山西涑水河流域水文氣象要素歷史演變探討

溫進利，王 煒

（1.山西省氣象災害防御技術中心,山西 太原 030002；2.太原市水利技術推廣服務站,山西 太原 030002）

山西涑水河流域為黃河中游左岸支流,河流長196.6 km,流域面積5774.4 km2,流域東南部被中條山環(huán)繞,西北部與社稷王山、孤山和峨嵋?guī)X相連,整體地形由東北向西南傾斜。流域從絳縣發(fā)端后依次經過夏縣、臨淇、鹽湖及萬榮等地,最后匯入黃河,姚暹渠和灣灣河是山西涑水河的主要支流。涑水河所在地區(qū)主要為黃土高原溝壑丘陵區(qū),溝壑丘陵地貌十分常見,土壤也主要為褐土和草甸土,位于流域東南部的中條山分水嶺主要表現(xiàn)為土石山地貌,流域以北是峨嵋?guī)X臺地,東北、西南部分別為黃土丘陵和洼地地貌,中部為運城盆地。涑水河流域由于地理位置和氣候條件較為特殊,流域內降水少蒸發(fā)大,旱澇災害十分頻發(fā)。為此,深入分析流域氣候條件以及降水量、蒸發(fā)量、徑流量等水文氣象要素的歷史演變趨勢規(guī)律,對流域水文水資源管理政策的出臺與完善具有積極意義。

1 資料及方法

1.1 資料來源

選取山西涑水河流域青龍、沙渠、冷口峪、稷王、鹽池等5個具有代表性的氣象站1960年～2020年實測逐月氣象資料進行流域氣溫、降水量、蒸發(fā)量變化特征分析。該流域現(xiàn)有水文測站較多,根據(jù)各水文測站觀測資料的完整性和代表性,根據(jù)所取得的具有典型性特征且資料齊全的咸安水文站氣象要素資料,進行涑水河流域徑流變化趨勢特征分析。

1.2 研究方法

本文主要采用線性回歸分析、累計距平、Mann-Kendall趨勢檢驗分析及Kendall秩次相關檢驗[1]等方法進行山西涑水河流域1960年～2020年水文氣象要素年內、年代際變化趨勢判別。線性回歸分析能較為直觀地顯示出時間序列數(shù)據(jù)所具有的遞增或遞減的變動特征,在此基礎上構建其線性擬合方程,并根據(jù)方程的年線性斜率指標反映和表征時間序列數(shù)據(jù)的平均變動趨勢特征。Mann-Kendall趨勢檢驗方法是非參數(shù)統(tǒng)計檢驗技術的一種,該方法對樣本數(shù)據(jù)分布趨勢無特別要求,其評價和分析結果的準確性也不受少數(shù)異常值影響,計算分析過程簡便,能突出強調時間序列數(shù)據(jù)變動趨勢的顯著性特征。

2 結果與討論

2.1 水文氣象要素年內變化

根據(jù)對山西涑水河流域5個水文氣象站1960年～2020年實測月降水量統(tǒng)計資料可以得出流域月平均降水量變動趨勢,通過與相鄰流域及山西平均降水數(shù)據(jù)的比較可以看出,該流域降水量偏少,且一年中降水主要集中在6月～9月,這4個月的降水量在全年降水量中的占比高達79.54%,其中7月和8月降水量在年降水量中占比53.41%,春季干旱少雨,冬季寒冷少雨。

根據(jù)流域氣象站統(tǒng)計資料及月平均氣溫變動趨勢分析,年內各月氣溫變化表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性特征,月平均氣溫為負值的月份為每年的11月～次年2月,流域月平均氣溫最低為-12℃,最高為25℃,分別出現(xiàn)在每年的1～2月和6月～8月。

流域年內各月蒸發(fā)量變動趨勢見圖1,最大蒸發(fā)量246 mm和最小蒸發(fā)量10 mm分別出現(xiàn)在5月～6月和12月～次年1月；4月～9月的蒸發(fā)量在全年蒸發(fā)總量中占比84.12%,5月開始天氣轉暖、日照豐富、風速增大,所以蒸發(fā)量增長劇烈；各月份的蒸發(fā)量均高出同期降雨量,流域氣候較為干燥,干旱較為常見。

圖1 山西涑水河流域降水量、蒸發(fā)量、徑流量月變動趨勢

山西涑水河流域屬于季節(jié)性河流,12月～次年2月流域處于冰凍期,河流基本上處于斷流狀態(tài),從來年3月開始氣溫逐漸回暖,積雪消融,出現(xiàn)降水,使徑流量逐漸增大,流域徑流最大值一般出現(xiàn)在6月～9月（圖1）,這也與流域降水變動過程吻合,9月份過后徑流量逐漸減小。

2.2 水文氣象要素年代際變化

根據(jù)山西涑水河流域典型水文氣象站實測降雨資料,可以得出流域降雨量年平均值變動趨勢特征,在1960月～2020年整體上呈遞減規(guī)律,年際間降雨量波動較大,近70 a降雨量傾向值-4.13 mm/10 a,回歸方程相關系數(shù)R2=0.113,對流域1960年～2020年間降雨序列進行Kendall秩次相關檢驗,無法滿足a=0.05的顯著性檢驗水平,故趨勢不顯著,表明流域降雨量表現(xiàn)為不顯著的線性遞減趨勢和周期性變化特征。

