劉清琴 張鈺 申雄達(dá) 鄔壕 張漢林 刁羽豐

摘要：為進(jìn)一步探究大夏河流域的水文變異特性，給流域管理提供更豐富的數(shù)據(jù)支持，對(duì)1956～2018年大夏河流域上、中、下游（夏河、雙城、折橋）3個(gè)水文站的實(shí)測(cè)徑流量序列進(jìn)行變異診斷。診斷結(jié)果表明：3個(gè)水文站年徑流量均顯示跳躍變異顯著，主要原因?yàn)樗荛_(kāi)發(fā)利用等人類(lèi)活動(dòng)的影響，并且變異年份分別為1968，1968，1986年，在未來(lái)有持續(xù)減小的趨勢(shì)，有可能存在供水不足危險(xiǎn)，因此未來(lái)需進(jìn)一步對(duì)大夏河流域水資源的開(kāi)發(fā)利用、管理、配置進(jìn)行合理優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：水文變異診斷; 年徑流量; 趨勢(shì)檢驗(yàn);跳躍檢驗(yàn); 大夏河流域

中圖法分類(lèi)號(hào)：P333 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.006

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）06 - 0030 - 05

0 引 言

隨著人類(lèi)活動(dòng)的日益加劇，世界上許多河川徑流均發(fā)生了顯著變化[1]，可能導(dǎo)致流域水資源可利用量發(fā)生變化并使生態(tài)環(huán)境惡化，水資源問(wèn)題更加突出[2-3]。因此，分析徑流量的趨勢(shì)、跳躍以及發(fā)生變化的原因變得越來(lái)越重要。徑流量作為水文時(shí)間序列的要素之一，是一定時(shí)期內(nèi)氣候變化、人類(lèi)活動(dòng)等因素的綜合產(chǎn)物，數(shù)據(jù)本身也反映了這些因素對(duì)其的影響。目前有多種關(guān)于徑流量趨勢(shì)、跳躍的檢驗(yàn)方法[4-7]，但由于各個(gè)方法的特點(diǎn)和適用范圍的差異，得出的結(jié)論也不盡相同。因此，謝平等[7]提出了水文變異診斷系統(tǒng)，用于海河流域5座大型水庫(kù)的入庫(kù)徑流量變異分析和潮白河45 a的徑流量變異分析等。如果水文時(shí)間序列的分布形式、參數(shù)在序列的時(shí)間范圍中保持不變，則統(tǒng)計(jì)規(guī)律具有一致性;反之，在物理成因方面發(fā)生變化，則發(fā)生了水文變異[8-9]。

大夏河作為黃河的一級(jí)支流，河段比降大，落差集中，干流具有建設(shè)電站的地形地質(zhì)條件，故對(duì)大夏河干流進(jìn)行了相關(guān)的梯級(jí)電站水能規(guī)劃。研究大夏河流域徑流量的變異特性，對(duì)梯級(jí)電站的規(guī)劃設(shè)計(jì)與管理具有一定指導(dǎo)作用。此前對(duì)大夏河流域徑流量的趨勢(shì)性和突變性已有相關(guān)研究[10-12]，但由于大夏河為中型河流，相比其他流域研究還相對(duì)較少，而且一般是采用單一方法直接得出結(jié)論。因此，本文針對(duì)單一檢驗(yàn)方法有時(shí)不可靠的問(wèn)題[9]，應(yīng)用水文變異診斷系統(tǒng)，從數(shù)理統(tǒng)計(jì)角度多方法地探究大夏河流域年徑流量的變異特性，旨在為大夏河流域規(guī)劃設(shè)計(jì)和管理提供更多的技術(shù)和理論支持。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

大夏河地處甘肅省中部，經(jīng)度為102°02′～103°23′，緯度為31°52′ ～35°48′，是黃河上游右岸的一級(jí)支流，屬大陸溫帶半干旱氣候。大夏河發(fā)源于甘南高原甘、青交界處，主要流經(jīng)夏河縣、臨夏縣、臨夏市、東鄉(xiāng)縣，最后在東鄉(xiāng)縣康家灣村注入黃河劉家峽水庫(kù)，全長(zhǎng)203 km，流域面積7 152 km2，從上游至下游依次設(shè)有夏河站、雙城站、折橋站3個(gè)水文測(cè)站，流域水系圖和水文站點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。本文收集了大夏河流域1956～2018年共63 a的逐日徑流量實(shí)測(cè)資料，數(shù)據(jù)來(lái)源于甘肅省水文站和洮河水文水資源勘測(cè)局。采用水文變異診斷系統(tǒng)對(duì)大夏河上游夏河站、中游雙城站、下游折橋站的實(shí)測(cè)年徑流量序列進(jìn)行變異診斷。水文變異診斷可分為3個(gè)部分：初步診斷、詳細(xì)診斷、綜合診斷。

1.1 初步診斷

采用過(guò)程線(xiàn)法、5 a和10 a滑動(dòng)平均曲線(xiàn)、Hurst系數(shù)法[13]對(duì)大夏河流域徑流量進(jìn)行水文變異初步診斷[8]。分別根據(jù)過(guò)程線(xiàn)的趨勢(shì)、滑動(dòng)平均的趨勢(shì)、Hurst系數(shù)所在區(qū)間來(lái)判斷是否發(fā)生變異以及變異程度。Hurst系數(shù)判別法見(jiàn)表1。

1.2 詳細(xì)診斷

趨勢(shì)診斷采用線(xiàn)性趨勢(shì)相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)法、Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法[14]、Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法[15]。通過(guò)將水文時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)[r]、檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量[U]、檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量[T]分別與查臨界表得到的[rα]，[Uα2]，[Tα2]（[α]為顯著性水平，一般取0.05）進(jìn)行比較，若前者大于后者，則拒絕原假設(shè)，認(rèn)為水文時(shí)間序列中趨勢(shì)成分顯著。

跳躍診斷采用滑動(dòng)游程檢驗(yàn)法、滑動(dòng)秩和檢驗(yàn)法、Brown-Forsythe檢驗(yàn)法、滑動(dòng)T檢驗(yàn)法、有序聚類(lèi)法、滑動(dòng)F檢驗(yàn)法、M-K檢驗(yàn)法、R/S相關(guān)分析法。研究方法步驟參照王孝禮等的研究[16]。其中，滑動(dòng)游程檢驗(yàn)法、滑動(dòng)秩和檢驗(yàn)法、滑動(dòng)T檢驗(yàn)法、滑動(dòng)F檢驗(yàn)法均是針對(duì)傳統(tǒng)方法只能檢驗(yàn)變異點(diǎn)顯著性而不能檢驗(yàn)出具體變異點(diǎn)而提出的，通過(guò)逐點(diǎn)檢驗(yàn)并選出變異顯著性最大的點(diǎn)作為水文序列跳躍變異點(diǎn)。

采用兩類(lèi)詳細(xì)診斷方法分別對(duì)大夏河流域3個(gè)水文站的徑流量進(jìn)行計(jì)算，并分析趨勢(shì)是否顯著以及具體的跳躍點(diǎn)。

1.3 綜合診斷

若采用某一方法檢測(cè)到趨勢(shì)變異顯著，則該方法趨勢(shì)權(quán)重+1;反之，記為-1。跳躍變異亦然。但由于各個(gè)跳躍診斷法得到的變異點(diǎn)不盡相同，故通過(guò)統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)并采用相似度原理得到了各方法的權(quán)重[8]，如表2所示。

得到趨勢(shì)變異和跳躍變異的顯著性后，采用效率系數(shù)[8]判斷趨勢(shì)和跳躍成分的擬合程度，從而確定水文序列的變異形式：

若只有趨勢(shì)顯著或者跳躍顯著，則直接得到結(jié)論。若兩種方法均顯著，則選擇趨勢(shì)和跳躍效率系數(shù)中的最大者作為大夏河流域年徑流量水文序列的最終變異形式。

2 結(jié)果分析

2.1 初步診斷

通過(guò)繪制1956～2018年大夏河流域夏河站、雙城站、折橋站的年徑流量過(guò)程線(xiàn)、5 a滑動(dòng)平均和10 a滑動(dòng)平均曲線(xiàn)（圖2）可知：夏河站、雙城站、折橋站的年徑流量過(guò)程線(xiàn)分別在1990，1980，1980年之后基本位于均值線(xiàn)下方，并且3個(gè)水文站的5 a和10 a滑動(dòng)平均曲線(xiàn)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。因此，可初步診斷大夏河流域年徑流量存在趨勢(shì)變異或跳躍變異。同時(shí)，根據(jù)基于Hurst系數(shù)的水文變異診斷法[13]，取第一、第二顯著性水平分別為α=0.05，β=0.01，對(duì)應(yīng)的Hurst系數(shù)分別為Hα=0.660，Hβ=0.702，再計(jì)算得到夏河站、雙城站、折橋站3個(gè)水文站的Hurst系數(shù)分別為：0.808，0.711，0.802，可知3個(gè)水文站Hurst系數(shù)均位于[Hβ，0.839]，均屬于中變異。

2.2 詳細(xì)診斷

利用3種趨勢(shì)診斷方法和8種跳躍診斷方法，在顯著性水平[α=0.05]的情況下，得到表3的結(jié)果，可以看出：夏河、折橋站趨勢(shì)變異顯著，綜合顯著性為3;雙城站雖有下降趨勢(shì)，但是不滿(mǎn)足0.05顯著性水平，綜合顯著性-3;3個(gè)水文站均存在不同年份的變異點(diǎn)，其中夏河站1968年、雙城站1968年、折橋站1986年分別被3種、4種、3種方法診斷為變異點(diǎn)，且都是在8種跳躍診斷方法中被診斷出最多次數(shù)的年份。

2.3 綜合診斷

對(duì)3個(gè)水文站年徑流量序列進(jìn)行綜合診斷得到表4可知：雙城站趨勢(shì)變異不顯著，因此直接發(fā)現(xiàn)雙城站1968年跳躍變異顯著。夏河站、折橋站兩種形式變異均顯著，趨勢(shì)變異效率系數(shù)分別為0.105，0.110，跳躍變異效率系數(shù)分別為0.225，0.157，所以綜合判定為跳躍變異顯著，且跳躍年份分別為1968，1986年。

3 分析與討論

大夏河流域上、中、下游3個(gè)水文站的徑流量均發(fā)生減小趨勢(shì)變異，且上游夏河站和下游折橋站變異顯著，主要原因是人類(lèi)活動(dòng)引起的流域下墊面條件發(fā)生變化，例如根據(jù)大夏河干流河段特點(diǎn)，已對(duì)大夏河干流進(jìn)行的全面梯級(jí)電站規(guī)劃，梯級(jí)開(kāi)發(fā)后形成了多個(gè)季節(jié)性減水段，隨著電站的運(yùn)行，枯季減水段的減水情況突出，導(dǎo)致徑流量呈現(xiàn)減小趨勢(shì);其次是全球氣候變暖、降水量減少的影響。而下游比上游趨勢(shì)變異更顯著是因?yàn)橄掠问苌嫌蝸?lái)水的影響，年徑流量減少更為明顯。

大夏河流域上游、中游均在1968年發(fā)生顯著跳躍變異，可能是因?yàn)?966年夏河站集水面積發(fā)生了變化，以及20世紀(jì)60年代大夏河流域開(kāi)始了水能開(kāi)發(fā)應(yīng)用。下游在1986年發(fā)生了顯著跳躍變異，原因可能為：① 1983年上游修建了?？埔诫娬荆瑫?huì)隨時(shí)啟閉閘門(mén)調(diào)蓄水量進(jìn)行發(fā)電，所以會(huì)導(dǎo)致由人為造成短時(shí)間內(nèi)水位陡漲陡落的現(xiàn)象;② 下游徑流變化具有滯后性。

史偉明等[8]對(duì)大夏河流域夏河站、雙城站、折橋站年徑流量分別進(jìn)行分析，得到突變年份為1970，1978，1980年，其中夏河站、折橋站突變年份與此次變異年份接近;楊林等[10]對(duì)大夏河流域下游折橋站徑流進(jìn)行分析得到突變年份為1985年，與本文分析基本一致。王漢卿等[9]通過(guò)趨勢(shì)演變和灰色拓?fù)漕A(yù)測(cè)模型表明大夏河流域年徑流量從1968年開(kāi)始減少，1988年開(kāi)始衰減相對(duì)嚴(yán)重，這與本次分析結(jié)果基本一致。上述學(xué)者均認(rèn)為人類(lèi)活動(dòng)是導(dǎo)致大夏河流域多年徑流量呈減小趨勢(shì)的主要影響因素，此次水文變異診斷相較于前者，利用了多種方法進(jìn)行分析，同時(shí)計(jì)算了各個(gè)方法的權(quán)重以便計(jì)算水文變異的綜合顯著性，得到了上、中、下游年徑流量均發(fā)生減小趨勢(shì)，以及下游折橋站年徑流量在1986年發(fā)生顯著跳躍變異的結(jié)果，更具有說(shuō)服力和可信力。

夏河站、雙城站、折橋站均跳躍變異顯著，跳躍年份分別為1968，1968，1986年，這表明在變異點(diǎn)前的序列均值大于變異點(diǎn)后的序列均值，年徑流量水文序列發(fā)生向下跳躍，呈減少態(tài)勢(shì)。同時(shí)由3個(gè)水文站的Hurst系數(shù)均大于0.5可知，大夏河流域年徑流量在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)將仍然保持下降趨勢(shì)，不利于大夏河流域的供水安全。因此，建議在大夏河流域內(nèi)進(jìn)行水資源開(kāi)發(fā)利用時(shí)應(yīng)當(dāng)尊重客觀(guān)規(guī)律，統(tǒng)籌考慮大夏河水資源優(yōu)化配置和節(jié)約保護(hù)，最大限度提高水資源的總體利用率，使有限的水資源發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益;進(jìn)行水能梯級(jí)規(guī)劃時(shí)，應(yīng)綜合考慮大夏河流域徑流量的變化趨勢(shì)和特點(diