北洛河流域徑流變化特征分析

王 囡

（陜西水環(huán)境工程勘測設(shè)計研究院,陜西 西安 710018）

0 引言

全球變暖導致降水發(fā)生明顯變化,極端氣候事件發(fā)生頻率明顯增加[1]。正確認識變化環(huán)境下降水及徑流的演變規(guī)律,受到水科學界的廣泛關(guān)注。近年來,關(guān)于流域徑流變化特征及其歸因分析的相關(guān)研究越來越多[2-4]。比如,馬瑞婷[2]等以秦嶺北麓典型流域為研究對象,采用M-K檢驗法和有序聚類分析法,闡述了該地區(qū)1955年～2010年的年徑流變化特征和年徑流序列突變特性。郭巧玲[3]等應(yīng)用M-K秩相關(guān)系數(shù)、R/S分析、降水徑流雙累積曲線法等多種數(shù)值模型方法,分析了窟野河徑流變化特征及規(guī)律,探討了影響徑流變化的相關(guān)因素。研究發(fā)現(xiàn)人類活動增加的是影響窟野河徑流量下降的最大因素。北洛河作為渭河第二大支流,承載著流域內(nèi)脆弱的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟社會發(fā)展。因此,研究徑流變化特征和影響因素,促使人們清晰認識北洛河流域的降水徑態(tài)勢,為北洛河流域水資源的開發(fā)利用、統(tǒng)籌安排等提供依據(jù)。

本文根據(jù)北洛河流域1961年～2015年降水和徑流數(shù)據(jù),采用M-K非參數(shù)檢驗法和雙累積曲線法得到北洛河流域徑流量的突變年和基準期年,探討人類活動因素及氣候變化因素對區(qū)域徑流變化的影響程度。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域

北洛河為渭河第二大支流,發(fā)源于白于山南麓,河長680 km,流域面積2.69萬km2。流域地處黃河中游地區(qū),地形地貌復雜,屬大陸性季風氣候,年平均降水量510 mm～560 mm。降水與徑流年際變化大,年內(nèi)分配不均,降水和徑流主要集中于7月～10月,降水占全年的50%～70%,徑流占全年的61%左右。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文收集整理北洛河流域1960年～2015年間的降雨徑流數(shù)據(jù),其中徑流數(shù)據(jù)來源于歷年水文年鑒數(shù)據(jù),降水數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心。數(shù)據(jù)資料從來源、測驗和整編方法等方面都是可靠的。

1.3 研究方法

（1）Mann-Kendall檢驗

Mann-Kendall檢驗法是水文氣象常用的突變點檢驗法,該方法通過時間序列X（共含n個子序列）構(gòu)造一個統(tǒng)計變量：

式中：

在時間序列為隨機的假設(shè)下,定義統(tǒng)計量：

UFk為標準正態(tài)分布,UBk是時間序列X的逆序 （xn,xn-1,…,x-1）,重復上述過程。若UFk曲線和UBk曲線的交點出現(xiàn)在臨界線范圍內(nèi),突變點則為此交點對應(yīng)的時刻。

（2）雙累積曲線法

雙累積曲線法通過繪制年降水-徑流的雙累積曲線圖,找到兩者關(guān)系的突變點,具體是將首個突變點以前時段確定為基準期。建立以基準期時段內(nèi)年累積降水量為自變量,以年累積徑流深為因變量的線性函數(shù)R=b+aY,將突變點后年累積降水量作為代入值,通過此線性函數(shù)可計算出基準期外的年累積徑流深,進一步求得年徑流深。采用雙累積曲線確定氣候變化和人類活動對徑流影響的貢獻率。兩者對徑流影響的貢獻率計算公式如下：

式中：ΔR為徑流變化量；R1為基準期天然徑流深；R'1為突變后實測徑流深；ΔR1為人類活動對徑流的影響量；ΔR2為氣候變化對徑流的影響量；R'2為突變后的模擬徑流深；η1、η2分別為人類活動和氣候變化對徑流變化的貢獻率。

2 結(jié)果與分析

2.1 北洛河流域降水徑流變化特點

由統(tǒng)計資料計算北洛河流域1961年～2015年降水量特征值,見表1。

表1 北洛河流域降水量年際變化

結(jié)果表明,最大降水量為841.84 mm,為最小降水量的2.14倍,最小降水量為392.57 mm,為多年降雨量均值的0.7倍,說明北洛河流域降水的年際變化較大,豐枯懸殊,降水時空分布不均。

根據(jù)北洛河流域狀頭站1961年～2015 年徑流資料,計算狀頭站徑流量特征值,見表2。

表2 北洛河徑流年際變化

由表2可知,最大年徑流量是最小的5.40倍,最小年徑流量僅是多年平均的0.47倍,可以得出狀頭水文站控制斷面徑流的年際變化較大,豐枯懸殊。

2.2 北洛河流域徑流突變點分析

采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗方法對徑流量突變點進行分析,如圖1所示,檢驗所得突變點為1998年,|Z|=|-3.578|＞U0.01/2=2.576,通過了置信度為99%的顯著性檢驗。

