強文博

0 引言

榆林市地屬干旱、半干旱大陸性季風氣候區(qū)，氣候干燥，蒸發(fā)強烈，降水較少[1]。榆林市年平均降水量為405 mm，僅為全省平均降雨量的59%，且降水分布不均，風沙區(qū)一般在325～425 mm之間，丘陵區(qū)在400～500 mm之間[2]。市內多年平均水面蒸發(fā)量為1211 mm，約為降水量的三倍，陸面蒸發(fā)量為342.6 mm，多年平均氣溫為10.7℃左右[3]。

榆林市境內河流主要有黃河水系和全省唯一的內陸水系。黃河為晉陜界河，從府谷入陜西省，流經府谷、神木、佳縣、吳堡、綏德、清澗6縣，共270 km。集水面積在100 km2以上的河流共有109條，較為有代表性的為“四河四川”：無定河、窟野河、禿尾河、佳蘆河、皇甫川、清水川、孤山川、石馬川[4]。無定河為全市最大河流，發(fā)源于定邊縣長春梁東麓，流經定邊、靖邊、橫山、榆陽、米脂、綏德、清澗7縣（區(qū)），流域面積30261 km2，較大的支流有大理河、淮寧河、榆溪河、蘆河[5]。清澗河、延河、洛河及涇河上游支流流出榆林市境外，進入延安地區(qū)。內陸水系流域面積較大的有八里河和紅堿淖。八里河是陜西省最大的內陸河，發(fā)源于定邊縣東南白于山地，消失于東部石洞溝鄉(xiāng)，河流長約51 km，流域面積1374 km2[6]。紅堿淖是陜西省最大的內陸湖泊，湖面總面積50.3 km2，總蓄水量10億 m3，由蟒蓋河、齊蓋素河、爾林兔河、前廟河等12條河流注入[7]。除此之外，北部風沙區(qū)還分布有大小不等的海子200多個，水面達120 km2。

由于黃土高原地區(qū)特殊的地形地貌、植被覆蓋以及水文地質條件，地表水與地下水交互強烈，表現(xiàn)出在時間和空間上的復雜性。區(qū)域降水與徑流的相關性較差，使得在水文分析中常用的降雨徑流變化趨勢法在黃土高原地區(qū)應用起來難度較大，且準確性無法保證。因此，本次研究擬采用回歸分析法和Mann-kendall趨勢檢驗法[8]研究榆林地區(qū)的降水量和徑流量的演化規(guī)律，并對兩者的相關關系及產匯流機制進行討論。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 Mann-Kendall趨勢檢驗法

Mann-Kendall（MK）法是由Mann（1945）和Kendall（1975）提出的一種重要的用于時間序列的非參數(shù)趨勢檢驗的方法[8]，由于該方法不需要待檢序列服從某一概率分布，且不受少數(shù)異常值干擾，克服了水文數(shù)據(jù)偏態(tài)、非同分布、有異常值等問題，因而該檢驗方法在水文統(tǒng)計領域應用較廣[9]。MK方法具體原理如下[10]：

假設 X1，2，…n為時間序列變量，n 為時間序列的長度，其統(tǒng)計量S按下式計算：

其中：Xj和Xk為時間序列相應年份數(shù)據(jù)；n為時間序列長度；sgn（Xj-Xi）為符號函數(shù)。

當n≥10時，統(tǒng)計量S近似服從正態(tài)分布，其期望和方差分別為：

按照下式可構造標準化的檢驗統(tǒng)計量：

服從標準正態(tài)分布，當時，存在上升的趨勢，當時，存在下降的趨勢。

1.2 數(shù)據(jù)來源

為了系統(tǒng)分析榆林地區(qū)的降水徑流關系及其產匯流機制，選取無定河（趙石窯站）、窟野河（王道恒塔、神木、溫家川站）、禿尾河（高家堡、高家川站）、大理河（青陽岔）、小理河（李家河站）、黑木頭川（殿市站）、佳蘆河（申家灣站）、馬湖峪河（馬湖峪站）、皇甫川（皇甫站）、清水川（清水站）、孤山川（高石崖站）、黃河（吳堡站）共15個水文站點降雨及徑流數(shù)據(jù)作為本次的研究對象。

