佳木斯地區(qū)1956-2010年徑流量時(shí)間序列變異分析

曹偉征, 邢貞相, 李 衡, 婁 丹, 張玉國(guó)

(1.黑龍江省水文局, 哈爾濱 150001; 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院, 哈爾濱 150030;3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)部 農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150030)

徑流是地貌形成的外營(yíng)力之一，影響土壤的發(fā)育，植物的生長(zhǎng)和湖泊、沼澤的形成等。同時(shí)，一個(gè)國(guó)家或區(qū)域的徑流量的多寡對(duì)其國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。徑流量是構(gòu)成地區(qū)工農(nóng)業(yè)、城鄉(xiāng)居民生活供水和生態(tài)環(huán)境需水的重要保障條件，是制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模的重要因素。河川徑流與氣候變化、人類活動(dòng)密切相關(guān)，其特性復(fù)雜多變[1-3]。

隨著區(qū)域氣候變化和人類活動(dòng)影響的加劇，致使水文時(shí)間序列發(fā)生顯著的變異。為了區(qū)域水資源的高效利用和科學(xué)開(kāi)發(fā)，各地對(duì)其年徑流量的變化特征進(jìn)行了深入研究。Hou等[4]利用肯達(dá)爾檢驗(yàn)方法分析了長(zhǎng)江上游徑流的變化，發(fā)現(xiàn)嘉陵江、岷江、金沙江、烏江等地徑流量有所減少。Li等[5]利用Hurst指數(shù)對(duì)黃河流域1951—1998年徑流的趨勢(shì)性和持續(xù)性，分析結(jié)果表明，不同子區(qū)域的年徑流在洪水季節(jié)不僅有下降趨勢(shì)而且在一定程度上具有持久性。秦年秀等[6]認(rèn)為20世紀(jì)90年代長(zhǎng)江流域徑流冬季、夏季徑流增加明顯，90年代汛期徑流呈明顯增加趨勢(shì)，大大增加了洪災(zāi)發(fā)生的可能，通過(guò)突變分析指出1926年宜昌、漢口徑流量明顯減小。這與20世紀(jì)20年代初，北半球變暖有關(guān)。Jha等[7]采用非參數(shù)Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)對(duì)地貌和氣候不受干擾的東南亞馬來(lái)西亞半島4個(gè)主要流域的25 a極值徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明其中3個(gè)流域的最大流量都顯示出了減少趨勢(shì)。不同流域所處地理位置、氣候條件及其下墊面條件也差異較大，所表現(xiàn)出的徑流變化特征也不盡相同[2,8]。以上的研究表明，采用趨勢(shì)分析和突變檢驗(yàn)研究徑流變化特征是可行的，但多針對(duì)徑流的大尺度徑流的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，因而，難以發(fā)現(xiàn)流域內(nèi)局部地區(qū)徑流變化特征。因此，本文對(duì)佳木斯地區(qū)1956—2010年的徑流量變化特征進(jìn)行深入分析，研究成果可對(duì)以農(nóng)業(yè)為主的區(qū)域防災(zāi)排澇和灌區(qū)水資源的高效利用具有重要的意義。

1 研究區(qū)概況

佳木斯位于中國(guó)東北的松花江、黑龍江、烏蘇里江匯流而成的三江平原腹地。佳木斯行政區(qū)域包括佳木斯市及其所屬的樺川縣、樺南縣、湯原縣、富錦市、同江市、撫遠(yuǎn)縣6個(gè)市縣。區(qū)域總面積為3.29萬(wàn)km2，占黑龍江省總面積的7.21%，是中國(guó)重要的糧食儲(chǔ)備基地和商品糧生產(chǎn)基地。該區(qū)域內(nèi)水系較為豐富，有松花江及其支流倭肯河、安邦河，黑龍江及其支流濃江河、鴨綠河，烏蘇里江及其支流別拉洪河，區(qū)內(nèi)多年平均年徑流量約為3.7億m3，且年內(nèi)分配不均，7—10月徑流量占多年平均徑流的45%左右。近些年來(lái)，佳木斯由于盲目擴(kuò)展水田面積，加之農(nóng)民節(jié)水意識(shí)淡薄，使得佳木斯地下水位普遍下降，進(jìn)而誘發(fā)了一系列水資源短缺和水生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[9]。徑流量是區(qū)域發(fā)展中的限制性資源要素，揭示佳木斯地區(qū)年徑流量的變化特征對(duì)保障區(qū)域糧食安全、維持水生態(tài)健康都具有重要意義。

