降水和下墊面對(duì)北峪河流域徑流影響的定量研究

楊亞軍

(甘肅省隴南水文站，甘肅 成縣 742500)

1 研究背景

氣候變化在過(guò)去幾十年內(nèi)對(duì)我國(guó)水文水資源產(chǎn)生了很大影響，近50年來(lái)甘肅省平均氣溫升高了1.1℃，河?xùn)|地區(qū)平均升高了0.9℃，河西平均升高了1.4℃，升溫幅度高于全國(guó)平均水平；甘肅省降水量逐年減少，平均每10年減少5.7mm[1]。王玉潔等[2]、李紫妍[3]、王少麗等[4]的研究表明，氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)是影響流域水文循環(huán)過(guò)程和水資源演變規(guī)律的驅(qū)動(dòng)因素，其帶來(lái)的水文效應(yīng)受到各國(guó)學(xué)者[5-6]的廣泛關(guān)注。在西北內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，處于干旱半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，降水徑流在逐年減少，尤其一些中小河流，由于年內(nèi)降水不均勻，導(dǎo)致河流斷流的情況經(jīng)常發(fā)生，給水文監(jiān)測(cè)及資料序列連續(xù)性等帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)。近幾年，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施的大力建設(shè)，給流域產(chǎn)匯流造成很大的影響，很多河流徑流量已經(jīng)不是天然徑流量，含有諸多影響因素。李彤等[7]的研究表明人類(lèi)活動(dòng)已經(jīng)成為影響河川徑流的主要驅(qū)動(dòng)因素。北峪河屬于西北半干旱區(qū)典型的小流域，地質(zhì)條件差，植被稀少，流域內(nèi)人類(lèi)活動(dòng)較頻繁，幾十年來(lái)，下墊面條件發(fā)生很大變化，對(duì)流域水文特性造成很大影響，主要表現(xiàn)在徑流量、輸沙量的變化方面，從而影響流域水資源規(guī)劃與管理。楊環(huán)等[8]采用小波分析、累積距平曲線與Mann-Kendall法對(duì)降水與徑流序列進(jìn)行趨勢(shì)分析，并對(duì)其影響因素采用雙累積曲線法和敏感性系數(shù)法作了定量分析。沙作菊等[9]根據(jù)北峪河流域的實(shí)測(cè)水文資料,分析了流域水沙的年內(nèi)和年際變化規(guī)律，結(jié)果表明：降水量、徑流量呈逐年減少趨勢(shì)，年內(nèi)分配極不均勻，主要集中在5—10月。哈文舸[10]通過(guò)分析計(jì)算北峪河流域水沙變化特征，為流域水土保持提供了重要的技術(shù)指導(dǎo)，對(duì)當(dāng)?shù)卦诜篮闇p災(zāi)方面發(fā)揮了巨大作用。曹紅武[11]利用水文、水利、氣象、水保、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、人口等統(tǒng)計(jì)資料,科學(xué)分析了北峪河小流域水資源特點(diǎn)。對(duì)北峪河流域水文特征變化研究的學(xué)者較多，在流域徑流影響成因上有很多研究，但多數(shù)學(xué)者在因素定量分析方面稍有欠缺，為了能更加準(zhǔn)確地掌握氣候變化、人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域徑流量的影響，本文在前述學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，采用北峪河馬街站的實(shí)測(cè)水文資料，分析降水量和下墊面變化對(duì)流域徑流量的影響。為當(dāng)?shù)卦谡莆蘸恿魈匦?、河湖管理、水資源優(yōu)化配置及監(jiān)管方面提供有力的數(shù)據(jù)支持及技術(shù)指導(dǎo)，也為以后水文測(cè)驗(yàn)工作提供主要的參考依據(jù)，對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、水利工程規(guī)劃建設(shè)，具有重要意義。

2 區(qū)域概況

北峪河位于甘肅省隴南市武都區(qū)境內(nèi)，屬白龍江一級(jí)支流，嘉陵江二級(jí)支流，發(fā)源于武都區(qū)魚(yú)龍鎮(zhèn)境內(nèi)的米倉(cāng)山，源地海拔3100m，流域總面積432km2；干流長(zhǎng)29km，流域平均比降18‰，于武都區(qū)西南匯入白龍江，流域平均寬度9.8km，屬山區(qū)性地貌。平均氣溫14.5℃,年均無(wú)霜期200天，年均降水量450mm。流域內(nèi)植被覆蓋率低，地質(zhì)多為黃土或砂土，水土流失嚴(yán)重[12-20]。北峪河流域氣候?qū)俑睙釒夂騾^(qū)，降水分布極不均勻，多集中在5—10月。北峪河下游設(shè)有馬街水文站，位于東經(jīng)104°57′22″，北緯33°27′53″，距離河口13km，積水面積278km2，占流域面積的65%，基本能控制流域水文情勢(shì)的變化。測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量、懸移質(zhì)泥沙、降水、蒸發(fā)等。

3 資料及方法

本次研究采用流域內(nèi)馬街水文站的實(shí)測(cè)降水量、徑流量等長(zhǎng)系列資料，資料系列為1956—2016年，資料系列有展延，資料在全國(guó)第三次水資源評(píng)價(jià)中得到很大程度的應(yīng)用，可靠度較高。資料系列包括流域內(nèi)安坪、馬街、安化及周邊雨量站甘泉、申家集的年降水資料；馬街站實(shí)測(cè)徑流資料。采用GIS軟件對(duì)降水量站資料做泰森多邊形計(jì)算，按照雨量站面積權(quán)重得出流域內(nèi)平均雨量，采用線性回歸法、時(shí)序累積值法(雙累積曲線)、Mann-Kendall秩次相關(guān)法(M-K)法對(duì)降水量、徑流量的變化趨勢(shì)及突變點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，以序列突變點(diǎn)以前序列為基準(zhǔn)期，采用斜率變化率法[21]對(duì)降水量和下墊面條件對(duì)徑流量的影響貢獻(xiàn)率進(jìn)行計(jì)算。

3.1 GIS泰森多邊形構(gòu)建方法

在地圖上將雨量站互相關(guān)聯(lián)，構(gòu)成n個(gè)三角形，形成邊長(zhǎng)重合的三角網(wǎng)，然后對(duì)每個(gè)三角形各邊做垂直平分線，用這些垂直平分線構(gòu)成以每個(gè)雨量站為中心的多邊形[22]。在此假設(shè)每個(gè)雨量站控制面積為多邊形的面積，則有面雨量計(jì)算公式：

P=(a1p1+a2p2+…+anpn)/A

(1)

式中：a1,a2,…,an為每一個(gè)雨量站的控制面積，km2；p1,p2,…,pn為個(gè)雨量站的同期降水量，mm，A為流域總面積，km2；P為流域平均降水量，mm。也可以將式(1)換算為

P=w1p1+w2p2+…+wnpn

(2)

式中：wi=ai/A為各雨量站控制面積與流域總面積的比值，又稱(chēng)為各雨量站的權(quán)重系數(shù)。

3.2 Mann-Kendall檢驗(yàn)法

Mann-Kendall檢驗(yàn)法簡(jiǎn)稱(chēng)M-K檢驗(yàn)法，是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法[22-23]，對(duì)于具有樣本容量的時(shí)間序列，構(gòu)造秩序列[1]，公式如下：

(3)

計(jì)算時(shí)假設(shè)時(shí)間序列獨(dú)立，構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量：

(4)

式中：UF1=0;E(Sk)是Sk的均值，Var(Sk)是方差，假設(shè)x1,x2,…,xn連續(xù)分布且相互獨(dú)立，構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量：

(5)

(6)

分析給出的UFk和UBk曲線圖，若UFk或UBk>0，則表明需序列呈上升趨勢(shì)，反之，則趨勢(shì)下降，超過(guò)臨界值時(shí)，趨勢(shì)顯著。當(dāng)超過(guò)顯著性臨界值時(shí)，說(shuō)明序列發(fā)生了突變。

3.3 累積斜率變化率法

王隨繼等[24]提出了累積斜率變化率法，在氣候變化、人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水文序列影響的定量分析中得到廣泛應(yīng)用。該法可用于定量評(píng)估人類(lèi)活動(dòng)與氣候變化對(duì)河川徑流的貢獻(xiàn)程度，計(jì)算原理是以序列突變前的水文序列為基準(zhǔn)期，將序列劃分為幾個(gè)突變后的序列，計(jì)算降水及人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流的貢獻(xiàn)量，構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量：

(SRa-SRb)/|SRb|

(7)

(Spa-Spb)/|Spb|

(8)

(9)

CH=100-Cp

(10)

式中，SRa為徑流量基準(zhǔn)期斜率；SRb為徑流發(fā)生突變后的斜率；Spa為降水量基準(zhǔn)期斜率；Spb為出現(xiàn)突變后序列的斜率。

4 流域降水量及徑流量變化特征

采用前述提到的GIS構(gòu)建泰森多邊形，采用式(1)計(jì)算流域多年平均降水量，得到1956—2016年的流域平均降水量序列，多年平均降水量為452mm，多年平均徑流深為63.58mm。用GIS計(jì)算的各雨量站控制面積及所占比例見(jiàn)表1。

表1 流域及周邊雨量站控制面積統(tǒng)計(jì)

點(diǎn)繪降水量及徑流深的年際變化曲線，見(jiàn)圖1和圖2。從圖中看出，流域平均降水量、天然徑流深均呈逐年減少趨勢(shì)。天然徑流深的減少趨勢(shì)較降水量大。從圖2可以看出，1997年以后，徑流深處于較穩(wěn)定狀態(tài)，該流域處于枯水期，流量較平穩(wěn)。1993年以后徑流深的減少趨勢(shì)比1992年以前明顯。為了分析降水量、徑流量的趨勢(shì)顯著性，進(jìn)一步使用M-K檢驗(yàn)得知，降水量U值為2.87，大于a=0.05顯著性水平的界值1.96，減少趨勢(shì)顯著；徑流量統(tǒng)計(jì)量U值為3.89，大于a=0.05顯著性水平的界值1.96，說(shuō)明減少趨勢(shì)顯著。

圖1 流域平均降水量變化曲線

圖2 流域天然徑流深變化曲線

氣候變化、下墊面條件的改變，導(dǎo)致徑流序列嚴(yán)重失真。繼續(xù)對(duì)上述序列采用M-K法進(jìn)行序列突變檢驗(yàn)，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖3～圖4。從圖3看出，降水量UF值在1956—1993年、2002—2005年、2007年、2011年均小于0，且在1956—1965年、1968年、1973年、1978年、1981年UF值均低于a=0.05顯著性水平的界值1.96，在這些時(shí)間段降水量出現(xiàn)顯著性減少趨勢(shì)。降水量序列在1976年、1984年、1986年、1987年、1993年等年份出現(xiàn)突變。

圖3 降水量M-K法檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)曲線

圖4 徑流量M-K法檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)曲線

從圖4得知，1956—1993年、2006—2012年徑流量UF值長(zhǎng)期低于0，且在1956—1969年、1971—1982年UF值低于a=0.05顯著性水平下的1.96，但在降水量序列發(fā)生突變的1976年、1984年、1986年、1987年，對(duì)徑流量序列未顯示出影響。不論是降水量還是徑流量，在1996年之前均顯示出上升趨勢(shì)。其中降水量在1956—1970年、1981—1984年、1989—1996年、2007—2009年、2011—2014年出現(xiàn)了上升趨勢(shì)，表明這些時(shí)間段內(nèi)，降水量由少變多；徑流量在1960—1969年、1976—1996年、2011—2017年出現(xiàn)上升趨勢(shì)，說(shuō)明徑流量呈增加趨勢(shì)?？梢钥闯觯邓颗c徑流量之間影響關(guān)系并不是很明顯，這就間接證明了下墊面條件變化對(duì)徑流量造成影響。

5 降水量和下墊面變化對(duì)徑流的影響分析

下墊面條件的變化程度表征著人類(lèi)活動(dòng)的頻繁與否，大量學(xué)者[26-31]的研究表明，經(jīng)濟(jì)建設(shè)的加快，導(dǎo)致下墊面條件大面積改變，主要發(fā)生在20世紀(jì)80年代初。對(duì)于西北地區(qū)落后山區(qū)，雖然在這一時(shí)期有些滯后，但在后期，人類(lèi)活動(dòng)逐年加劇，對(duì)徑流量的影響還是很大。采用M-K法檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)徑流在1993年出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。從《甘肅省第三次水資源評(píng)價(jià)成果》[25]來(lái)看，甘肅省大部分河川徑流轉(zhuǎn)折出現(xiàn)在1993年。這間接證明了甘肅省下墊面條件變化起步于1993年前后。點(diǎn)繪降水量、徑流量雙累積曲線，見(jiàn)圖5。從圖5中可知，序列在1993年出現(xiàn)明顯的突變點(diǎn)，1956—1992年間降水徑流的相關(guān)性較1993年后弱，但不是很明顯。將1993年后的降水量累積值代入1992年前的雙累積線性回歸方程中，重新計(jì)算出1993年后的徑流序列，對(duì)1993年后的徑流還原，序列值定義為R計(jì)算。點(diǎn)還原后的降水-徑流量雙累積曲線見(jiàn)圖6。用還原后的徑流量R計(jì)算減去還原前的徑流量R實(shí)測(cè)，就是降水和下墊面條件影響的徑流量。經(jīng)計(jì)算，在1993—2016年，徑流量累積變化了29.5億m3，平均每年減小1.4億m3，這個(gè)變化幅度對(duì)于西北干旱半干旱區(qū)中小河流是相當(dāng)大的，對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源量造成很大影響。

圖5 降水-徑流量雙累積曲線

圖6 點(diǎn)還原后的降水-徑流量雙累積曲線

為了進(jìn)一步定量分析降水量、下墊面變化對(duì)徑流量影響貢獻(xiàn)率，利用式(7)～式(10)計(jì)算。以1992年前的降水量、徑流量為基準(zhǔn)期，計(jì)算得累積降水量斜率變化率為0.129，累積徑流量斜率變化率為1.542，則降水量對(duì)徑流的影響貢獻(xiàn)率Cp值為8.36%，下墊面條件對(duì)徑流的影響貢獻(xiàn)率CH值為91.64%。按照前面計(jì)算的累積變化量，計(jì)算出降水量對(duì)徑流量的影響量為2.46億m3，下墊面的影響量為27.03億m3。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)采用GIS構(gòu)建泰森多邊形的方法，對(duì)北峪河流域年平均雨量做了加權(quán)計(jì)算，采用線性回歸法、時(shí)序累積值法(雙累積曲線法)、M-K檢驗(yàn)法對(duì)降水量、徑流量的變化趨勢(shì)及突變點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，采用累積斜率變化率法對(duì)降水量和下墊面對(duì)徑流的影響作了定量研究，主要得出以下結(jié)論：

a.北峪河流域降水量、徑流量整體上呈逐年遞減趨勢(shì)，徑流量減小趨勢(shì)較降水量顯著。徑流量在1997年后較平穩(wěn)，長(zhǎng)期處于枯水期。

b.以1956—1992年為基準(zhǔn)期，計(jì)算了1993年后降水量、下墊面對(duì)徑流量的影響程度。1993年后，該流域徑流量累計(jì)減少29.5億m3，平均每年減少1.4億m3。其中，降水量對(duì)徑流量的影響貢獻(xiàn)率為8.36%，影響量為2.46億m3；下墊面對(duì)徑流量的影響貢獻(xiàn)率為91.64%，影響量為27.03億m3。

c.受限于資料系列、方法的不足，本文在定量分析方面還稍有欠缺。建議在以后的水文測(cè)驗(yàn)中，增加輸沙量測(cè)驗(yàn)等對(duì)徑流有影響的項(xiàng)目，再繼續(xù)加以分析。