西遼河流域典型河流徑流變化趨勢(shì)及突變分析

張宇　吳計(jì)生　劉洪超　杜俊鵬　王九九

［關(guān)鍵詞］徑流特征；Mann-Kendall檢驗(yàn)法；變化趨勢(shì)；突變分析；西遼河流域

［摘要］分析河川徑流的變化規(guī)律對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)生態(tài)發(fā)展具有重要意義。應(yīng)用線性趨勢(shì)分析法、累積距平曲線法和Mann-Kendall檢驗(yàn)法開(kāi)展西遼河流域典型河流徑流變化趨勢(shì)及突變分析，結(jié)果表明：西遼河流域典型河流徑流的空間分布具有明顯的地區(qū)性差異，干流來(lái)水以西拉木倫河為主；徑流時(shí)間序列具有趨勢(shì)性及突變性，北源西拉木倫河、南源老哈河、西遼河干流及其主要支流烏力吉木仁河年徑流量均呈下降趨勢(shì)，出現(xiàn)變化的拐點(diǎn)時(shí)間分別為2000、1975、2013、2004年;流域多年平均水資源總量1980—2016年較1956—2016年減少近5.60%，主要原因?yàn)樯絽^(qū)地下水開(kāi)采襲奪地表水、降水減少及下墊面改變;另外，2021年度洪水流量過(guò)程線分析表明，通過(guò)實(shí)施水利工程聯(lián)合調(diào)度，洪水在傳播過(guò)程中經(jīng)河道調(diào)蓄及沿程滲漏，洪峰及洪量沿程削減嚴(yán)重，但隨著河道下墊面含水量的不斷提升，洪量沿程衰減量將逐漸減少。

［中圖分類(lèi)號(hào)］ TV121［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1000－0941（2023）08－0043－05

河川徑流是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，也是水量平衡的基本要素。河川徑流的變化趨勢(shì)及突變集中反映了一個(gè)區(qū)域的自然地理特征和人為影響程度?？茖W(xué)評(píng)估河川徑流對(duì)氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的敏感程度，對(duì)有效調(diào)控人類(lèi)活動(dòng)和科學(xué)管理人類(lèi)水文干擾行為具有重要意義。西遼河流域是我國(guó)重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，近年來(lái)，流域水資源供需矛盾日益尖銳，生態(tài)用水面臨較大壓力。為落實(shí)內(nèi)蒙古西遼河流域量水而行、以水定需的發(fā)展戰(zhàn)略，本研究探究了西遼河流域典型河流徑流演變規(guī)律，并研判了其變化原因。

國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)不同區(qū)域不同類(lèi)型的河川徑流變化趨勢(shì)開(kāi)展了研究，有的按徑流時(shí)段特征，即日、月、季、年等不同時(shí)間尺度；有的按河川所在區(qū)域氣候類(lèi)型特征，即濕潤(rùn)區(qū)、半干旱區(qū)、干旱區(qū)、高寒區(qū)等；有的按研究方法，即滑動(dòng)平均法、時(shí)間序列分析法、歸因分析法、拐點(diǎn)分析法等[1]。本研究基于西遼河流域典型河流主要水文站實(shí)測(cè)徑流系列，對(duì)其徑流變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，同時(shí)運(yùn)用Mann-Kendall檢驗(yàn)法，對(duì)年徑流量時(shí)間序列進(jìn)行突變分析，以助于了解西遼河流域典型河流水生態(tài)環(huán)境狀況、存在的主要問(wèn)題及其成因，為恢復(fù)河湖生態(tài)環(huán)境、合理解決上下游地區(qū)之間的用水矛盾提供支撐。

1研究區(qū)概況

西遼河為遼河干流右岸的一級(jí)支流，位于我國(guó)東北地區(qū)西南部，行政區(qū)劃涉及河北省、遼寧省、內(nèi)蒙古自治區(qū)和吉林省，長(zhǎng)829 km，流域面積13.83萬(wàn)km2。依據(jù)西遼河干支流特點(diǎn)和現(xiàn)階段西遼河流域水資源管理要求，本研究選取流域面積在1萬(wàn)km2以上的4條典型河流作為分析對(duì)象，即北源西拉木倫河、南源老哈河、西遼河干流及其主要支流烏力吉木仁河。

2數(shù)據(jù)來(lái)源

選取西拉木倫河巴林橋（三）、臺(tái)河口（西五），老哈河甸子（二），烏力吉木仁河梅林廟（二）和西遼河干流鄭家屯（六）5個(gè)典型水文站實(shí)測(cè)徑流系列，資料來(lái)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)第三次全國(guó)水資源調(diào)查評(píng)價(jià)成果及遼河流域水文年鑒。

3研究方法

年徑流量時(shí)間序列具有趨勢(shì)性和突變性特點(diǎn)[2]，本研究運(yùn)用線性趨勢(shì)分析法及累積距平曲線法對(duì)西遼河流域典型河流60多a徑流量時(shí)間序列的趨勢(shì)性進(jìn)行分析，再結(jié)合Mann-Kendall檢驗(yàn)法進(jìn)行年徑流量突變年份檢驗(yàn)，并探討流域降水量與人類(lèi)活動(dòng)對(duì)西遼河流域河川徑流變化的影響。

3.1距平及累積距平

一組數(shù)據(jù)的某一個(gè)數(shù)xi與均值x之間的差就是距平，即xi－x。累積距平是一種常用的由曲線直觀判斷數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)的方法，對(duì)于序列x某一時(shí)刻t的累積距平表示為

將n個(gè)時(shí)刻的累積距平全部算出，即可繪出累積距平曲線進(jìn)行趨勢(shì)分析[3]。

3.2Mann-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。在M-K檢驗(yàn)中，原假設(shè)H0為時(shí)間序列數(shù)據(jù)（x1，x2，…，xn），是n個(gè)獨(dú)立、隨機(jī)變量分布的樣本；備選假設(shè)H1是雙邊檢驗(yàn)，對(duì)于所有的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，當(dāng)i，j≤n，且i≠j時(shí)，xi和xj的分布是不同的，檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量S為

在雙邊趨勢(shì)檢驗(yàn)中，若給定Z一個(gè)顯著性水平α，則Z1－α/2的值在正態(tài)分布表中可以查出。當(dāng)Z>Z1－α/2時(shí)，說(shuō)明這個(gè)時(shí)間序列在給定的顯著性水平α下，其變化趨勢(shì)是顯著的[4]。本研究α取0.05，對(duì)應(yīng)的信度水平為±1.96。

4徑流變化特征分析

4.1趨勢(shì)性分析

西遼河流域典型河流徑流變化的總趨勢(shì)采用線性趨勢(shì)分析法及累積距平曲線法進(jìn)行分析，其主要水文站年徑流量變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1，年徑流量累積距平曲線（左）和距平值（右）見(jiàn)圖2。

由圖1、圖2可知：

1）從巴林橋（三）和臺(tái)河口（西五）水文站的年徑流量變化趨勢(shì)可以看出，60多a間西拉木倫河年徑流量總體上呈下降趨勢(shì)，且降幅明顯；從距平值和累積距平曲線來(lái)看，巴林橋（三）和臺(tái)河口（西五）水文站的年徑流量變化規(guī)律基本一致，在豐枯周期變化上，臺(tái)河口（西五）除20世紀(jì)七八十年代年徑流量變化出現(xiàn)小范圍波動(dòng)外，總體上西拉木倫河經(jīng)歷了明顯的豐水期（距平值為正）后進(jìn)入連續(xù)的枯水期（距平值為負(fù)），且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)（自2000年持續(xù)至今），可能與天然來(lái)水減少及水資源的不合理開(kāi)發(fā)利用有關(guān)。

2）甸子（二）水文站位于老哈河上游，除20世紀(jì)五六十年代水量相對(duì)較為豐沛外，自20世紀(jì)80年代至今年徑流量雖稍有波動(dòng)，但總體呈持續(xù)下降態(tài)勢(shì)，除受天然來(lái)水減少的影響外，還受農(nóng)業(yè)灌溉及支流黑里河水利工程設(shè)施建設(shè)的影響。

3）烏力吉木仁河梅林廟（二）水文站和西遼河干流下游鄭家屯（六）水文站的年徑流量變化相對(duì)劇烈，波動(dòng)明顯。在豐枯周期變化上，梅林廟（二）在20世紀(jì)70年代經(jīng)歷了明顯的枯水期后進(jìn)入下一個(gè)豐水期，之后自2000年至今進(jìn)入連續(xù)的枯水期。其中1998年的洪水對(duì)梅林廟（二）及鄭家屯（六）徑流貢獻(xiàn)很大，資料[5]顯示，1998年8月洪水通過(guò)梅林廟（二）水文站時(shí)的洪水總量為12.78億m3。鄭家屯（六）水文站受烏力吉木仁河匯入影響，豐枯周期變化上同樣較為明顯，統(tǒng)計(jì)年間經(jīng)歷了2次豐枯周期，自2000年后進(jìn)入連續(xù)的枯水期，期間大部分時(shí)間處于斷流狀態(tài)。

4.2突變性分析

采用M-K檢驗(yàn)法分析西遼河流域典型河流主要水文站年徑流量變化，并將計(jì)算結(jié)果繪制成曲線，見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，西遼河流域典型河流主要水文站年徑流量總體呈顯著減少趨勢(shì)。以巴林橋（三）水文站為例，過(guò)去60多a西拉木倫河年徑流量整體呈下降的趨勢(shì)，通過(guò)了α=0.05置信檢驗(yàn)，突變是顯著的。在兩條信度線之間，UF、UB曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為突變開(kāi)始的時(shí)間，即1999年，這一結(jié)論也通過(guò)了上述年徑流量累積距平曲線分析的檢驗(yàn)。總體來(lái)看，巴林橋（三）與臺(tái)河口（西五）水文站基本反映西拉木倫河年徑流量減少拐點(diǎn)時(shí)間為2000年前后，甸子（二）水文站反映老哈河上游年徑流量減少拐點(diǎn)時(shí)間為1975年前后，梅林廟（二）水文站反映烏力吉木仁河年徑流量減少拐點(diǎn)時(shí)間為2013年，鄭家屯（六）水文站反映西遼河干流下游年徑流量減少拐點(diǎn)時(shí)間為2004年。

5徑流對(duì)流域降水量及人類(lèi)活動(dòng)的響應(yīng)

5.1對(duì)流域降水量的響應(yīng)

從西遼河流域歷年降水量變化情況（見(jiàn)圖4）可以看出，流域內(nèi)年降水量波動(dòng)幅度較大，最少年份2009年僅為268.8 mm，最多年份1998年為531.3 mm，相差近1倍。60多a間流域內(nèi)年降水量呈略微下降的趨勢(shì)，下降幅度不大（-1.7 mm/10 a）。20世紀(jì)80年代和90年代中期兩時(shí)段降水較為豐沛，2000年以來(lái)，除個(gè)別年份（2010、2012、2016、2021年）降水較多外，其余年份降水偏少。流域1980—2016年37 a系列多年平均水資源總量比1956—2016年61 a系列減少了近5.60%，主要是山區(qū)地下水開(kāi)采襲奪地表水、降水減少及下墊面改變所致。

5.2對(duì)人類(lèi)活動(dòng)的響應(yīng)

5.2.1水量調(diào)度情況

2021年3月26日（春汛期3—4月），內(nèi)蒙古自治區(qū)對(duì)西遼河實(shí)施2021年第一次水量調(diào)度，下達(dá)了西遼河水量調(diào)度指令：海日蘇灌區(qū)引水流量不超過(guò)12 m3/s，孟家段水庫(kù)引水流量不超過(guò)10 m3/s，其他取水口實(shí)行全線閉口、集中下泄，保障西遼河干流下游過(guò)水，力爭(zhēng)莫力廟水庫(kù)進(jìn)水。2021年8月9日（汛期7—8月），干涸了20多a的莫力廟水庫(kù)進(jìn)水閘，首次通過(guò)人工調(diào)度進(jìn)水182.6萬(wàn)m3。同時(shí)，內(nèi)蒙古自治區(qū)水利廳充分利用“引烏入通”工程，聯(lián)合調(diào)度西拉木倫河和烏力吉木仁河，2021年成功將水引入莫力廟水庫(kù)，實(shí)現(xiàn)全年生態(tài)補(bǔ)水1 506.06萬(wàn)m3。