2 數(shù)據(jù)與分析方法

2.1 基本氣象數(shù)據(jù)

本文所用的主要摘錄自1956—2010年《黑龍江省水文年鑒》的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并結(jié)合相應(yīng)年份的《黑龍江省經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》中的統(tǒng)計(jì)成果，對(duì)部分縣市的徑流量進(jìn)行了必要的對(duì)比和檢驗(yàn)。

2.2 分析方法

本文分別從趨勢(shì)性、突變性和周期性3方面對(duì)徑流量時(shí)間序列變化特征展開(kāi)分析。其中，趨勢(shì)性分析采用趨勢(shì)分析法[10]；突變性分析選用世界氣象組織(WMO)推薦的Mann-Kendall(M-K)突變分析法[11]；周期性分析采用Morlet小波分析方法[12-13]。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流量趨勢(shì)性分析

利用趨勢(shì)分析法可得出佳木斯地區(qū)年、季徑流量(圖1)。由圖1可知，年際變化上，近60年來(lái)佳木斯春季、夏季及秋季均呈下降趨勢(shì)，年際傾向率分別為-7.895億m3/10 a，-24.811億m3/10 a和-28.666億m3/10 a；冬季呈微弱上升趨勢(shì)，年際傾向率為0.635億m3/10 a。而整個(gè)佳木斯年總徑流量呈下降趨勢(shì)，年際傾向率為-60.737億m3/10 a。為消除周期變化對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行5 a滑動(dòng)平均處理，結(jié)果表明近60年來(lái)徑流量并沒(méi)有明顯的上升或下降趨勢(shì)，而是呈波動(dòng)狀態(tài)。

3.2 突變性分析

水文時(shí)間序列的突變點(diǎn)往往包含豐富的突變信息，它反映了引起突變的氣候原因、人類活動(dòng)的影響等，但趨勢(shì)性分析只能發(fā)現(xiàn)時(shí)間序列的整個(gè)變化趨勢(shì)，無(wú)法具體反映序列內(nèi)部的變化特征，因此采用M-K方法深入分析徑流量時(shí)間序列內(nèi)部的突變特征，M-K突變檢驗(yàn)分析結(jié)果如圖2所示(圖中虛線表示α=95%的顯著性水平的臨界值)。

春季徑流量UF-UB兩條曲線在1968年、1995年交于臨界線之間。表現(xiàn)為春季徑流量1968年前呈明顯下降趨勢(shì)，1968—1995年后呈明顯上升趨勢(shì)，1995年后呈明顯下降趨勢(shì)。

夏季徑流量UF-UB曲線在1967年、1975年和1998年交于臨界線之間。表現(xiàn)為夏季徑流量1967年前呈明顯上升趨勢(shì)，1967—1975年呈明顯下降趨勢(shì)，1975—1998年呈明顯上升趨勢(shì)，1998年后呈明顯下降趨勢(shì)。

圖1 佳木斯徑流量趨勢(shì)變化特征

秋季徑流量UF-UB曲線在1966年、1998年交于臨界線之間。表現(xiàn)為秋季徑流量1966年前呈明顯下降趨勢(shì)，1966年后呈明顯上升趨勢(shì)，1998年后呈明顯下降趨勢(shì)。

冬季徑流量UF-UB兩條曲線只有2008年一個(gè)交點(diǎn)且交于臨界線之間。表現(xiàn)為冬季徑流量2008年發(fā)生突變后呈明顯上升趨勢(shì)。

年徑流量UF-UB曲線在1967年、1972年和1998年交于臨界線之間。表現(xiàn)為年徑流量1967年前呈明顯上升趨勢(shì)，1967—1972年呈明顯下降趨勢(shì)，1972—1998年呈明顯上升趨勢(shì)，1998年后呈明顯下降趨勢(shì)。

各季節(jié)徑流量及年徑流總量表現(xiàn)出的突變點(diǎn)基本都出現(xiàn)在1967年、1972年、1998年左右，究其原因可能是以下兩類所致。一是由于氣候因素中的降水變化所致。因?yàn)樗苫ń饔?0世紀(jì)60年代后期到80年代初、90年代后期出現(xiàn)少雨期，其降水量均表現(xiàn)下降趨勢(shì)[14]。二是區(qū)域土地利用發(fā)生變化。佳木斯地區(qū)所在三江平原于20世紀(jì)60年代末—70年代初進(jìn)行過(guò)大規(guī)模農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)，90年代末—21世紀(jì)初，水田種植面積驟增致使農(nóng)業(yè)灌溉用水量增加，河道徑流量減少[15]。

3.3 周期性分析

運(yùn)用小波分析對(duì)1956—2010年佳木斯年徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到小波變換系數(shù)實(shí)部時(shí)頻分布圖(圖3)。從圖3可以看出，近60年來(lái)佳木斯四季及全年包含了不同尺度的周期變化。為進(jìn)一步分析其周期性，圖4給出了佳木斯四季及年徑流Morlet小波方差分布。綜合分析圖3和圖4可知，佳木斯22 a，13 a，9 a，4 a左右尺度波動(dòng)較為明顯，存在徑流量偏多偏少循環(huán)交替變化，在2010年后上述尺度的小波正在形成，小波系數(shù)為正，因此預(yù)測(cè)未來(lái)徑流量在這4種尺度上均呈偏多趨勢(shì)(表1)。

表1 佳木斯主周期變化 a

圖2 佳木斯徑流量M-K突變分析結(jié)果

圖3 小波變換系數(shù)實(shí)部時(shí)頻分布

圖4 Morlet小波方差分布

4 結(jié) 論

(1) 年際變化上，近60年來(lái)佳木斯春季、夏季及秋季徑流量均呈下降趨勢(shì)，年際傾向率分別為-7.895億m3/10 a，-24.811億m3/10 a和-28.666億m3/10 a；冬季徑流量呈微弱上升趨勢(shì)，年際傾向率為0.635億m3/10 a。而整個(gè)佳木斯年徑流量呈下降趨勢(shì)，年際傾向率為-60.737億m3/10 a。為消除周期變化對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行5 a滑動(dòng)平均處理，結(jié)果表明近60年來(lái)徑流量并沒(méi)有明顯的上升或下降趨勢(shì)，而是呈波動(dòng)狀態(tài)。

(2) 時(shí)間突變上，春季徑流量1968年前呈明顯下降趨勢(shì)，1968—1995年后呈明顯上升趨勢(shì)，1995年后呈明顯下降趨勢(shì)；夏季徑流量1967年前呈明顯上升趨勢(shì)，1967—1975年呈明顯下降趨勢(shì)，1975—1998年呈明顯上升趨勢(shì)，1998年后呈明顯下降趨勢(shì)；秋季徑流量1966年前呈明顯下降趨勢(shì)，1966年后呈明顯上升趨勢(shì)，1998年后呈明顯下降趨勢(shì)；冬季徑流量2008年發(fā)生突變后呈明顯上升趨勢(shì)；年徑流量1967年前呈明顯上升趨勢(shì)，1967—1972年呈明顯下降趨勢(shì)，1972—1998年呈明顯上升趨勢(shì)，1998年后呈明顯下降趨勢(shì)。

(3) 周期變化上，佳木斯地區(qū)春季徑流量22 a為第1主周期，10 a，16 a，4 a分別為第2、第3和第4主周期；夏季徑流量26 a為第1主周期，27 a，6 a，15 a分別為第2、第3和第4主周期；秋季徑流量22 a為第1主周期，13 a，5 a，9 a分別為第2、第3和第4主周期；冬季徑流量27 a為第1主周期，12 a，4 a，8 a分別為第2、第3和第4主周期；年徑流量23 a為第1主周期，13 a，6 a，4 a分別為第2、第3和第4主周期。