渭河支流黑河徑流變化特征分析

張 萍

(陜西江河工程項目管理有限責任公司，陜西 西安 710018)

河川徑流量是地區(qū)工農(nóng)業(yè)用水的重要來源，是生態(tài)保護和高質量發(fā)展的制約因素[1]。受氣候變化和人類活動影響，河川徑流過程變化明顯。黑河作為渭河的一級支流，水質優(yōu)良，是黑惠渠灌區(qū)的灌溉水源，流域上建有黑河金盆水庫，為西安市300萬市民提供飲用水，是西安市最重要的地表水源地[2]。隨著西安國家中心城市和引領“一帶一路”、亞歐合作交流的國際化大都市的建設，對黑河流域水資源提出更高的要求。近年來，水資源短缺已成為經(jīng)濟社會快速發(fā)展的制約因素。黑河流域水資源變化對西安市經(jīng)濟發(fā)展和市民生活用水有重要影響，因此研究黑河流域的徑流變化特征意義重大。

針對河川徑流變化分析，業(yè)內(nèi)學者開展了大量研究，取得了一批研究成果。肖潔等[3]對渭河干流徑流年際及年內(nèi)變化趨勢進行分析，發(fā)現(xiàn)60a來渭河徑流量顯著減少，并在未來一段時間內(nèi)保持持續(xù)減少態(tài)勢；年內(nèi)徑流分配不均，徑流多集中在5-10月。姜世中[4]在分析黃河源區(qū)達日至瑪曲段近50 a徑流量變化趨勢中發(fā)現(xiàn)徑流量存在3.2 a、7.5 a、19.5 a和36.5 a左右的主周期，1986年以來出現(xiàn)的枯水期，2004年左右以后發(fā)生改變。楊春利等[5]對1958-2015年疏勒河上游徑流變化及其氣候因素進行分析，發(fā)現(xiàn)疏勒河出山徑流量呈現(xiàn)增加趨勢，降水是出山徑流變化的主控因素，氣溫升高引起的冰雪融化是近年來出山徑流增長較快的重要原因。

通過分析黑河流域徑流變化特征，對黑河流域水資源開發(fā)利用具有重要現(xiàn)實意義。本文以黑河流域為研究區(qū)域，選用黑河黑峪口水文站1950-2015年徑流量為研究對象，采用線性回歸法[6]、滑動平均法[7]和Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法分析徑流量變化趨勢，采用累積距平法[8-9]分析徑流量變化過程，采用Mann-Kendall突變檢驗法分析徑流量突變情況，采用R/S分析法預測徑流量未來變化趨勢；通過對黑河流域徑流年際年內(nèi)年代變化過程、趨勢、突變狀況及未來趨勢分析，旨在為黑河流域水資源調度和生態(tài)保護高質量發(fā)展提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 黑河概況

黑河為渭河右岸一級支流，發(fā)源于秦嶺北麓太白山，最大海拔2 710 m，入渭口海拔404 m，河道總落差2 306 m，平均比降8.8‰。干流總長125.8 km，集水面積2 258 km2，其中：峪口以上河長96.3 km，集水面積1 887 km2，峪口以下河長29.5 km，集水面積371 km2。黑河流域概況如圖1所示。

圖1 黑河流域及水文測站分布圖

1.2 資料來源

根據(jù)黑河流域水文站點分布情況，本文選取黑峪口水文站1950-2015年共66 a實測徑流資料。經(jīng)過三性審查，黑峪口站徑流數(shù)據(jù)具有良好的周期性、代表性和一致性，可用于徑流變化特征分析研究。

1.3 研究方法

1.3.1 Mann-Kendall趨勢檢驗法

Mann-Kendall檢驗是水文氣象領域普遍使用的檢驗方法，優(yōu)點是方法簡單，樣本無需按照一定規(guī)律分布，受異常值干擾小[10-11]。

1.3.2 Mann-Kendall突變檢驗方法

對于具有n個樣本量的時間序列，構造秩序列[12]：

(1)

(2)

定義統(tǒng)計量：

(3)

E(sk)=n(n+1)/4

(4)

var(sk)=n(n-1)(2n+5)/72

(5)

式中：UF1=0，E(sk)和var(sk)是累積數(shù)sk的均值和方差。

給定顯著性水平α，若∣UFk>Uα∣，則表明序列有明顯趨勢變化。將時間序列逆序，再重復上述過程，使UFk=UBk(k=n，n-1，… 1)。UFk和UBk的值大于0，說明有上升趨勢，反之下降趨勢，當其值超出臨界線時，說明變化趨勢顯著。如果UFk和UBk兩條曲線有交點，且交點出現(xiàn)在臨界區(qū)間，則交點為突變開始時刻[13]。

1.3.3 R/S分析法

R/S分析法基本原理為：

設有一時間序列：{ζ(t)}，t=1，2，3，…，N；然后取一個系列τ=1，2，3，…，N，對于某個τ，定義：

(6)

(7)

Hurst指數(shù)：ln(R/S)=Hlnτ+Hlna

(8)

Hurst指數(shù)(00.5，表明未來趨勢與歷史一致，H越大持續(xù)性越強；當H<0.5，表明未來趨勢與歷史相反，H越小反持續(xù)性越強[14]。

2 結果分析

2.1 徑流年內(nèi)變化特征分析

圖2 (a)為黑峪口站徑流量年內(nèi)分配過程，柱狀為月徑流值，折線為月徑流占全年總量百分率。從結果看：該站月徑流最大值為9月(0.98×108m3)，9月之前呈增加趨勢，之后呈遞減趨勢。徑流年內(nèi)分配不均，主要集中在汛期6-10月，占全年的70.7%。

(a)基本趨勢 (b)Mann-Kendall趨勢檢驗圖2 黑峪口站徑流量變化趨勢

圖2(b)為黑河流域黑峪口站徑流量Mann-Kendall趨勢檢驗。取顯著性置信水平，則。由圖可知，黑峪口站月流量均為減少趨勢，且除了9月徑流量減少趨勢未通過顯著性檢驗外，其余月份均為顯著性減少。4月減少趨勢的幅度最大，9月減少趨勢的幅度最小，汛期(6-10月)減少趨勢的幅度小于非汛期。

2.2 徑流年際變化特征分析

為排除偶然因素的影響，通常使用平滑法分析處理數(shù)據(jù)。對黑峪口站66 a的年徑流系列采用3 a、5 a分析年際徑流變化特征，分析結果見圖3(a)。由圖可知，黑峪口站年徑流量整體呈減少趨勢，年徑流量以0.083×108m3/a的速率減少。采用MK法分析徑流變化規(guī)律。經(jīng)計算，年徑流量的Z值為-4.77，采用顯著性置信水平α=0.05檢驗，該站徑流量顯著減少。年徑流量最大值為1983年的12.31×108m3，最小值為2013年的1.09×108m3，兩者相差11.22×108m3，最大值是最小值的11.29倍，平均值為5.33×108m3，最小值是平均值的0.20倍，可以看出黑峪口站徑流量的年際變化較大。

(a)年際變化 (b)徑流距平圖3 黑峪口站徑流變化趨勢

圖3(b)為徑流距平圖，從結果看出：1964年之前，黑峪口站年徑流量呈增加趨勢；1964-1979年，呈現(xiàn)波動變化趨勢；1979-1990年，呈增加趨勢；1990年之后，呈減少趨勢。黑峪口站年徑流量出現(xiàn)3個拐點和4個階段的變化(增加-波動-增加-減小)。

2.3 徑流年代變化特征分析

圖4為黑峪口站年代徑流量Boxplot圖。從結果看，黑峪口站各年代平均值均大于中位數(shù)，表明徑流量多集中于均值以下部分。年代徑流量1980年最大，2010年最小。1950-1960年代徑流量均大于多年均值，徑流偏豐；1990-2010年均小于多年均值，徑流偏枯。1970-1980年呈增加趨勢，1950-1970年和1980-2010年均呈減少趨勢，且在1980-1990年減少最多。

圖4 黑峪口站徑流量年代變化分析

2.4 徑流突變分析

采用MK突變檢驗法分析黑峪口站年徑流量突變。取顯著水平α=0.05，查表得臨界值Uα/2=±1.96。圖5為黑峪口站年徑流量M-K突變曲線。從結果看出，該站1950-1965年UF>0，年徑流量上升趨勢。1965-2015年UF<0，年徑流量呈下降趨勢，其中1995-2015年通過了0.05顯著水平，為顯著性下降。年徑流量統(tǒng)計量曲線UF和UB在1992年相交于置信區(qū)間內(nèi)，表明黑峪口站徑流量在1992年發(fā)生了突變。

2.5 徑流序列R/S分析

圖6(a)為該站年徑流量R/S分析圖。從結果看出，該站年徑流量呈現(xiàn)明顯的線性關系。年、月徑流的相關系數(shù)均超過0.94，趨勢為線性關系。圖6(b)為該站年、月徑流H指數(shù)，從分析結果看出：年、月徑流H指數(shù)均超過0.5，與歷史正相關，即未來相同時間內(nèi)該站年、月徑流量將呈現(xiàn)減少趨勢。10月H指數(shù)最小，持續(xù)性最弱；1月H指數(shù)最大，持續(xù)性最強。汛期(6-10月)H指數(shù)小于非汛期，說明未來汛期徑流持續(xù)減少的趨勢要小于非汛期。

圖5 黑峪口站徑流量突變分析

(a)年際 (b)Hurst指數(shù)圖6 黑峪口站徑流量R/S分析

3 結語

(1)黑河黑峪口站徑流量年內(nèi)分配不均，主要集中在汛期(6-10月)，占全年徑流量的70%。年代徑流量多集中于小于均值的部分，1950-1960年代徑流量均大于多年均值，徑流偏豐；1990-2010年之間年代徑流量均小于多年均值，徑流偏枯。各年代徑流量增減交替，在1970-1980年代徑流呈增加趨勢，1950-1970年和1980-2010年呈減少趨勢，在1980-1990年減少最多。

(2)黑河黑峪口站的年和月徑流量均為減少趨勢，且除了9月徑流量減少趨勢未通過顯著性檢驗外，其余月份均為顯著性減少，汛期(6-10月)減少趨勢的幅度小于非汛期。黑峪口站的年和月徑流量Hurst指數(shù)均大于0.5，汛期徑流量Hurst指數(shù)整體上小于非汛期，表明黑峪口站年和月徑流量具有持續(xù)下降的趨勢，未來汛期徑流量持續(xù)性減少的趨勢要小于非汛期。

(3)黑河黑峪口站徑流量呈現(xiàn)增加-波動-增加-減小的變化過程，且存在1992年突變點。流域徑流量變化是由氣候變化和人類活動共同作用引起，氣候變化對徑流的影響主要為降水量和潛在蒸散量的增減，人類活動對徑流的影響主要為水利工程修建和取用水量的增減。后續(xù)研究將在本文基礎上深入分析各階段徑流變化的影響因素。