渭河上游干流代表水文站徑流一致性分析

李 芳，黃維東，王啟優(yōu)，徐 娟，朱 詠

(1.甘肅省水利水電學(xué)校，甘肅 蘭州730021； 2.甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730031；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州 730070； 4.甘肅省氣象局，甘肅 蘭州 730020)

渭河是黃河的最大支流，渭河流域是中華民族、中華文化的重要發(fā)祥地。受全球氣候變化和人類活動影響，近年來渭河流域的徑流時(shí)空分布發(fā)生了很大變化，水資源持續(xù)減少，用水矛盾突出，生態(tài)環(huán)境脆弱，給水資源合理和可持續(xù)利用帶來了極大的挑戰(zhàn)[1-2]。為了客觀準(zhǔn)確評價(jià)現(xiàn)狀條件下河流來水情況，為流域水資源管理、生態(tài)環(huán)境保護(hù)及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供更加合理可靠的徑流數(shù)據(jù)，有必要對實(shí)測徑流資料系列進(jìn)行一致性分析，包括徑流的還原計(jì)算和一致性修正[3-4]。

胡安焱等[5]研究發(fā)現(xiàn)渭河流域水沙呈減少趨勢，主要是人類活動和氣候變化影響所致。徐瑞瑞等[6]分析了渭河流域不同區(qū)間水沙變化特征及驅(qū)動因素，結(jié)果表明渭河流域大部分區(qū)間徑流量和輸沙量呈顯著減少趨勢，退耕還林還草、淤地壩、水庫攔蓄等工程的實(shí)施是主要原因。蔣憬[7]結(jié)合甘肅省第三次水資源調(diào)查評價(jià)對秦安站的徑流進(jìn)行了還原和一致性修正。以往對區(qū)域水資源進(jìn)行評價(jià)時(shí)，一般采用實(shí)測或還原后的天然徑流資料，但受氣候變化和人類活動影響，流域前后時(shí)段的下墊面條件發(fā)生了較大改變，采用長系列多年平均值不僅不能代表現(xiàn)階段的實(shí)際情況，而且會導(dǎo)致分析評價(jià)和規(guī)劃設(shè)計(jì)成果的較大偏差[8]。本研究利用渭河上游干流代表站最新實(shí)測水文資料系列和水資源開發(fā)利用數(shù)據(jù)，對河流歷年實(shí)測徑流進(jìn)行了還原計(jì)算，將過去的年徑流資料修正為近期下墊面條件下的徑流數(shù)據(jù)，以保證水文資料具有代表性、可靠性、一致性，希望能為渭河流域抗旱防汛、水資源管理、水生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域

渭河發(fā)源于甘肅省渭源縣的鳥鼠山，于陜西省渭南市潼關(guān)縣匯入黃河，全長818 km，流域面積13.43萬km2。渭河干流林家村以上為流域上游，其南岸氣候濕潤、水源豐沛、植被較好，是渭河的主要水源涵養(yǎng)區(qū)；北岸氣候干旱、降水量少、水土流失嚴(yán)重，是渭河泥沙的主要來源區(qū)。渭河上游區(qū)域年降水量400～600 mm，年蒸發(fā)量1 270～1 660 mm，年平均氣溫4～10 ℃，年平均風(fēng)速1.3～2.9 m/s，無霜期138～206 d，共有年徑流量大于1.0億m3的支流5條，即榜沙河、大南河、葫蘆河、藉河、牛頭河。渭河上游水系分布見圖1。

圖1 渭河上游水系分布

本次選取渭河上游干流代表站武山站、北道站控制流域作為研究區(qū)。武山站1958年設(shè)站，距河口693 km，控制流域面積8 080 km2，實(shí)測多年平均年徑流量5.36億m3。北道站1946年設(shè)站，距河口564 km，控制流域面積24 871 km2，實(shí)測多年平均年徑流量10.71億m3。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)主要來自甘肅省第三次水資源調(diào)查評價(jià)成果，評價(jià)系列統(tǒng)一采用1956—2016年，包括：北道站控制流域內(nèi)78個(gè)雨量站降水量觀測資料；武山站和北道站徑流實(shí)測資料；甘肅省第三次水資源調(diào)查評價(jià)成果中渭河干流水文站徑流還原數(shù)據(jù)；流域水土保持措施面積和植被覆蓋度。其中：歷年降水、徑流資料為水文部門依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)測整編成果，水利水保措施數(shù)據(jù)為水利部門統(tǒng)計(jì)資料，資料基本可靠，數(shù)據(jù)精度較高。

1.3 研究方法

研究流域降水形成的天然徑流時(shí)，一般通過調(diào)查水文站控制區(qū)域的社會經(jīng)濟(jì)用水情況，采用水量平衡法將實(shí)測徑流還原為天然徑流。但受流域下墊面變化的影響，還原后的天然徑流與降水的關(guān)系會發(fā)生一定變化，因此需通過趨勢性檢驗(yàn)找到徑流突變年份，將突變年份以前的徑流進(jìn)行一致性修正，使分析計(jì)算的多年平均年徑流量更能反映現(xiàn)狀下墊面條件的產(chǎn)匯流情況。

(1)水量平衡法。水量還原計(jì)算主要采用水量平衡法，以水文站控制流域內(nèi)總水量平衡為依據(jù)，建立水量平衡方程式為

W天然=W實(shí)測+W還原

(1)

W還原=W農(nóng)業(yè)+W工業(yè)+W生活±W引水±W分洪±W蓄水

(2)

式中：W天然為天然河川徑流量，m3；W實(shí)測為實(shí)測河川徑流量，m3；W還原為還原水量，m3；W農(nóng)業(yè)為農(nóng)業(yè)灌溉耗損量，m3；W工業(yè)為工業(yè)用水耗損量，m3；W生活為城鎮(zhèn)生活用水耗損量，m3；W引水為跨流域(或跨區(qū)間)引水量，m3，引出為正，引入為負(fù)；W分洪為河道分洪后不能回歸到原河道的水量，m3，分出為正，分入為負(fù)；W蓄水為大中型水庫蓄水變量(年末蓄水量與年初蓄水量之差)，m3，增加為正，減少為負(fù)。

對水文站實(shí)測徑流量影響較大的還原項(xiàng)目，可根據(jù)具體情況增減。對于控制面積內(nèi)不存在蓄水、引水、提水，以及河道分洪或堤防決口的水文站，實(shí)測河川徑流量即為天然河川徑流量。

(2)趨勢性檢驗(yàn)。對還原后的天然徑流系列分別采用Kendall秩次相關(guān)法、Spearman秩次法、線性趨勢法進(jìn)行一致性檢測，α均采用0.05，判別值分別取Uα/2=1.96、Tα/2=1.64、Tα/2=1.64。采用Hurst指數(shù)法對徑流序列進(jìn)行突變點(diǎn)顯著性檢驗(yàn)。點(diǎn)繪各站降水量和天然徑流量雙累積曲線，確定徑流變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并與幾種趨勢性檢驗(yàn)方法結(jié)果對照，結(jié)合流域情況和徑流成因進(jìn)行研判，合理確定各站徑流量跳躍點(diǎn)年份。

(3)徑流一致性修正。在進(jìn)行一致性修正時(shí)，一般要建立徑流轉(zhuǎn)折年份前后的年降水量和年徑流量相關(guān)關(guān)系，將轉(zhuǎn)折前的年降水量代入轉(zhuǎn)折后的相關(guān)公式，計(jì)算值即為修正后的年徑流量。也可以建立年降水量和年徑流深的相關(guān)關(guān)系，分別從兩條曲線查算出不同降水量對應(yīng)的兩個(gè)年徑流深值(R1和R2)，計(jì)算年徑流衰減系數(shù)和修正系數(shù)，計(jì)算公式為

γ=(R1-R2)/R1

(3)

Ψ=R2/R1

(4)

式中：γ為年徑流衰減系數(shù)；Ψ為年徑流修正系數(shù)；R1為轉(zhuǎn)折前年降水量與年徑流深關(guān)系曲線上的天然年徑流深，mm；R2為轉(zhuǎn)折后年降水量與年徑流深關(guān)系曲線上的天然年徑流深，mm。

計(jì)算不同量級年降水量的Ψ值，繪制年降水量P與Ψ關(guān)系曲線。根據(jù)轉(zhuǎn)折前歷年降水量，從曲線上查算對應(yīng)的修正系數(shù)，再乘以天然年徑流量，即可得到修正后的年徑流量。

2 降水與徑流變化

2.1 降水變化

收集北道站以上流域內(nèi)78個(gè)雨量站觀測資料，用泰森多邊形法分別計(jì)算武山站以上、北道站以上區(qū)域面平均降水量，點(diǎn)繪歷年降水量變化過程(圖2)。兩站控制流域多年平均年降水量分別為485.7、482.8 mm；在年際變化上，兩站歷年降水量總體呈減少趨勢，平均每年分別減少0.85、0.87 mm，1997年以前持續(xù)減少，之后略有增加；降水量年內(nèi)分配不均，主要集中在汛期，兩站5—10月降水量分別占全年的84.5%～85.4%，7—9月降水量分別占全年的49.8%～51.5%。

圖2 武山、北道站以上流域歷年降水量變化過程

2.2 徑流變化

武山、北道站歷年實(shí)測年徑流量變化過程見圖3(a)。在年際變化上，兩站實(shí)測徑流量歷年變化總體呈減少趨勢，并且比降水量的減少趨勢更為顯著，平均每年分別減少0.083 9億、0.205 3億m3，1997年以前持續(xù)減少，之后略有增加；徑流年內(nèi)分配不均，主要集中在汛期，兩站5—10月徑流量分別占全年的75.4%和75.6%，7—10月徑流量分別占全年的56.3%和59.4%；相對降水量變化，10月份徑流量占比較大，主要是降水補(bǔ)給地下水形成的基流具有滯后作用所致[9]。

圖3 渭河干流代表站實(shí)測與天然徑流量變化過程

3 徑流還原計(jì)算

甘肅省第三次水資源調(diào)查評價(jià)對渭河干流水文站控制區(qū)域的社會經(jīng)濟(jì)用耗水進(jìn)行了調(diào)查。采用公式(2)計(jì)算得到武山、北道站年徑流還原水量見表1，天然年徑流量過程見圖3(b)。兩站平均每年還原水量分別為0.38、1.90億m3，分別占天然多年平均年徑流量的6.6%、15.1%，可見渭河北道站以上流域總體社會經(jīng)濟(jì)用水比例較小，水資源開發(fā)利用率較低。

表1 武山、北道站1956—2016年徑流還原水量

4 徑流一致性修正

4.1 徑流變化趨勢檢驗(yàn)

采用Kendall秩次相關(guān)法、Spearman秩次法、線性趨勢法對武山、北道站的天然年徑流量變化趨勢進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見表2。3種方法的統(tǒng)計(jì)量均大于臨界值，說明年徑流量均呈顯著減小趨勢。

表2 武山、北道站天然年徑流量變化趨勢性檢驗(yàn)結(jié)果

采用Hurst指數(shù)法對徑流序列進(jìn)行突變點(diǎn)顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見表3。兩站的年徑流量突變年份均為1993年。點(diǎn)繪水文站控制流域的降水量和天然徑流量雙累積曲線(圖4)，可見相對于年降水量，年徑流量在1993年后發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)折，這與Hurst指數(shù)法檢驗(yàn)結(jié)果完全一致。1956—1993年武山、北道站多年平均年徑流量分別為7.00億、15.48億m3，1994—2016年減少到3.65億、7.86億m3，分別減少了47.9%、49.2%。本次分析結(jié)果與姚文藝等[10-11]通過研究黃河中游水沙變化得出渭河流域1997—2006年減少徑流43.5%的結(jié)果基本一致。

圖4 武山、北道站控制流域年降水量-年徑流量累積曲線

表3 武山、北道站天然徑流序列突變顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

4.2 一致性修正

將水文站的徑流還原為天然徑流后，如果影響流域產(chǎn)匯流的下墊面條件變化不大，那么控制斷面的徑流與降水應(yīng)呈較好的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)點(diǎn)應(yīng)隨機(jī)分布成相對集中的帶狀。但受流域氣候變化和水土保持措施的影響，渭河上游區(qū)的下墊面條件發(fā)生了較大改變，點(diǎn)繪水文站控制流域年降水量與年徑流深的相關(guān)曲線(圖5)，可見在1993年前后形成點(diǎn)明顯分帶的兩種關(guān)系，在同樣的降水條件下，1993年以后的年徑流量顯著減少。

