不同時(shí)間尺度涇河流域降水徑流關(guān)系研究

穆 鑫

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

在全球變化和人類活動(dòng)影響背景下，流域水循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生了巨大改變，降水徑流響應(yīng)關(guān)系呈現(xiàn)出更為復(fù)雜的特性，洪水預(yù)報(bào)和水資源演變預(yù)測更為困難。變化環(huán)境下水文水資源響應(yīng)，以及對(duì)水災(zāi)害、水環(huán)境以及水循環(huán)的影響，這些都是區(qū)域水風(fēng)險(xiǎn)管理和安全評(píng)價(jià)等重大科學(xué)應(yīng)用的需求和實(shí)踐基礎(chǔ)，也是當(dāng)前全球研究水資源的前沿問題和核心科學(xué)內(nèi)容[1～2]。

近幾十年來，中國黃土高原地區(qū)主要河流的徑流量明顯減少。已有研究表明，徑流減少的主要原因是土地利用變化和氣候波動(dòng)[3]。降水是流域徑流的主要?dú)庀笠蜃?，也是主要的來源，河川徑流的變化直接受到這一因素的營銷。在對(duì)氣象變化環(huán)境下分析流域徑流和區(qū)域用水安全受降水影響時(shí)，要對(duì)降水-徑流關(guān)系進(jìn)行深入了解和定量評(píng)價(jià)，做好相關(guān)的預(yù)測和解釋。

涇河流域?qū)儆诎敫珊蛋霛駶櫟湫蛥^(qū)，區(qū)域受自然條件影響，產(chǎn)流能力較弱，降水徑流系數(shù)相對(duì)較低，且降水徑流關(guān)系極不穩(wěn)定，流域自身土壤、植被、降水時(shí)空分布差異較大，徑流變化的主要影響因素和過程存在很大的時(shí)空變異性。目前，在長期水文觀測資料的基礎(chǔ)上，針對(duì)涇河流域水文氣象要素和下墊面演變規(guī)律開展了一系列研究。從年、月不同尺度層面分析研究區(qū)域降水徑流關(guān)系演變特征。

1 研究區(qū)概況

發(fā)源于寧夏六盤山的涇河，跨越了寧、甘、陜?nèi)齻€(gè)省、自治區(qū)，是渭河的一級(jí)支流，黃河的二級(jí)支流，從陜西省高陵縣處于渭河匯合。涇河流域面積為45421 km2，全長455.1 km。張家山水文站為流域把口站（圖1），其控制流域面積為43216 km2，占流域總面積的95.15%。流域地處內(nèi)陸，為典型溫帶大陸性氣候，降水由東南向西北遞減，且南北差距較大。流域內(nèi)地勢(shì)西北高、東南低，總體是東北西三面向東南傾斜。

圖1 涇河流域張家山水文站與雨量站地理位置

2 資料與方法

2.1 資料選取

涇河流域地形地貌復(fù)雜，且下墊面條件空間分布差異較大，上、中、下游的植被、土壤、氣候以及不同的社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件，從流域徑流的主要影響過程和因素來看，存在許多差異；同時(shí)降水徑流關(guān)系在不同時(shí)間尺度也呈現(xiàn)不同特點(diǎn)。利用流域出口張家山站1956年～2010年徑流資料和降雨資料作為本文的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來展開相關(guān)探討。

2.2 研究方法

Mann-Kendall檢驗(yàn)方法中所選取的樣本的分布規(guī)律沒有硬性要求，是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，樣本中的少數(shù)異常值也不會(huì)對(duì)結(jié)果造成影響，在水文變量分析中有著較好的適應(yīng)性。

時(shí)間序列x的長度為n，通過Mann-Kendal檢驗(yàn)時(shí)，首先構(gòu)造一秩序列Sk：

在時(shí)間序列中，假設(shè)其具備隨機(jī)獨(dú)立特性，對(duì)統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行定義：

式中：UF1=0，E(sk)、Var(sk)分別為秩序列 sk的均值和方差，由下式計(jì)算：

標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，給定顯著性水平 α，若|UFk|＞Uα/2，這顯示了序列有顯著趨勢(shì)。在以上計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，按逆序來排列時(shí)間序列：

UFk和UBk'能對(duì)時(shí)間序列突變點(diǎn)和趨勢(shì)進(jìn)行有效識(shí)別。在UFk＞0的情況下，表現(xiàn)為上升趨勢(shì)；UFk＜0的情況下，序列表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。UFk和UBk'如果存在曲線交點(diǎn)，其位置應(yīng)該在臨界區(qū)間內(nèi)，突變發(fā)生的時(shí)刻就是交點(diǎn)位置。