（1）降水資料

在中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網中查找到了榆林市及周邊地區(qū)共217個站點降雨量的觀測資料，其中各站的時間序列長短不同，最早的觀測年為1951年。根據(jù)觀測資料，應用泰森多邊形法[11]對不同水文站控制區(qū)域的面降雨量進行推求，得到15個水文站點的面降雨量。

（2）徑流資料

由于本文所選研究區(qū)域內15個水文站點均屬黃委會管轄，故其徑流數(shù)據(jù)均采用黃委水文局匯編的《黃河流域水文資料》，代表性和可靠性滿足應用要求。

2 降雨量演變規(guī)律分析

對15個水文站點的面降雨量進行統(tǒng)計分析，結果見圖1。從各站面降水量的年際變化曲線及其趨勢線可以得出，各站點的年際面降水量趨勢變化并不相同。殿市站面降水量存在小幅增加趨勢，馬湖峪站保持平穩(wěn)，其他站點表現(xiàn)出不同程度的縮減趨勢。

圖1 各水文站面降雨量年際變化

根據(jù)Mann-Kendall的趨勢檢驗結果（如表1所示），不難發(fā)現(xiàn)其與圖1所展現(xiàn)結果基本保持一致。除殿市、馬湖峪水文站面降水量略有增加趨勢外，其他各站點皆呈現(xiàn)出下降趨勢，其中榆林北部地區(qū)的高家堡、王道恒塔、神木、高家川、高石崖及溫家川站點下降趨勢相對更為顯著。

表1 各水文站面降雨量Mann-Kendall趨勢檢驗結果

3 實測徑流序列的演變規(guī)律

將15個水文站點的實測徑流量點繪于圖2中，得到不同水文站點的實測徑流量的年際變化曲線。由各站點的徑流年際變化圖可看出整個榆林地區(qū)的實測年徑流均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。

圖2 各水文站點徑流量年際變化

4 降雨徑流關系分析

為進一步分析榆林地區(qū)各水文站點的降雨-徑流關系，本文點繪了各站點的面降水量與實測徑流量（扣除含沙量，即清水徑流量）的相關曲線，如圖3所示。由圖3可知，榆林地區(qū)的降水-徑流關系并不理想，相關關系較差。

圖3 各站面降水量與實測徑流量的相關曲線

5 榆林地區(qū)產匯流機制分析

降水-徑流關系的分析結果表明，各站面降水量與實測徑流量關系呈現(xiàn)非穩(wěn)定狀態(tài)，且相關關系不佳，在水文設計中，難以直接采用。因此，對榆林地區(qū)進行產匯流的機理分析十分必要。

從榆林地區(qū)河川徑流的補給來源看，榆林地區(qū)的河川徑流主要來自于地表產流和地下水補給（即基流）。

地表產流量，即為降水扣除初損、蒸發(fā)、入滲以后的地表產流量。從地貌上看，榆林地區(qū)大體可分為風沙區(qū)和黃土區(qū)，風沙區(qū)降水入滲量大，入滲速度快，地表產流小，且實際蒸發(fā)損失較少。黃土區(qū)包氣帶較厚，降水產流原理大部分地區(qū)為超滲產流，相比風沙區(qū)地表產流量大，且實際蒸發(fā)消耗也較大。

地下水補給量，包括三部分。①降水入滲量，轉化為地下徑流，并經過地下水系統(tǒng)調蓄后，補給到河流中，其中汛期7～8月份的降水入滲量會在10～11月補給至河流，時滯大概為2～3個月；②融雪補給量，榆林地區(qū)通常11月底-12月上旬進入結冰期，次年3月解凍，由于榆林地區(qū)風速較大，地表基本無積雪，故解凍期融雪主要通過地下水徑流補給至河川徑流，通常會在3～4月形成桃汛。③外區(qū)側向補給量，由于榆林地區(qū)地表水邊界與地下水邊界不重合，區(qū)內地下水受外區(qū)地下水補給（如鄂爾多斯臺地地區(qū)地下水），導致部分河流的徑流量會明顯高于區(qū)內其他流域。因此，在進行河川基流分割時，通常會將地下水（降水）補給量、融雪補給量、跨區(qū)地下水補給量包含在內。

榆林地區(qū)河流受地下水補給量較大，一般占30%～80%，長城以北風沙區(qū)高達50%～80%（其中榆林和韓家峁受外區(qū)地下水補給影響，地下水補給占天然徑流的90%），黃土區(qū)一般在30%～60%。受地下水補給影響，徑流深值的CV值一般呈如下規(guī)律：風沙區(qū)站點＜風沙黃土區(qū)站點＜黃土區(qū)站點。

從產流機制上看，榆林地區(qū)不同的地貌類型和水文地質特征是導致榆林地區(qū)的產流過程和徑流過程存在較大的差異的主因：

風沙區(qū)：流域內地貌型態(tài)主要為波狀起伏的沙丘和地形平緩的灘地，地形較平緩，地表為現(xiàn)代風積沙，巖性以粉、細砂為主，厚度一般1～3 m，透水性強；下伏河湖相薩拉烏蘇組地下水含水層，巖性以中、細砂為主，厚度一般25～80 m。表層的現(xiàn)代風積沙對降水起到快速滲透作用，下伏的薩拉烏蘇組含水層則起到儲存作用，二者組合對降雨起到了“削峰”的作用。其“三水”轉化主要表現(xiàn)為降水入滲補給地下水，地下水再以泉的形式轉化為地表水。表現(xiàn)為豐水季節(jié)雨水補給地表水，枯水季節(jié)地下水補給地表水，流域下墊面調蓄能力較好，可對降雨起到了“削峰”的作用，水文過程線較平緩。

黃土區(qū)：區(qū)內侵蝕切割強烈，支溝縱橫，地形破碎。地表堆積物以黃土為主，降水入滲系數(shù)小。河流階地為基座式，堆積物以粉土、粉質黏土為主，下部偶含砂礫石，基座為砂巖和砂泥巖，也不利于降水入滲。溝谷深切，地形起伏大，下墊面巖性顆粒細，透水性弱等條件導致該流域降水對地下水補給量較少，降雨迅速匯集，形成地表徑流，徑流主要由雨季降水直接形成的地表產流補給，具有泥沙含量高、暴漲暴落季節(jié)性的“洪水河”特征，徑流變化與降水變化同步，冬季徑流量小，夏季徑流量大。“三水”轉化主要表現(xiàn)為絕大部分降水直接轉化為地表水，只有少量的轉化為地下水，同樣的，地下水通過排泄轉化為地表水的量也較少[4]。

6 結論

本文對榆林地區(qū)年降水量、徑流量的趨勢變化及相關關系進行分析，發(fā)現(xiàn)榆林地區(qū)的降水量和徑流量基本呈現(xiàn)縮減趨勢，且徑流量的縮減程度大于降水量。同時，由降水與實測徑流的相關關系分析表明，榆林地區(qū)的降水與徑流關系較差，其原因不僅受到區(qū)域人類取用水的影響，地下水補給遲滯效應的影響也尤為重要。降水補給地下水后，經過3個月～1年左右的時間才能補給到河水中，有些地區(qū)遲滯時間甚至更長。這就導致了當年降水補給地下水的部分水量不能完全補給到河流中，進而產生降水與實測徑流的不同步性。

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