甘南高原區(qū)大峪溝流域水文要素特性分析

仲?gòu)?fù)捷，王 東，曹 杰

(甘肅省臨洮水文水資源勘測(cè)局，甘肅 臨洮 730500)

近年來(lái)，流域連續(xù)出現(xiàn)冬春季節(jié)降水量偏少、河川徑流持續(xù)偏枯的情況，水資源供需矛盾日益加劇，同時(shí)隨著旅游資源的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)、水利水電工程的建設(shè)和運(yùn)行，人類(lèi)活動(dòng)改變了地表徑流的時(shí)空分布特征，因而針對(duì)流域生態(tài)水文方面的研究近來(lái)也變得越發(fā)重要和急需。甘南水資源在涵養(yǎng)和補(bǔ)給水源、調(diào)節(jié)氣候、 保持水土、維護(hù)生物多樣性方面發(fā)揮著重要作用，在維系黃河流域水資源和生態(tài)安全方面發(fā)揮著不可替代的作用[1]。大峪溝地處甘肅省東南部迭山北麓的卓尼縣境內(nèi)，屬青藏高原東北邊緣與黃土高原的交匯地帶，2005 年被甘肅省國(guó)土資源廳列入省級(jí)地質(zhì)公園名錄(即洮河大峪省級(jí)地質(zhì)公園)，2007年被國(guó)家旅游局批準(zhǔn)為國(guó)家AAAA級(jí)旅游景區(qū)[2]。本文通過(guò)探究各要素的變化特征，為今后大峪溝流域的合理開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 流域概況

大峪溝發(fā)源于甘肅省甘南藏族自治州卓尼縣境內(nèi)迭山主峰扎伊克嘎北麓，北流經(jīng)卓尼縣木耳鎮(zhèn)多壩村匯入洮河，介于東經(jīng)103°41′～103°4′，北緯34°11′～34°34′之間，源地海拔4 920 m，全長(zhǎng)63.3 km，流域面積782 km2，流域地表起伏較大，山大溝深，氣候高寒濕潤(rùn)，山地陰坡森林茂盛，植被良好，主要支流有尼嘎溝、阿角溝、旗步溝、燕麥溝、桑布溝、頭溝等，流域內(nèi)徑流補(bǔ)給主要為降水補(bǔ)給，植被垂直地帶性分布差異明顯，半山雪線以上為裸巖，以下依次為高山草場(chǎng)、原始森林、低山草甸、灌木、農(nóng)家田園等。多年平均徑流量3.2億 m3，年蒸發(fā)量1 118.3 mm，年降水量610 mm，年平均氣溫4.6℃，最高氣溫23.4℃，最低氣溫7.1℃，平均無(wú)霜期119 d。

2 資料與方法

2.1 資料來(lái)源

大峪溝多壩水文站設(shè)立于1958年，1958年開(kāi)始徑流、降水等要素監(jiān)測(cè)，1975年開(kāi)始蒸發(fā)要素監(jiān)測(cè)，該站集水面積779 km2，占全流域總面積的99.6%，為能客觀地分析流域水文要素變化特征，采用1959-2018徑流、降水資料及1976-2018年的蒸發(fā)量資料，分析水文要素的變化特征。

2.2 分析方法

(1) 趨勢(shì)分析法：通過(guò)建立水文序列xi與相應(yīng)的時(shí)序i之間的線性回歸方程，進(jìn)而檢驗(yàn)時(shí)間序列的趨勢(shì)性，其斜率在一定程度上表征了時(shí)間序列的平均趨勢(shì)變化率。用一次線性回歸方程表示為[3]：

xi=a×i+b

式中：xi為時(shí)間序列，i為相應(yīng)時(shí)序；a為線性方程斜率，用于定量描述序列的趨勢(shì)變化特征；b為截距。

(2)距平分析法：運(yùn)用距平分析法，將各數(shù)值與其平均值進(jìn)行對(duì)比，可以直觀的反映數(shù)值的變化趨勢(shì)以及變化程度。其公式為[4]：

Pi=(Hi-H0)/H0

式中：Pi為距平百分?jǐn)?shù)，(i=1，2，3…，n)；Hi為第i個(gè)觀測(cè)值；H0為時(shí)間序列平均值。

(3)非參數(shù)Mann-Kendall(以下簡(jiǎn)稱(chēng)M-K法)[5-6]，趨勢(shì)分析檢驗(yàn)法是用來(lái)評(píng)估氣候要素時(shí)間序列趨勢(shì)的常用檢驗(yàn)方法之一，以適用范圍廣、人為性少、定量化程度高而著稱(chēng)，其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量公式是

(1)

其中，sign()為符號(hào)函數(shù)。當(dāng)xi-xj小于、等于或大于零時(shí)sign(xi-xj)分別為-1、0或1；M-K統(tǒng)計(jì)量公式分別在s大于、等于、小于零時(shí)為z

(2)

3 分析與結(jié)果

3.1 水文要素年內(nèi)變化特征

由圖1可知，降水主要集中在五月至九月，占全年的77.1% ，各月份的比例在13.2%～17.3%之間。七月降水量最大，占年降水量的17.3%，十一至次年三月占年降水量的6.7%，其中十二月最小，僅占年降水量的0.3%；徑流的年分布主要受供水來(lái)源的影響，徑流主要集中在五月至十月，占年徑流量的82.4%，各月份的比例在10.4%～17.4%，七月為17.4%，此期間徑流補(bǔ)給主要為降水，二月份和三月份徑流量最小，僅占全年的1.8% 和2.0%；蒸發(fā)量主要集中在四月至八月，占全年蒸發(fā)量的61.1%，各月份的比例在10.7%～13.1% 之間，十二月和一月蒸發(fā)量最少，僅占3.0%和3.6%；降水、徑流、蒸發(fā)年內(nèi)分配不均勻。

圖1 大峪溝流域水文要素年內(nèi)變化圖

3.2 水文要素年際變化特征

3.2.1 年際變化趨勢(shì)分析

從圖2可知：降水量年際變化為減少的趨勢(shì)，減少傾向率為1.127 6 mm/a，擬合的趨勢(shì)線方程為y=-1.127 6x+2 852.1，1984年為最多年份，降水量為823.2 mm，1997年為最少年份，降水量為431 mm；徑流量年際變化為減少的趨勢(shì)，減少傾向率為0.027 6億 m3/a，擬合的趨勢(shì)線方程為y=-2.756 1x+5 801.2，1964年為最豐年份，徑流量為5.48億 m3，1997年為最枯年份，徑流量為1.908億 m3；蒸發(fā)量總體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，增加傾向率為1.601 mm/a，擬合的趨勢(shì)線方程為y=-1.127 6x+2 852.1，2010年為蒸發(fā)量最大的年份，蒸發(fā)量為1 252.2mm，1976年為最小的年份，為961.8 mm。

圖2 大峪溝流域水文要素年際變化趨勢(shì)

3.2.2 不同年代變化特征分析

1959-2018年系列平均年降水量609.8 mm。1959-1970年高于多年均值7.7%，1971-1980年低于多年均值0.11%，1981-1990年高于多年均值1.8%，1991-2000年低于多年均值10.2%，2001-2010年高于多年平均值0.39%，2011-2018年低于多年平均值1.3%；1959-2018年以來(lái)，1984年降水量最多，為823.2 mm，1997年降水量最少，僅為431 mm，最大是最小的1.91倍；各時(shí)間段的極值比在1.43～1.78之間，說(shuō)明降水量的年際間變化相對(duì)平穩(wěn)。

1959-2018年系列平均年徑流量3.21億 m3。按照《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》(SL250-2000)豐枯水評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[7]，1959-1970年高于多年均值32.4%，屬豐水時(shí)期；1971-1990年高于多年均值5.6%～0.62%，屬正常水平；1991-2010年低于多年均值23%～20.9%，屬枯水時(shí)期；2011-2018年低于多年平均值2.49%，屬正常水平；1959-2018年以來(lái)，1964年為最豐年份，徑流量為5.48億 m3，1997年為最枯年份，徑流量為1.908億 m3，最大是最小的2.96倍；各時(shí)間段的極值比在1.56～1.98之間，變化幅度不大，說(shuō)明徑流量的年際間變化基本保持平穩(wěn)。

