小清河來水量變化特征及其影響因素研究

宋仁超 李安軍

摘 要：根據(jù)小清河黃臺橋、岔河和羊角溝水文站1970—2010年逐年來水量資料及其雨量站的降水量數(shù)據(jù)，運用5a滑動平均法和Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法，分析了小清河來水量和降水量的變化特征;在此基礎(chǔ)上，利用Mann-Kendall突變檢驗法對小清河近40年來水量與降水量序列進行了突變點分析，并運用交叉小波變換（XWT）和小波相干譜（WTC）分析來水量與太陽黑子數(shù)的相互關(guān)系和周期變化特征。結(jié)果表明：小清河上游、中游和下游來水量的變化具有顯著增加的趨勢，后期來水量比前期更為豐富，變化程度也更趨穩(wěn)定。而小清河上游和中游降水量的變化具有增加的趨勢，下游降水量變化具有減少的趨勢，但增加和減少趨勢均不顯著，降水量發(fā)生突變的時刻主要集中在90年代后期和21世紀(jì)初。通過小波分析得出，高能量區(qū)，小清河來水量與太陽黑子的共振周期約為8～10a。低能量區(qū)，小清河來水量與太陽黑子顯示出2a左右的年際變化，但是顯著性水平有所不同。小清河流域來水量的變化主要是由降水流和人類活動引起，隨著沿岸地區(qū)的發(fā)展，來水量與降水徑流的相關(guān)性逐漸減小，人類活動主要通過興建水庫、干流工農(nóng)業(yè)用水等活動逐漸增大對來水量的影響，成為影響來水量變化的主導(dǎo)因素。

關(guān)鍵詞：小清河;來水量;降水量;太陽黑子;人類活動

中圖分類號 P333文獻標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2019）22-0078-07

Study on the Variation Characteristics and Influencing Factors of the Inflow of Water in Xiaoqing River

Song Renchao1 et al

（1College of Geography and Environment，Shandong Normal University，Jinan 250358，China）

Abstract：In this paper，the data of annual water quantity and precipitation data of Huangtai Bridge，Cha he and Yangjiaogou Hydrological stations from 1970 to 2010 in Shandong Province are used. The variation characteristics of the incoming and precipitation of Xiaoqing River are analyzed by using the 5-year moving average method and the Mann-Kendall nonparametric test method. On this basis，the Mann-Kendall mutation test method is used to analyze the abrupt point of the precipitation sequence of Xiaoqing River in the last 40 years.Cross Wavelet Transform （XWT） and wavelet coherence spectrum （WTC） are used to analyze the relationship between water quantity and sunspot number and the characteristics of periodic variation.The results show that： the upper reaches of Xiaoqing River is located in the upper reaches of Xiaoqing River. The variation of the inflow water in the middle and lower reaches has a significant increasing trend. In the later period，the amount of incoming water is more abundant than that of the earlier period，and the change degree is more stable. The change of precipitation in the upper and middle reaches of Xiaoqing River has an increasing trend，and the change of precipitation in the lower reaches has a decreasing trend. But the trend of increase and decrease is not significant. The abrupt change of precipitation occurred mainly in the late 90s and the beginning of 21th century. The wavelet analysis shows that the resonant period of the water coming from the Xiaoqing River and the sunspot is about 8～10 a in the high energy area. In the low energy area，the amount of water coming from the Xiaoqing River and the sunspots show an interannual variation of 2a，but the saliency level is different. The change of the inflow of water in Xiaoqing River Basin is mainly caused by precipitation runoff and human activities. With the development of the coastal area，the correlation between the inflow of water and the runoff of precipitation gradually decreases. Human activities are mainly through the construction of reservoirs，and the activities of water use for industry and agriculture in the main stream are gradually increasing. The influence of water amount has become the main factor to influence the change of incoming water quantity.