5.2.2控制節(jié)點(diǎn)洪峰流量沿程變化趨勢(shì)分析

根據(jù)西遼河2021年水量調(diào)度情況，選擇西拉木倫河的海日蘇、臺(tái)河口（西五），西遼河干流的總辦窩堡（莫二）、通遼（五）和鄭家屯（六）等水文站，作為本次洪峰流量沿程變化趨勢(shì)分析的控制節(jié)點(diǎn)。春汛期整個(gè)洪峰過(guò)程持續(xù)了近20 d，2021年3月26日水量調(diào)度后，各控制節(jié)點(diǎn)洪峰流量沿程變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5（a）。由圖5（a）知，海日蘇控制斷面最大洪峰流量出現(xiàn)時(shí)間為2021年3月28日（51.5 m3/s），臺(tái)河口（西五）控制斷面最大洪峰流量出現(xiàn)時(shí)間為2021年3月29日（7.74 m3/s），此次水頭未到達(dá)總辦窩堡（莫二）、通遼（五）和鄭家屯（六）控制斷面。

汛期各控制節(jié)點(diǎn)洪峰流量沿程變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5（b）。由圖5（b）知，海日蘇控制斷面最大洪峰流量出現(xiàn)時(shí)間為2021年7月26日（98.9 m3/s），臺(tái)河口（西五）控制斷面最大洪峰流量出現(xiàn)時(shí)間為2021年7月26日（94.7 m3/s），而后兩斷面洪峰流量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致，但臺(tái)河口（西五）控制斷面最大洪峰流量存在一定的滯后性，滯后期1 d；總辦窩堡（莫二）控制斷面實(shí)現(xiàn)來(lái)水，兩次洪峰最大流量分別出現(xiàn)在2021年8月6日（8.04 m3/s）和2021年8月28日（8.38 m3/s）；此次水頭未到達(dá)通遼（五）控制斷面；鄭家屯（六）控制斷面來(lái)水與烏力吉木仁河有關(guān)。

綜上，洪水在傳播過(guò)程中經(jīng)過(guò)河道調(diào)蓄及沿程滲漏，會(huì)發(fā)生“坦化”，洪峰被削減，洪量沿程衰減嚴(yán)重，但隨著河道下墊面含水量的不斷提高，洪量沿程衰減量將逐漸減少。西遼河支流老哈河無(wú)水匯入，烏力吉木仁河汛期有水匯入西遼河干流，西遼河干流水量主要來(lái)自西拉木倫河。

6結(jié)論

1）西遼河流域典型河流徑流的空間分布具有明顯的地區(qū)性差異，干流來(lái)水以西拉木倫河為主，主要水文站巴林橋（三）、臺(tái)河口（西五）、甸子（二）、梅林廟（二）及鄭家屯（六）年徑流量在統(tǒng)計(jì)年間整體呈減少趨勢(shì)。

2）年徑流量時(shí)間序列具有趨勢(shì)性及突變性，北源西拉木倫河、南源老哈河、西遼河干流及其主要支流烏力吉木仁河年徑流量減少拐點(diǎn)時(shí)間分別為2000、1975、2013、2004年。

3）流域內(nèi)年降水量呈略微下降的趨勢(shì)，下降幅度不大（－1.7 mm/10 a）。流域多年平均水資源總量1980—2016年較1956—2016年減少近5.60%，主要原因?yàn)樯絽^(qū)地下水開(kāi)采襲奪地表水、降水量減少及下墊面改變。

4）通過(guò)實(shí)施水利工程聯(lián)合調(diào)度，洪水在傳播過(guò)程中經(jīng)河道調(diào)蓄及沿程滲漏，洪峰及洪量沿程削減嚴(yán)重，但隨著河道下墊面含水量的不斷提升，洪量沿程衰減量將逐漸減少。

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收稿日期： 2022-12-29

第一作者： 張宇（1989—），男，吉林通化人，高級(jí)工程師，博士，主要從事水環(huán)境治理與水生態(tài)修復(fù)工作。

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（責(zé)任編輯張緒蘭）