1976-2018年系列平均年蒸發(fā)量1 118.3 mm。1976-1980年低于多年均值2.7%，1981-1990年低于多年均值1.6%，1991-2000年低于多年均值0.96%，2001-2010年高于多年平均值3.9%，2011-2018年低于多年平均值0.06%；1976-2018年以來(lái)，最大年蒸發(fā)量1 252.2 mm，出現(xiàn)在2010年，最小年蒸發(fā)量961.8 mm，出現(xiàn)在1976年，最大是最小的1.37倍；從各時(shí)間段的極值比來(lái)看，略呈減小趨勢(shì)，但總的來(lái)說(shuō)變化幅度不大，說(shuō)明蒸發(fā)量的年際年變化相對(duì)平穩(wěn)。

4 水文要素的趨勢(shì)檢驗(yàn)

用非參數(shù)Mann-Kendall法對(duì)1959年-2018年降水量、徑流量和1976年-2018年蒸發(fā)量序列的變化趨勢(shì)做顯著性檢驗(yàn)，給定顯著性水平α=0.05，即u0.05=±1.96。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3～圖5。

圖5 大峪溝流域蒸發(fā)量Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線

表1 大峪溝流域水文要素變化特征

圖3 大峪溝流域降水量Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線

圖4 大峪溝流域徑流量Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線

由曲線可知，自上世紀(jì)60年代以來(lái)，大峪溝流域降水量呈減少趨勢(shì)，總體減少趨勢(shì)不顯著，1995年后這種趨勢(shì)超過(guò)0.05臨界線，表明降水量的減小趨勢(shì)顯著；徑流量呈減少趨勢(shì)，1983年后這種減少趨勢(shì)超過(guò)0.05臨界線甚至超過(guò)0.001顯著性水平(u0.001=±2.56)，表明這種減少趨勢(shì)十分顯著；蒸發(fā)量呈增加趨勢(shì)， 2008-2017年這種增加趨勢(shì)超過(guò)0.05臨界線，表明這段時(shí)間增加趨勢(shì)顯著，但總體增加趨勢(shì)不顯著?？梢钥闯?，該流域徑流量的減少、蒸發(fā)量的增加與降水量減少有密切關(guān)系，徑流量的補(bǔ)給主要是降水補(bǔ)給，影響蒸發(fā)量的因素主要為降水量，這與該流域徑流量、蒸發(fā)量特性基本一致。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)降水量主要集中在5-9月，占全年降水量的77.1%；徑流主要集中在5-10月，占全年徑流的82.4%；蒸發(fā)量主要集中在4-8月，占到全年蒸發(fā)量的61.1%；降水量、徑流量、蒸發(fā)量年內(nèi)分配不均勻。

(2)降水量、徑流量年際變化總體呈減小的趨勢(shì)變化，減小傾向率為1.127 6 mm/a、0.027 6億 m3/a；蒸發(fā)量年際變化總體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)變化，增加傾向率為1.601 mm/a。降水量、蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)不顯著，徑流量的變化趨勢(shì)顯著。

(3)以10 a為時(shí)間段而言，降水量的變化較為平穩(wěn)，處于正常水平；徑流量年際變化幅度不大，60年代屬豐水時(shí)期；70年代、80年代屬正常水平；90年代、21世紀(jì)前十年屬枯水時(shí)期；2011-2018年屬正常水平；蒸發(fā)量年際變化相對(duì)平穩(wěn)，20世紀(jì)70年代后期小于多年均值2.7%，80年代小于多年均值1.6%，90年代小于多年均值0.96%，21世紀(jì)前十年大于多年平均值3.9%，2011-2018年小于多年平均值0.06%。

(4)該流域徑流量的減少、蒸發(fā)量的增加與降水量減少有密切關(guān)系，徑流量的補(bǔ)給主要是降水補(bǔ)給，影響蒸發(fā)量的因素主要為降水量。