Key words：Xiaoqing River;Water quantity;Precipitation;Sunspot;Human activities

近年來，隨著經(jīng)濟增長和城市化進程的加快，各流域沿線城市的用水量越來越大，對流域的來水量研究也顯得越來越重要?？镦I等[1]從氣候變化、生態(tài)環(huán)境變化等方面對黃河源區(qū)近十幾年實際來水量不斷減少的成因進行了定量初步分析。鄧麗仙等[2]利用陽宗海流域水文資料，采用水量平衡還原方法計算得到了陽宗海1985—2005年的入湖水量，并采用1985—2005年水質(zhì)監(jiān)測資料，分析了豐水期和枯水期2個不同時期湖泊水質(zhì)與來水量之間的關(guān)系。陳祖華[3]根據(jù)黃河流域主要控制水文站2003年的報汛資料，計算分析了2003年黃河流域來水量變化。韓銳等[4]為了提高徑流預(yù)測的精度，建立了EEMD組合預(yù)測模型，并應(yīng)用于黃河上游主要來水區(qū)年來水量預(yù)測。李澤紅等[5]基于歷史觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，分析了1956—2003年石羊河上游天然來水量與下游民勤綠洲來水量變化趨勢，采用生產(chǎn)法計算了1950—2006年武威綠洲農(nóng)業(yè)水足跡，定量揭示了石羊河中游武威綠洲農(nóng)業(yè)開發(fā)對區(qū)域水資源的真實占用及其對下游民勤綠洲來水量的影響。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，以山東省小清河干流黃臺橋、岔河和羊角溝水質(zhì)監(jiān)測斷面為主要代表斷面，分析小清河來水量的變化特征及其影響因素。

1 研究區(qū)概況

小清河流域為西起濟南、東至渤海灣、南臨泰魯沂山地北麓，北依黃河之間的區(qū)域，流域面積10572km2[6]，全長237km，不僅是山東省內(nèi)最大的內(nèi)陸河，而且是我國5條重要的國防戰(zhàn)備河之一[7]。小清河發(fā)源于濟南西郊睦里閘，流經(jīng)濟南、濱州、淄博、東營和濰坊的5市18縣（市、區(qū)），最終于壽光市羊口鎮(zhèn)匯入渤海的萊州灣[8]。小清河流域多年平均水資源總量為24.5億m3，占全省水資源量的5.8%，其中，地表水資源量11.5億m3，地下水資源量18.2億m3[9]。小清河流域地處東亞季風(fēng)區(qū)，全年約有80%的降水和徑流量集中在夏季，較之秋季，夏季河道寬水深大[10]。小清河干流主要由降雨徑流、地下水和城市排水補給，系季節(jié)性河道，徑流主要來源是汛期降水，6～9月份的河道流量約占全年徑流量的80%～90%。暴雨是造成本流域洪水的最主要原因，具有明顯的季節(jié)性，較大暴雨主要發(fā)生在7、8月份[11]?？菁緩搅髦饕康叵滤统鞘信潘肮喔任菜a給，地下水主要有濟南市區(qū)的趵突泉、黑虎泉、五龍泉、珍珠泉四大泉群及市郊諸泉涌水常年補給，灌溉尾水主要有沿河引黃灌區(qū)的灌溉尾水。各支流，包括孝婦河、淄河這樣的大河，除雨季有水補給小清河外，平時基本無水注入小清河。1970年以來，小清河沿岸地區(qū)的人口急劇增長、工業(yè)迅速崛起以及農(nóng)藥化肥普遍使用，大量污染物不斷地排入小清河，導(dǎo)致水質(zhì)嚴(yán)重惡化。據(jù)1986年省工業(yè)污染源調(diào)查統(tǒng)計，小清河流域內(nèi)每年受到來自濟南、淄博、濰坊、惠民、東營五地市1152多家工業(yè)企業(yè)的廢水污染[12]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源 小清河上游有黃臺橋水文站，控制流域面積351km2，位于濟南市黃臺橋。小清河中、下游設(shè)有岔河水文站和羊角溝潮水位站。岔河水文站位于金家堰閘以下3km，控制流域面積5114km2;羊角溝潮水位站控制流域面積10179km2，位于羊口港以上3km。本文小清河流域來水量量采用山東省水文局所提供的黃臺橋、岔河和羊角溝水文站1970—2010年逐年來水量資料，降水量采用用山東省水文局提供的黃臺橋、岔河和羊角溝雨量站1970—2010年的逐年降水量。