3 結(jié)果分析

3.1 年尺度降水徑流關(guān)系變化

張家山站多年徑流量為14.34億m3（1956年～2010年），總體呈現(xiàn)顯著減少趨勢(shì)，下降速率分別為8.9 mm/10 a（圖2）。用Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法對(duì)張家山站徑流變化趨勢(shì)分析判斷，結(jié)果顯示：徑流量秩相關(guān)系數(shù)（-3.88）為0.01信度（2.58）的顯著性水平，從秩相關(guān)系數(shù)數(shù)值為負(fù)可以看到，凈流量會(huì)在時(shí)間的推移下顯著性減小。利用M-K方法進(jìn)行突變檢驗(yàn)，結(jié)果顯示：站點(diǎn)有明顯的突變點(diǎn)，突變發(fā)生在1997年，突變?cè)?.05水平的置信區(qū)間；不同時(shí)間長度的資料計(jì)算結(jié)果是一致的[4]。

多年平均降水量為519 mm，呈現(xiàn)一定幅度的減少趨勢(shì)，多年平均降水變化率為-4.9 mm/10 a，并未通過顯著性檢驗(yàn)，年降水量及徑流過程見圖2。由圖可知，1980年以后降水和徑流變化趨勢(shì)出現(xiàn)了改變，呈現(xiàn)明顯的不同步性，年徑流變化幅度顯著大于年降水量變化幅度。

圖2 張家山控制站點(diǎn)降水、徑流變化趨勢(shì)圖

圖3 張家山徑流量MK突變檢驗(yàn)圖

選取張家山站1950年和2000年后年均降水量基本相同兩個(gè)年代的徑流特征分析，由圖3可以看出，盡管2000年后年均降水量高出多年平均值，其年均徑流深并未增加，反而比多年平均值下降50%，其年均徑流系數(shù)在所有年代中成為最低的。

3.2 月尺度上降水徑流變化

涇河流域徑流多分布在汛期。張家山（7月～10月）徑流量占全年比例為0.32～0.92，多年平均為0.63；非汛期（9月～次年6月）比例為0.08～0.68，多年平均為0.37。汛期徑流比例呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，非汛期比例呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，其中，汛期徑流量變化率為-3.18 mm/10 a；非汛期徑流量變化率-2.27 mm/10 a（圖4）。在年徑流量不斷減少的背景下，非汛期比例的減少增加了枯水期的缺水情況。

圖4 張家山汛期（7月～10月）和非汛期（11月～6月）徑流比例

與年尺度的降水徑流關(guān)系分析結(jié)果相似，降水過程和徑流變化明顯呈現(xiàn)不一致（圖5）。在枯水季，降水稀少，甚至觀測的月降水為0，但由于地下水或融雪補(bǔ)給，河道里觀測到的來水大于0，這使得月尺度的降水徑流關(guān)系比較差。因此，在討論月尺度降水徑流關(guān)系時(shí)，只討論汛期月降水徑流關(guān)系（7月～10月）。

圖5 張家山月降水徑流變化過程

圖6 張家山月降水徑流系數(shù)變化

由圖6可以分析得出：張家山站以上汛期多年平均月徑流系數(shù)為0.05，呈減少趨勢(shì)，1997年之后減少比率更大。1998年～2010年月徑流系數(shù)分別為0.03，低于多年平均值40%。

4 結(jié)論

利用涇河流域長序列水文氣象資料，采用Mann-Kendall進(jìn)行突變點(diǎn)檢測，分析了流域過去近50年來降水、年徑流、場次洪水的變化過程，揭示了不同時(shí)間尺度上降水徑流關(guān)系演變特征?？傻贸鲆韵陆Y(jié)論：多年平均降水量均呈現(xiàn)一定幅度的減少趨勢(shì)，多年平均降水變化率為-4.9 mm/10 a。1980 s以后降水和徑流變化趨勢(shì)出現(xiàn)了改變，呈現(xiàn)明顯的不同步性，年徑流變化幅度顯著大于年降水量變化幅度。2000年后年均降水量高出多年平均值，其年均徑流深并未增加，其年均徑流系數(shù)在所有年代中成為最低的。汛期多年平均月徑流系數(shù)為0.05，呈減少趨勢(shì)，1997年之后減少比率更大。徑流的減少幅度要大于降水減少幅度。1998年～2010年月徑流系數(shù)分別為0.03，低于多年平均值40%。結(jié)果可為流域水資源規(guī)劃管理、水生態(tài)保護(hù)等提供理論支撐。