm，時序見圖2。Mann-Kendall法計算的|u|=1.51，小于α=0.10時臨界值Ua/2=1.64，表明趨勢不顯著；線性回歸法得出傾向率-13.7 mm/10a，回歸系數(shù)b的|T|=1.72，小于α=0.10時臨界值Ta/2=2.00，表明趨勢不顯著。以上兩種檢驗結(jié)果均表明，61 a來清源河流域內(nèi)降水有減少趨勢，但趨勢不顯著。

圖2 清源河流域降水量時序圖

經(jīng)5年滑動距平分析，降水量呈周期波動變化，1956-1967、1972-1975、1980-1984、1987-1990年為豐水年，1993年以后進入枯水期，多數(shù)年份在均值以下。見圖3。

圖3 清源河流域降水量距平圖

降水年際變化。流域月平均降水量變化見圖4。由圖可見，降水多集中在5-9月，占全年78.0%，其中7-8月占全年達37.1%，受季風控制的大陸性氣候特點明顯。

圖4 清源河流域降水量年內(nèi)變化圖

圖5 清源河流域徑流量時序圖

3.2 徑流變化分析

3.2.1 徑流年際變化

由繪制的年徑流時序曲線(見圖5)可見，年徑流呈波動變化。Mann-Kendall法計算的|U|=1.44，小于α=0.05時臨界值Uα/2=1.96，表明趨勢不顯著；線性回歸法得出傾向率-10.55×104/a，回歸系數(shù)b的|T|=1.67，小于α=0.05時臨界值Tα/2=2.00，表明趨勢不顯著。以上兩種檢驗結(jié)果均表明，61 a來清源河流域內(nèi)徑流有減少趨勢，但趨勢不顯著。

經(jīng)5 a滑動距平分析(見圖6)，徑流量呈周期波動變化，1956-1967、1972-1977、1980-1985年為豐水年，1993年以后進入枯水期，多數(shù)年份在均值以下。徑流與降水變化趨勢基本相應，相關性較好。

圖6 清源河流域徑流量距平圖

圖7 清源河流域徑流量年內(nèi)變化圖

圖8 清源河流域年平均降水量與年徑流量相關圖

圖9 清源河流域較大洪水場次平均降水量與徑流量相關圖

圖10 清源河流域年降水量與年經(jīng)流量累計相關圖

3.2.2 徑流年際變化

由流域月平均流量變化圖(見圖7)可見，徑流多集中在6-9月，占全年59.0%，年內(nèi)分配極不均勻，徑流集中對區(qū)域水資源利用不利。

3.3 降雨～徑流相關性分析

統(tǒng)計點繪流域平均年降水量與渭源站年徑流量相關圖、較大洪水場次平均降雨量與徑流深相關圖、年降水量與年經(jīng)流量累計相關圖，分別見圖8、圖9、圖10。

由圖10可見，年降水～徑流相關點據(jù)分布呈帶狀，除個別年份外，相關性較好，其表達式為：R=0.000 713×P-0.25(單位：P取mm，R取108m3)，相關系數(shù)達0.90；進入1995年以后，相關性明顯變差，同降水量時徑流量有所減小；2000年水庫建成蓄水后，次降水～徑流系數(shù)明顯變小，表達式由R=0.323 8×P-4.5185變?yōu)镽=0.069×P-0.838 4(P、R單位為mm)，且相關系數(shù)由0.94降為0.76，徑流系數(shù)明顯變小，徑流受人類活動影響響應明顯。

4 結(jié)語

(1)用Mann-Kendall、線性回歸法分析了清源河流域61 a來降水、徑流的變化特征和規(guī)律。結(jié)果表明，降水呈波動變化且有減少趨勢，趨勢不顯著；1993年以后進入枯水期，多數(shù)年份在均值以下。地表徑流呈波動變化減少趨勢，趨勢不顯著；降水、徑流年內(nèi)分配極不均勻，多集中在6-9月。

(2)徑流與降水年際、年內(nèi)變化趨勢相應。年降水～徑流相關性較好，相關系數(shù)達0.90；1995年以后，同降水量時徑流量有所減小。較大場次降水～徑流相關系數(shù)2000年后明顯變小，徑流受人類活動影響明顯。