2.2 研究方法

2.2.1 滑動平均法 滑動平均法是趨勢擬合技術(shù)最基礎(chǔ)的方法，相當(dāng)于低波過濾器[13]。用確定時間序列的平滑值來表示變化趨勢。樣本量為n的時間序列x的滑動平均序列可表示為：

[xj=1ki=1kxi+j-1] j=1，2，…，n-k+1

式中k為滑動長度，選擇合適的k可以較好地反應(yīng)時間序列的變化趨勢。

2.2.2 Mann-Kendall趨勢檢驗法和突變檢驗法 Mann-Kendall檢驗法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，與參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法相比，此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，而且計算簡單。近年來此法被眾多學(xué)者應(yīng)用于分析徑流、氣溫、降水和水質(zhì)等要素時間序列的變化趨勢。在此只介紹計算思路： 構(gòu)造統(tǒng)計量U并求取，U的絕對值越大，則序列變化趨勢越顯著。給定顯著性水平α和對應(yīng)的檢驗統(tǒng)計量Uα/2，當(dāng)U的絕對值大于Uα/2時，趨勢顯著;反之，則不顯著[14-15]。

2.2.3 小波分析法 小波分析通過尺度變換，不僅可以觀察水文序列概貌，而且可以洞察其細微變化，對水文序列變化特性的描述具有其獨特之處[16]。本文采用交叉小波變換（XWT）和小波相干譜（WTC）探論小清河來水量與太陽黑子數(shù)之間的多時間尺度相關(guān)關(guān)系[17]，其計算原理及方法參見文獻[16-19]。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量、來水量的基本特征 由圖1a可以看出，小清河上游年來水量的總體變化呈上升趨勢，表明來水量在逐年增加，年平均值為30513.49萬m3。在1970年達到了歷史最低值，為14936萬m3。在2004年達到最高值53923萬m3，極值比為3.61，可見小清河上游來水量在近40a變化比較大。由圖1b可以得出，小清河上游年降水量的總體變化趨勢不明顯，僅在均值上下波動，多年平均值為681.30mm。在2002年達到最低值308.4mm，2004年達到最大值1076.7mm，極值比為3.49，比來水量的變化稍微平緩一些。

由圖1c可以看出，小清河中游年來水量的總體變化是呈上升趨勢，表明來水量在逐年增加，年平均值為58015.44萬m3。在1986年達到了歷史最低值，為8452萬m3，與小清河在這段時期內(nèi)多次出現(xiàn)斷流有關(guān)。在2004年達到最高值149574萬m3，極值比為17.70，可見小清河中游來水量在近40a變化相當(dāng)大。由圖1d可以得出，小清河上游年降水量的總體變化趨勢不明顯，僅在均值上下波動，略有上升的趨勢，多年平均值為581.33mm。在1989年達到最低值222.80mm，1973年達到最大值809.40mm，極值比為3.63，比來水量的變化平緩得多。

由圖1e可以看出，小清河下游年來水量的總體變化是呈上升趨勢，表明來水量在逐年增加，年平均值為101141.88萬m3。在1989年達到了歷史最低值，為24600萬m3，與小清河在這段時期內(nèi)多次出現(xiàn)斷流有關(guān)。在2004年達到最高值244258萬m3，極值比為9.93，可見小清河來水量在近40a變化比較大。由圖1f可以得出，小清河上游年降水量的總體變化呈下降趨勢，多年平均值為574.46mm。在1981年達到最低值344.30mm，1974年達到最大值931.5mm，極值比為2.71，比來水量的變化稍微平緩一些。

從表1可以看出，小清河上、中、下游2005—2010年來水量的平均值均最大，分別為45117.8萬、110421.7萬和176354.0萬m3，遠大于其他時期的來水量平均值，而2000—2004年平均來水量均位居第3，容易得出，小清河在21世紀(jì)初來水量的平均值最大，流量較為豐富。而在1985—1989年，小清河上、中、下游來水量的平均值均最小，分別為22832.8萬、20816.6萬、46034.0萬m3。在2005—2010年，小清河上、中、下游來水量的極值比與變差系數(shù)分別為1.28和0.09、1.10和0.15、1.15和0.18，均為最小值，表明該時期小清河來水量的變化較小，較為穩(wěn)定。而小清河上、中、下游在降水量變化方面則不盡相同。其中，小清河上游1990—1994年的年降水量為最大，達到了776.64mm，最小值出現(xiàn)在1985—1989年，其值為575.66mm，極值比和變差系數(shù)均較大，分別為2.99、0.45。在2000—2004年，極值比與變差系數(shù)同步變化，均為最大值，分別為3.49，0.48。小清河中游1995-1999年的年降水量為最大，達到了670.14mm，最小值出現(xiàn)在1985—1989年，其值為441.12mm，極值比和變差系數(shù)均較大，分別為2.52、0.31。在1985—1989年，極值比與變差系數(shù)同步變化，均為最大值，分別為2.52，0.31。小清河下游1970—1974年的年降水量為最大，達到了808.14mm，最小值出現(xiàn)在1985—1989年，其值為467.64mm。在1990—1994年，極值比與變差系數(shù)同步變化，均為最大值，分別為2.12，0.28。

3.2 降水量、來水量的趨勢性和突變性特征 利用Mann-Kendall趨勢分析法和突變檢驗法對小清河上、中、下游1970—2010年來水量、降水量的時間變化序列進行檢驗分析，得出的結(jié)果見表2和圖2。

由表2可知，上游和中游降水量的趨勢是在增加，上游的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為681.30mm和191.53mm，中游的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為581.33mm和139.01mm;下游降水量的趨勢是在減少，平均值為574.46mm，標(biāo)準(zhǔn)差為145.92。另外，上、中和下游的檢驗統(tǒng)計量Zc的絕對值均小于Z0.1（1.28），表明其降水量的增加和減少趨勢均不顯著。在來水量方面，上、中和下游的趨勢均是在增加，上游的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為30513.50萬m3和9369.41萬m3，中游的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為58015.44萬m3和35733.93萬m3，下游的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為101141.88萬m3和54153.29萬m3。此外，上、中和下游得檢驗統(tǒng)計量Zc的絕對值均大于Z0.01（2.32），拒絕原假設(shè)，即在置信度99%的水平下，來水量的增加趨勢是顯著的。

綜上，小清河上游和中游降水量與來水量的變化趨勢均為增加，其中，降水量增加趨勢不顯著，來水量的增加趨勢顯著;下游降水量的變化趨勢為不顯著減少，來水量的變化趨勢為顯著增加。

由圖2a、b和c可知，UF曲線中的統(tǒng)計量在1980—2000年間為負值，即表明小清河來水量雖然整體變化趨勢是在增加，但在這段時間里的變化趨勢是在減少，尤其是在1985—1995年，小清河中游和下游來水量的減少趨勢很明顯。根據(jù)Mann-Kendall突變檢驗確定突變時刻的原則，在臨界直線之間兩條曲線的交點即為突變開始的時刻，即小清河上、中和下游在2003年均發(fā)生突變。所以，可將小清河游來水量變化分為前、后2個時期。從表3可看出，小清河上、中和下游后期的水量比前期更為豐富，來水總量分別為為324630萬、812104萬和1302382萬m3，平均來水量分別達到了46375.71萬、116014.86萬和186054.57萬m3。同時，變差系數(shù)均小于前期，說明后期來水量變化程度趨于穩(wěn)定。

由圖2d、e和f可看出，UF和UB曲線的交點主要集中在90年后期和21世紀(jì)初，即小清河上、中和下游降水量在這段時期內(nèi)變化較大。另外，小清河上游和中游降水發(fā)生突變后，大多呈上升的趨勢;而下游降水自1974年發(fā)生突變后，UF曲線中Z統(tǒng)計量便開始變?yōu)樨撝?，說明下游降水量從此時開始減少，呈下降趨勢。

3.3 來水量與太陽黑子數(shù)的關(guān)系 對小清河來水量與太陽黑子數(shù)的時間序列進行交叉小波變換和相干小波變換，進一步分析來水量與太陽黑子數(shù)周期之間的共同特征。交叉小波變換重點突出小清河來水量變化與太陽黑子數(shù)在時頻域中高能量區(qū)的相互關(guān)系，相干小波變換則重點突出小清河來水量變化與太陽黑子數(shù)在時頻域中低能量區(qū)的相互關(guān)系（圖3～4）。圖中黑色細實線表示小波邊界效應(yīng)影響錐，在該曲線以外的功率譜因受到邊界效應(yīng)的影響而不予考慮;黑色粗實線則表示通過置信水平為95%的紅噪聲檢驗;箭頭方向反映來水量與太陽黑子數(shù)動態(tài)的相位關(guān)系，其中由左向右的箭頭表示來水量與太陽黑子數(shù)動態(tài)同相位，由右指向左的箭頭表示反相位，垂直向下表示來水量的小波變換提前太陽黑子數(shù)1/4個周期，垂直向上則表示太陽黑子數(shù)提前來水量1/4個周期[20]。

圖3顯示，小清河上游來水量與太陽黑子數(shù)通過顯著性檢驗的8～10.5a共振周期主要表現(xiàn)在1982—1998年，來水量與太陽黑子數(shù)呈負相關(guān)。中游來水量與太陽黑子數(shù)在1982—1998年間存在周期為8～10a的顯著負相關(guān)，且通過置信水平為95%的紅噪聲檢驗。下游來水量與太陽黑子數(shù)通過顯著性檢驗的8～10a共振周期主要表現(xiàn)在1983—1998年，來水量與太陽黑子數(shù)呈負相關(guān)。

小波相干功率譜低能量區(qū)圖4。小清河上游來水量與太陽黑子數(shù)在1974—1978年間存在周期為0～2a的顯著負相關(guān);在1982—1999年間存在周期為8～10a的顯著正相關(guān)，且通過置信水平為95%的紅噪聲檢驗。5a共振周期主要表現(xiàn)在1982—1985年，平均位相角接近垂直向上90°，來水量延后于太陽黑子數(shù)，但未通過置信水平為95%的紅噪聲檢驗。中游來水量與太陽黑指數(shù)在1973—1979年表現(xiàn)出0～1.5a的共振周期并呈負相位變化，且通過置信水平為95%的紅噪聲檢驗。下游來水量與太陽黑子數(shù)在1976—1985年存在周期為4～6a正相關(guān)，在1983—1995年間存在周期為9～10.5a的負相關(guān)，但未通過置信水平為95%的紅噪聲檢驗。黑色細實線為小波邊界效應(yīng)影響錐，黑色粗實線表示通過置信水平為95%的紅噪聲檢驗;箭頭方向反映降雨侵蝕力與氣候指數(shù)動態(tài)的相位關(guān)系。

3.4 人類活動對年來水量的影響

3.4.1 水利工程建設(shè) 小清河流域自60年代起在其支流上先后興建了大中型水庫9座，控制流域面積2207km2，設(shè)計灌溉面積4.56萬hm2，有效灌溉面積2.35萬hm2，最大實灌面積2.14萬hm2，支流攔河灌溉面積0.13萬hm2;小清河干流建攔河閘4座、排灌站292處，農(nóng)田灌溉面積53.87萬hm2。對流域年徑流進行調(diào)節(jié)利用，改變了年徑流的時空變化特征，從而影響來水量的變化。從1971—2010年年徑流量系列分析，年徑流量多年平均值為10.01億m3。各年代年徑流平均值比較分析，2001—2010年最大，為14.75億m3，80年代最小，為5.01億m3。80年代的降水量較其它年代稍微減少，但徑流量卻減少明顯，只有5.01億m3，可以看出80年代工農(nóng)業(yè)用水量增大，使徑流量偏少，導(dǎo)致來水量減少。90年代以后，由于小清河干流水質(zhì)污染，灌溉用水量大為減少，2001—2010年小清河上游和中游降水量偏豐，徑流量增大，所以來水量增大。人類活動對年來水量的影響在枯水年較為顯著，各年代年徑流平均值見表4，流域內(nèi)大中型水庫統(tǒng)計見表5。