圖5 武山、北道站以上流域年降水量與年徑流深相關(guān)曲線

依據(jù)不同量級的降水量，分別在兩條曲線上查算出兩個(gè)對應(yīng)的年徑流深值(R1和R2)，用式(3)、(4)分別計(jì)算年徑流衰減系數(shù)和修正系數(shù)，建立年降水量-年徑流修正系數(shù)Ψ相關(guān)曲線，查得1956—1993年歷年降水量對應(yīng)的年徑流修正系數(shù)，再乘相應(yīng)年份的天然年徑流量，即可得到修正后的年徑流量[12]。兩站修正前后的年徑流量過程對照見圖6，經(jīng)過一致性修正的徑流過程基本上在轉(zhuǎn)折點(diǎn)前后一致，能夠代表流域地表徑流的實(shí)際現(xiàn)狀。修正后武山、北道站1956—2016年平均年徑流量分別為4.04億、8.91億m3，比修正前的天然平均年徑流量減少了29.6%和29.3%，比實(shí)測平均年徑流量減少了24.6%和16.8%(見表4)。

圖6 武山、北道站年徑流量一致性修正前后序列對照

表4 武山、北道站實(shí)測、天然、修正徑流量對照

5 徑流量減少的原因分析

(1)社會經(jīng)濟(jì)各部門取用耗水使流域地表徑流減少。截至2016年底，渭河上游流域內(nèi)已建成水庫34座，控制流域面積1.67萬km2，總庫容1.836 2億m3，設(shè)計(jì)年供水量0.649 3億m3。2016年各水利工程總供水量4.034 7億m3，其中蓄水量0.438 4億m3、引水量2.438 0億m3、提水量1.158 3億m3。武山、北道站控制流域平均每年耗水0.38億、1.90億m3，分別占天然多年平均年徑流量的6.62%、15.1%。

(2)氣候變化使流域植被覆蓋度增加導(dǎo)致地表徑流減少。近幾十年來，渭河流域氣溫持續(xù)升高，氣候由干旱向暖濕轉(zhuǎn)變；同時(shí)植被覆蓋度大幅提高，達(dá)到70%左右，年均增加0.71個(gè)百分點(diǎn)，滯蓄和蒸散消耗了水源，使地表徑流減少[13]。

(3)水土保持措施改變了流域產(chǎn)匯流條件。渭河流域通過近30年的水土流失治理，截至2016年底，梯田、林地、草地、封禁治理、淤地壩控制面積分別達(dá)到67.9萬、49.3萬、12.0萬、11.1萬、10.6萬hm2。這些水保措施改變了流域產(chǎn)匯流條件，攔蓄截留了大量地表徑流，加之黃土高原地下水位埋深大，地表徑流難以補(bǔ)給到地下再回歸到河道，林草的蒸散發(fā)也增加了，流域徑流量就減少了。

(4)降水徑流系數(shù)是反映流域產(chǎn)匯流下墊面條件的重要指標(biāo)，武山、北道站的降水徑流系數(shù)由1956—1993年的0.172、0.125減小到1994—2016年的0.099、0.069，分別減小了42.4%、44.6%，說明氣候變化和水土保持措施使流域的下墊面條件發(fā)生較大改變，單位降水形成的徑流顯著減少。

6 結(jié) 論

(1)渭河干流武山、北道站控制流域多年平均年降水量分別為485.7、482.8mm，歷年降水量總體呈減少趨勢，平均每年減少0.85、0.87mm；降水量年內(nèi)分配不均，5—10月降水量分別占全年的84.5%～85.4%，7—9月降水量分別占全年的49.8%～51.5%。兩站多年平均年徑流量分別為5.36億、10.71億m3，歷年變化總體也呈減少趨勢，平均每年減少0.083 9億、0.205 3億m3；徑流年內(nèi)分配主要集中在汛期，5—10月徑流量分別占全年的75.4%、75.6%，7—10月徑流量分別占全年的56.3%、59.4%。

(2)武山、北道站平均每年還原水量0.38億、1.90億m3。還原后兩站的天然年徑流量在1993年后發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)折，1956—1993年武山、北道站多年平均年徑流量分別為7.00億、15.48億m3，1994—2016年減少到3.65億、7.86億m3，分別減少了3.35億、7.62億m3(47.9%、49.2%)。

(3)對武山、北道站天然徑流進(jìn)行一致性修正，結(jié)果表明，修正后1956—2016年平均年徑流量分別為4.04億、8.91億m3，比修正前的天然平均年徑流量減少了29.6%和29.3%，比實(shí)測平均年徑流量減少了24.6%和16.8%。經(jīng)過一致性修正的徑流過程基本上與降水量變化一致，能夠代表流域地表徑流的實(shí)際現(xiàn)狀。

(4)除社會經(jīng)濟(jì)各部門直接取用耗水使渭河流域地表徑流減少外，氣候變化和水土保持措施通過改變流域產(chǎn)匯流條件，使河流地表徑流減少。