圖1 北洛河流域徑流量突變分析

根據(jù)北洛河流域降水和徑流時間序列繪制降水徑流雙累計曲線圖,見圖1。其中1961年～1969、1970年～1974、1975年～1997、1998年～2002、2003年～2015年,累積降水與累積徑流量線性變化的相關(guān)系數(shù)分別為0.9964、0.99688、0.99912、0.99973、0.99557。根據(jù)降水～徑流量雙累積曲線圖,得到突變點對應(yīng)的時間分別是1970年、1974年、1998年和2003年,各個分突變區(qū)間內(nèi)線性關(guān)系的相關(guān)度均在0.9以上。綜合分析兩種方法的結(jié)果,得到狀頭站突變點為1970年和1998年,確定1961年～1969年為北洛河流域的基準期年。

2.3 北洛河流域徑流變化影響因素分析

突變點分析表明北洛河流域年徑流量的存在多個突變點,本文以突變年份1970年為準,將渭河支流北洛河流域徑流基準年定為1961年～1969年,用另外幾個突變點劃分時間序列,為4個時段（1970～1974、1975～1997、1998～2002、2003～2015）。根據(jù)雙累計曲線法的具體計算步驟,得到擬合函數(shù)為y=0.07177 x-21.93（y為年累積降水量,x為年累計徑流深）,相關(guān)系數(shù)R=0.99,將上述四個時段上的年累積降水代入線性函數(shù)中,得到模擬徑流量值,進一步通過徑流還原法計算人類活動和氣候變化對徑流變化的影響量和貢獻率,結(jié)果見表3。

表3 氣候變化和人類活動對北洛河流域徑流量變化的貢獻率

由表3可知：北洛河流域徑流變化是人類活動和氣候變化共同作用的結(jié)果,且人類活動對徑流量的影響所占比重較大。1961年～1969年間的平均降水量和平均徑流量較1970年～1974年相差較大,是豐水年向枯水年的轉(zhuǎn)變。相對于基準期天然徑流量而言,模擬徑流量自1969年后有減小態(tài)勢,這說明一定程度上是由于氣候要素變化引起的,1970年～1974年、1975年～1997年、1998年～2002年、2003年～2015年分別減少4.55 mm、1.66 mm、2.73 mm、0.63 mm,其貢獻率分別為29.59%、25.21%、16.47%、3.47%。1970年以來的實測徑流量較模擬徑流量的減少程度也很明顯,1970年～1974年、1975年～1997年、1998年～2002年、2003年～2015年分別減少10.82 mm、4.92 mm、13.74 mm、17.59 mm,其貢獻率分別為70.41%、74.79%、83.43%、96.53%。從多年均值的角度分析,1961年～2015年間人類活動及氣候變化使徑流量平均減小14.16 mm,模擬徑流量和實測徑流量較基準期天然徑流量分別減少2.39 mm、11.77 mm,人類活動使徑流明顯減少,其貢獻率到達81.29%。近幾十年來,北洛河流域人類活動頻繁,由大躍進時期的毀林墾荒到當前的修建梯田、退耕還林、護林育林、修建庫壩和能源化工、城鎮(zhèn)化快速發(fā)展使水資源的大量使用,影響徑流量的程度日益加深,其中,流域僅陜西境內(nèi)已建成的水庫有40余座,大量的工業(yè)用水,擠占了生態(tài)環(huán)境用水,導致下游斷流嚴重,水環(huán)境污染加劇。

3 結(jié)論

（1）北洛河流域降水量及徑流量在研究時間段內(nèi)均呈下降趨勢,且1970年以前北洛河流域降水量和徑流量的增減趨勢幾乎一致,1970年以后兩者相互關(guān)系不再明顯。北洛河流域的年際變化較大,最大年降水量為841.84 mm,最小年降水量為392.57 mm,最大年降水量是最小年徑流量的2.14倍,最大年徑流量為20.13億m3,最小年徑流量為3.73億m3,最大年徑流量是最小年徑流量的5.4倍,豐枯懸殊,水資源分布不均衡。北洛河流域最大年降水量出現(xiàn)年份和最大年徑流量出現(xiàn)年份均為1964年。

（2）通過Mann-Kendall非參數(shù)檢驗方法及雙累積曲線法,可得到北洛河流域徑流突變節(jié)點時間為1970年、1998年、基準期為1961年～1969年。在1961年～2015年間,氣候變化對徑流量的影響呈逐時段減少趨勢,其中2003年～2015年間氣候變化對徑流變化的貢獻率僅為3.47%。人類活動和氣候變化導致徑流減小量均值分別為14.16 mm、2.39 mm,人類活動對徑流量的影響程度是氣候變化的6 倍。

（3）北洛河流域徑流減少的主要原因是人類活動,次要原因是氣候變化。退耕還林、水土保持、修建庫壩和能源化工、城鎮(zhèn)化快速發(fā)展等是人類活動影響徑流變化的主要方面。基于本文的后期研究中,可結(jié)合“數(shù)字-信息-流域”時代特征優(yōu)勢,探索開發(fā)北洛河流域三維可視化水資源信息管理平臺,打破傳統(tǒng)信息難以交互的壁壘,通過信息管理系統(tǒng),實現(xiàn)降水和徑流等數(shù)據(jù)的高效組織和管理,為管理部門對流域內(nèi)信息的全面把控和出臺一系列操作性措施提供科學依據(jù)。