3.4.2 小清河干流工農(nóng)業(yè)用水 根椐《山東省水利工程大檢查資料匯編》（1975年）和有關(guān)統(tǒng)計資料，20世紀(jì)60～70年代期間，在小清河干流上先后興建了柴莊、水牛韓、金家堰閘、金家橋閘4處節(jié)制閘、船閘，1999年興建了王道節(jié)制閘。在北店子修建了引黃濟清工程，引水流量30m3/s，為發(fā)展灌溉、航運提供了條件。經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計小清河沿線共有揚水站292處，其中歷城27處、章丘18處、鄒平31處、高青38處、桓臺53處、博興81處、廣饒35處、壽光9處，農(nóng)田灌溉面積3.87萬hm2（含分洪道內(nèi)灘地農(nóng)田灌溉面積4667萬hm2）。由于小清河污染較重，現(xiàn)無工業(yè)用水，農(nóng)業(yè)灌溉用水亦受到影響，經(jīng)調(diào)查，1995年實際運行的揚水站為58處，灌溉面積1.04萬hm2;2005年實際運行的揚水站為37處，灌溉面積0.38萬hm2，呈逐漸減少趨勢。按《山東省資源節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)》本區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉凈定額為2730m3/hm2，灌溉毛定額為4710m3/hm2，計算1995、2005年農(nóng)業(yè)灌溉用水量分別為5533、2402萬m3，與小清河多年平均年徑流量10.27億m3相比，為多年平均年徑流量的5.4%、2.3%。遇枯水年，農(nóng)灌用水量將大幅度增加，按現(xiàn)狀灌溉面積2萬hm2，灌溉毛定額按4710m3/hm2，計算現(xiàn)狀年農(nóng)業(yè)灌溉用水量為9420萬m3，與小清河灌溉期徑流量相比，所占比重較大，對小清河的枯季徑流影響較大，有時會出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，導(dǎo)致小清河來水量減少。

4 結(jié)論

（1）小清河上游、中游和下游來水量的變化具有增加的趨勢，而且增加趨勢顯著。根據(jù)Mann-Kendall突變檢驗確定突變時刻，可知小清河上、中和下游來水量發(fā)生突變的時刻為2003年。所以，可將小清河游來水量變化分為前、后2個時期，小清河上、中和下游后期的水量比前期更為豐富，來水總量分別為為324630萬、812104萬和1302382萬m3，平均來水量分別達到了46375.71萬、116014.86萬和186054.57萬m3。同時，變差系數(shù)均小于前期，說明后期來水量變化程度趨于穩(wěn)定。

（2）小清河上游和中游降水量的變化具有增加的趨勢，下游降水量變化具有減少的趨勢，但增加和減少趨勢均不顯著。根據(jù)Mann-Kendall突變檢驗確定突變時刻，可知小清河上、中和下游降水量發(fā)生突變的時刻主要集中在90年代后期和21世紀(jì)初，降水量在這段時期內(nèi)變化較大。小清河上游和中游降水發(fā)生突變后，大多呈上升的趨勢;而下游降水自1974年發(fā)生突變后，開始減少，呈下降趨勢。

（3）通過小波分析得出，高能量區(qū)，小清河來水量與太陽黑子的共振周期約為8～10a。低能量區(qū)，小清河來水量與太陽黑子顯示出2a左右的年際變化，但是顯著性水平有所不同。

（4）小清河流域來水量的變化主要是由降水徑流和人類活動引起的。隨著流域沿岸地區(qū)的發(fā)展，來水量與降水量的相關(guān)性逐漸減小，人類活動對來水量的影響逐漸增大，逐漸成為影響來水量的主導(dǎo)因素。人類活動主要通過在其支流上興建大中型水庫、干流工農(nóng)業(yè)用水以及小清河引水工程來影響小清河來水量。

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（責(zé)編：王慧晴）