通過分析流域水文氣象站1960年～2020年實測氣象資料可得到流域年平均氣溫的變化特征,對變動趨勢進行分析可以看出,流域氣溫整體上呈逐年升高趨勢,通過繪制氣溫變動趨勢回歸方程發(fā)現(xiàn),溫度升高的線性傾向值取0.35℃/10 a,且相關系數(shù)R2=0.3365,取值較大,對其線性回歸趨勢的檢驗結果也表明,流域氣溫呈現(xiàn)出十分顯著的線性變動趨勢。

根據(jù)對流域水文氣象站1960年～2020年實測蒸發(fā)量資料的分析,其年蒸發(fā)量均值為1211 mm,年降雨量均值982 mm,年蒸發(fā)量均值是年降雨量均值的1.27 倍,多年年際蒸發(fā)量變動平穩(wěn),對多年蒸發(fā)量序列進行Kendall秩次相關檢驗,結果表明其檢驗統(tǒng)計量以標準化正態(tài)分布趨勢收斂,年際變化趨勢不明顯。山西涑水河流域5 個水文氣象站1960 年～2020年徑流量豐枯周期變動趨勢明顯,并呈逐年減小趨勢,回歸方程的相關系數(shù)R2=0.0035也未達到a=0.05顯著性檢驗水平,故趨勢不顯著。

2.3 水文氣象要素年際變化特征

2.3.1 趨勢性

根據(jù)對山西涑水河流域1960年～2020年水文氣象要素年際變化特征的統(tǒng)計（表1）,流域多年平均氣溫23.23℃,年平均氣溫最大值34.31℃和最小值-10.12℃分別出現(xiàn)在2008年和1971年。在1960年～2020年期間,流域氣溫顯著升高,其Mann-Kendall統(tǒng)計值為3.96,遠遠高出置信水平0.05的臨界值1.96,線性斜率0.026℃/a,比全國流域氣溫線性斜率0.023℃/a和全球流域氣溫線性斜率0.018℃/a均高,進一步分析發(fā)現(xiàn),流域氣溫顯著升高出現(xiàn)在20世紀80年代中后期。具體見圖2。

表1 涑水河流域1960年～2020年水文氣象要素年際變化特征統(tǒng)計

圖2 流域氣溫年際變化趨勢

流域1960年～2020年間多年平均降水量982 mm,且表現(xiàn)出豐枯交替的特征,年平均最大降水量1581 mm和最小降水量485 mm分別出現(xiàn)在2003 年和1994 年。在1960年～2020 年期間,流域降水量整體呈現(xiàn)弱增加趨勢,降水的Mann-Kendall統(tǒng)計值為0.61 mm,線性斜率為1.63 mm/a。具體見圖3。

圖3 流域降水量年際變化趨勢

流域1960 年～2020 年間水面蒸發(fā)量和降水量大致相當,年平均最大蒸發(fā)量1581 mm和最小蒸發(fā)量485 mm分別出現(xiàn)在2007 年和1997年,流域多年平均蒸發(fā)量1211 mm,且呈整體減小趨勢,Mann-Kendall統(tǒng)計值為-2.64,年線性斜率為-1.96 mm/a,自2004 年以來蒸發(fā)量多年均值偏低。具體見圖4。

圖4 流域蒸發(fā)量年際變化趨勢

山西涑水河流域徑流量在降水的影響下年際變化較大,年平均最大徑流量1053 mm和最小徑流量10 mm分別出現(xiàn)在1992 年和1971 年,兩者相差百倍之多,在1960 年～2020 年間,徑流量增大趨勢不明顯,Mann-Kendall統(tǒng)計值為0.52,徑流量年線性斜率為0.7514 mm/a,且徑流量表現(xiàn)出與降水量較為一致的變動趨勢,說明降水量在一定程度上影響徑流量。但徑流量最大和最小年份與降水量最大及最小年份并無明顯的對應關系[2],這主要與水利工程修建、水資源開發(fā)利用等人類活動有關。具體見圖5。

圖5 流域徑流量年際變化趨勢

2.3.2 突變性

根據(jù)累積距平分析結果,山西涑水河流域1960～1980 年間年降水量整體呈增加趨勢,而1990 年～2014 年呈下降趨勢,豐枯變化并無規(guī)律性,且波動趨勢大,流域年降水量無顯著突變點。流域1960 年～1980 年間年氣溫均值表現(xiàn)出下降趨勢,此后則逐年升高,流域年平均氣溫存在兩個突變點,分別為1998 年和1993 年,具體見圖6。流域1960 年～1980 年徑流量整體呈遞增趨勢,此后逐年下降,其累積距平分析的年徑流量突變點分別位于1990 年和1992 年。

圖6 涑水河流域1960年～1980年間年平均氣溫累計距平分析結果

3 結論

綜上所述,山西涑水河流域近70 a降水量和徑流量均呈弱增加趨勢,而氣溫升高趨勢卻較為明顯,水面蒸發(fā)量減小趨勢明顯。從季節(jié)角度看,流域冬春季節(jié)降水量顯著減小,夏秋季節(jié)降水量顯著增加,除夏季氣溫非顯著升高外,其余季節(jié)氣溫均表現(xiàn)出升高趨勢；冬春季節(jié)流域水面蒸發(fā)量顯著減少,夏季水面蒸發(fā)量顯著增加,秋季水面蒸發(fā)量非顯著性減少。影響流域水資源變化的主要原因除降水、蒸發(fā)、氣溫及徑流外,還包括水利工程興建及攔蓄、水資源無序開發(fā)等人為因素,為徹底解決流域干旱問題,必須在綜合分析流域水文氣象要素歷史演變趨勢特征的基礎上進行分析。