1956-2016年灃河徑流量變化特征分析

歐陽衛(wèi)， 王 筱， 周維博

(1.長安大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安 710054； 2.長安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710054)

1 研究背景

江河徑流是地表水資源的重要組成部分，直接關(guān)系到自然生態(tài)和人類社會。江河徑流量的顯著變化一直是水文學(xué)者和流域管理者的關(guān)注重點(diǎn)[1-4]。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者做了大量關(guān)于流域徑流量變化的研究。如張建云等[5]初步分析了中國江河近60年的徑流演變趨勢以及中國十大水資源區(qū)的地表水演變特征；田晶等[6]通過模擬漢江流域未來的徑流變化，探究了徑流變化的主因；王國慶等[7]通過歸因識別對中國南北方江河徑流量變化成因進(jìn)行了分析；Yang等[8]建立了一種更為靈活的改良布迪克互補(bǔ)關(guān)系，可以將長序列徑流資料合理劃分為不同的組分，便于分析徑流量變化成因；Awotwi等[9]的研究表明，人類活動對加納南部森林徑流量變化的貢獻(xiàn)率達(dá)82.2%。觀測資料和已有研究表明[10-13]，江河徑流量在過去幾十年發(fā)生了不同程度的變化，因此科學(xué)分析流域內(nèi)徑流量的演變和趨勢顯著性可以為流域內(nèi)防洪減災(zāi)、合理開發(fā)水資源等提供支撐。

灃河，“西安八水”之一，作為灃東新城和灃西新城的“城中河”，在城市防洪和海綿城市建設(shè)過程中起著至關(guān)重要的作用；同時(shí)作為陜西省斗門水庫的引水源之一，其徑流量變化和斗門水庫的運(yùn)行息息相關(guān)[14]。本文基于秦渡鎮(zhèn)水文站1956-2016年共計(jì)61 a的逐月徑流量實(shí)測數(shù)據(jù)，利用集中度和不均勻性分析、M-K檢驗(yàn)、滑動t檢驗(yàn)等方法研究灃河徑流量的年內(nèi)分配情況、年際變化幅度及3個(gè)時(shí)期(年際、豐水期、枯水期)的突變特征、突變時(shí)間和突變前后年內(nèi)徑流分配變化情況，旨在揭示灃河近60年來徑流量的演變規(guī)律和突變特征。

2 資料來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

灃河地處西安西部，源于秦嶺北坡灃峪南研子溝[15]，系渭河一級支流，流域橫跨東經(jīng)108°69′～109°10′、北緯33°60′～34°15′，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，研究區(qū)水系分布及水文站位置見圖1。

圖1 研究區(qū)流域水系及水文站位置圖

2.2 資料來源

灃河在中下游與灃潏河交匯口以下無水文觀測站，流域內(nèi)建有秦渡鎮(zhèn)水文站、大峪水文站、高橋水文站[16]。秦渡鎮(zhèn)水文站與其他兩個(gè)站點(diǎn)相比，距灃西新城、灃東新城和陜西省斗門水庫較近，更具代表性。灃河秦渡鎮(zhèn)水文站以上取水量很小，且未修建大型水利工程，徑流量未發(fā)生顯著改變，因而不需要對年徑流資料進(jìn)行還原計(jì)算和一致性處理。故本文選取秦渡鎮(zhèn)水文站1956-2016年共計(jì)61 a的逐月徑流量資料。

2.3 研究方法

2.3.1 徑流量年內(nèi)分配分析方法 采用不均勻系數(shù)Cv[17]、完全調(diào)節(jié)系數(shù)Cr、集中度Cd[18]和相對變化幅度Cm[19]來描述徑流量的年內(nèi)分配情況。

Cm=arctan(Cmax/Cmin)

(1)

式中：Cmax和Cmin分別為月平均徑流量與年徑流量比值的最大值和最小值。

2.3.2 徑流年際變化分析方法 本文先采用距平累積法、線性傾向估計(jì)法對年徑流量的變化進(jìn)行趨勢分析[20]。M-K突變檢驗(yàn)是基于時(shí)間序列秩次的一種統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，對數(shù)據(jù)分布形態(tài)沒有特定要求，廣泛應(yīng)用于水文趨勢研究[21]。

該方法將水文序列{X1，X2，…，Xn}假設(shè)為一秩序列[22-23]。定義dk為：

(2)

(3)

式中：k為計(jì)算年份；mi為秩序列中xi大于xj的樣本積累數(shù)。

計(jì)算dk的均值E(dk)和方差Var(dk)，定義統(tǒng)計(jì)量：

(4)

再按逆序排列水文序列，重新計(jì)算，并使：

UBk=-UFk′(k=n+1-k′)

(5)

再聯(lián)合滑動t驗(yàn)證UFk和UBk兩線在顯著趨勢線之間的交點(diǎn)是否為突變開始時(shí)刻[24-25]。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流量年內(nèi)分配

鑒于研究區(qū)內(nèi)水文站的實(shí)測徑流資料較長，為便于分析，將1956-2016年以10 a分段進(jìn)行計(jì)算[26]，結(jié)果見表1。繪制Cv、Cr及Cd曲線，見圖2。多年月平均徑流量見圖3。

由表1和圖2可以看出：灃河徑流量的Cv值偏大且呈波動下降，說明年內(nèi)分配較為集中，2006年以后Cv值較小，年內(nèi)分配較為均勻；Cd與Cr在各年代之間的變化大致相同，Cd值偏大意味著年內(nèi)徑流分配集中，且由徑流量合成向量方位角得出，最大年內(nèi)月徑流量峰值在9月20日左右，這與圖3中實(shí)際多年月平均流量最大為9月相一致；Cm值在20世紀(jì)70年代和80年代都較大，表明該時(shí)段徑流量分配不均。結(jié)果表明：(1)9月為年內(nèi)徑流峰值月份，達(dá)4 287×104m3，占全年徑流量的18.2%，2月最小，為293×104m3，占全年徑流量的1.2%。其中，7-9月徑流量全年占比最大，達(dá)43.87%，12-翌年2月占比最小，為4.9%。(2)灃河徑流量在70年代和80年代個(gè)別年份Cm較大，年內(nèi)徑流分配集中。

表1 1956-2016年不同時(shí)段灃河徑流量年內(nèi)分配統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖2 1956-2016年灃河徑流年內(nèi)分配參數(shù)曲線 圖3 1956-2016年灃河多年月平均徑流量

3.2 徑流年際變化

3.2.1 趨勢分析 采用距平累積法分析灃河1956-2016年的徑流量資料，繪制出灃河年徑流量距平累積曲線，見圖4；年徑流量過程線及徑流量線性趨勢線見圖5。

由圖4可得，灃河多年徑流量呈現(xiàn)明顯的4階段特征，即增加—波動—增加—減少的變化。由圖5中可看出，年徑流量曲線起伏較大，灃河徑流量在研究時(shí)段內(nèi)整體呈減少趨勢，下降率為175.71×104m3/a。研究時(shí)段內(nèi)年徑流量平均為23 567×104 m3，其中，26 a的徑流量高于平均水平，35 a低于平均水平。灃河徑流量在序列前期均偏豐，在1983年達(dá)到最大值，為53 800×104m3。近30年來，徑流量明顯偏小。1956-1969年和1970-1989年的平均徑流量分別為28 131×104、25 713×104m3，均高于多年平均年徑流量，而1990-2016年平均徑流量為19 612×104m3，低于平均徑流量。體現(xiàn)了在不同年代之間，灃河徑流量呈現(xiàn)減小趨勢。

圖4 1956-2016年灃河年徑流量距平累積曲線 圖5 1956-2016年灃河年徑流量過程及變化趨勢線

3.2.2 突變分析

(1)M-K突變檢驗(yàn)。本文從3個(gè)時(shí)期對灃河的年徑流量進(jìn)行突變分析，分別為年際、豐水期(7-9月)和枯水期(12-翌年1月)，為了更直觀地找到突變點(diǎn)，繪制其徑流量突變圖，見圖6。顯著水平取0.05，臨界值U0.05=±1.96。

由圖6(a)可以看出，灃河年際徑流量在20世紀(jì)70年代末以前，統(tǒng)計(jì)曲線UF呈波動下降，表明徑流量呈現(xiàn)減少趨勢。80年代統(tǒng)計(jì)曲線UF轉(zhuǎn)為上升狀態(tài)。從90年代初至今，統(tǒng)計(jì)曲線UF呈下降狀態(tài)，表明徑流量呈減少趨勢。特別是1990年以后，曲線下降至顯著性水平的臨界線下，表明20世紀(jì)末，灃河徑流量減少趨勢十分明顯。兩條統(tǒng)計(jì)曲線UF、UB分別在1977、1982、1985、1990年相交。

圖6 1956-2016年灃河徑流量M-K檢驗(yàn)圖

由圖6(b)可得，20世紀(jì)60年代以前，曲線波動上升，在60年代到80年代，灃河豐水期徑流量統(tǒng)計(jì)曲線UF為波動下降狀態(tài)；80年代至90年代，統(tǒng)計(jì)曲線UF為上升狀態(tài)并逐漸大于0，表明徑流由減小趨勢轉(zhuǎn)為增加趨勢；90年代至21世紀(jì)初，統(tǒng)計(jì)曲線UF下降，表明徑流呈減少趨勢；進(jìn)入21世紀(jì)以后，統(tǒng)計(jì)曲線UF為上升狀態(tài)；在1957、1959、1963、1964、1977、1985、2007、2008年處，兩條統(tǒng)計(jì)曲線UF、UB相交。

由圖6(c)分析得，在70年代中期以前，灃河枯水期徑流量統(tǒng)計(jì)曲線UF為上升狀態(tài)，表明徑流在此時(shí)段呈增加趨勢；70年代以后，統(tǒng)計(jì)曲線UF大體為下降狀態(tài)，在個(gè)別年份有所上升，表明徑流在70年代后呈減少趨勢；1990年至今，統(tǒng)計(jì)曲線UF持續(xù)上升，且超過0.05顯著水平線。在2001年兩條統(tǒng)計(jì)曲線出現(xiàn)交叉。

通過上述分析得出：灃河年徑流量在研究時(shí)段內(nèi)發(fā)生4次突變，分別在1977、1982、1985、1990年；豐水期徑流量在1957、1963(相鄰交點(diǎn)以年份靠前的為突變年份)、1977、1985、2007年發(fā)生突變；枯水期在2001年發(fā)生突變。上述突變點(diǎn)中，個(gè)別可能是雜點(diǎn)，所以需要聯(lián)合滑動t檢驗(yàn)法驗(yàn)證突變點(diǎn)的可信度。

(2)滑動t檢驗(yàn)。為了對M-K突變檢驗(yàn)的突變點(diǎn)可進(jìn)行信度檢驗(yàn)，本文依據(jù)滑動t檢驗(yàn)法對上述3個(gè)時(shí)期的突變點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)，繪制徑流量突變圖，見圖7，顯著水平取±2.306。

分析圖7(a)可得，灃河年際流量在研究時(shí)段前期呈波動上升的狀態(tài)，隨后下降，在1982年，灃河徑流量年際變化突破臨界值，說明此處可能發(fā)生了突變，對比之前的M-K突變分析結(jié)果，由此可得灃河年際徑流量在1982年發(fā)生了1次突變。由圖7(b)可得，研究時(shí)間序列內(nèi)灃河豐水期徑流量有3次變化突破臨界值，對比M-K突變分析結(jié)果，得灃河豐水期徑流量在1977和1985年有突變點(diǎn)。由圖7(c)可以看到，灃河枯水期時(shí)徑流量有6次變化突破臨界值，說明在這期間徑流量變化較為劇烈，其中2001年處的變化點(diǎn)與M-K檢驗(yàn)結(jié)果吻合，由二者聯(lián)合分析可得，灃河枯水期的徑流量在2001年發(fā)生了1次突變。

圖7 1956-2016年灃河徑流量滑動t檢驗(yàn)

(3)突變前后的徑流年內(nèi)分配變化。由于枯水期徑流較小以及豐水期2個(gè)突變點(diǎn)離得較近，所以選擇年際突變點(diǎn)和豐水期突變點(diǎn)中較為明顯的點(diǎn)位1977年分析。繪制突變前后的年內(nèi)徑流變化圖，如圖8所示。

圖8 1956-2016年灃河徑流量突變前后的年內(nèi)徑流量變化

與圖3的多年月平均流量相比，當(dāng)灃河徑流量發(fā)生年際突變時(shí)，徑流量峰值后移，各月徑流占比變化較大，其中以9和10月變化較大，9月徑流量全年占比從31.7%降低至18.6%，10月徑流量全年占比從10.9%增加至23.1%；當(dāng)灃河徑流量發(fā)生豐水期突變時(shí)，7-9月的徑流量全年占比從15.2%增加到64.4%。

3.3 討 論

將本文所得突變結(jié)果與文獻(xiàn)[27]進(jìn)行對比，如表2所示。

表2 灃河徑流量不同時(shí)段突變點(diǎn)對比分析

從表2中可以看出，本文與文獻(xiàn)[27]的結(jié)果差異較大，這是因?yàn)槲墨I(xiàn)[27]只是對M-K檢驗(yàn)圖分析，沒有排除雜點(diǎn)，本文將M-K檢驗(yàn)與滑動t檢驗(yàn)聯(lián)合，得出1982年為年徑流量突變點(diǎn)，突變前后差值為29 066×104m3。從圖4中可以看出，1987年后徑流量開始下降，但是下降幅度相對較小，不足以定為突變點(diǎn)。本文與文獻(xiàn)[27]在豐水期突變點(diǎn)的差異主要在于研究時(shí)間序列和豐水期的界定不同，本文時(shí)間序列為1956-2016年，將7-9月作為豐水期，而文獻(xiàn)[27]時(shí)間序列為1956-2006年，將7-10月作為豐水期；本文與文獻(xiàn)[27]在枯水期的結(jié)果較為一致。本文突變分析是采用M-K突變檢驗(yàn)分析資料，滑動t檢驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果既說明了突變時(shí)間，又確定了結(jié)果的準(zhǔn)確性。因而所得結(jié)果得到了充分的驗(yàn)證，求得的突變點(diǎn)均為有效突變點(diǎn)。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)灃河內(nèi)秦渡鎮(zhèn)水文站1956-2016年逐月徑流量資料，采用集中度和不均勻性分析、M-K檢驗(yàn)、滑動t檢驗(yàn)等方法，分析灃河徑流年內(nèi)分配情況并從年際、枯水期、豐水期3個(gè)時(shí)期對灃河徑流量進(jìn)行突變分析，用滑動t檢驗(yàn)進(jìn)行可信度檢驗(yàn)。結(jié)果表明：

(1)灃河徑流量在20世紀(jì)70、80年代中，大部分年份年內(nèi)分配較為集中，2006年以后分配較為均勻，且Cd與Cr在各年代之間變化大致相同，灃河主要徑流集中在7-9月，年內(nèi)最大月徑流量一般出現(xiàn)在9月。

(2)研究區(qū)年際徑流量在1956-2016年呈增加—波動—增加—減少4階段變化，整體為減少趨勢，1956-2016年平均年徑流量為23 567×104m3，其中，有26 a大于平均年徑流量，有35 a小于平均年徑流量。

(3)對灃河徑流量的突變分析表明：研究區(qū)年際流量在1982年發(fā)生了1次突變，突變前后差值為29 066×104m3，年內(nèi)徑流分配變化主要集中在9-10月，9月徑流量全年占比從31.7%降低至18.6%，10月徑流量全年占比從10.9%增加至23.1%；研究區(qū)豐水期徑流量在1977年和1985年各發(fā)生了1次突變，其中1977年突變較為明顯，7-9月徑流量全年占比從15.2%增加到64.4%；枯水期徑流量在2001年發(fā)生了1次突變。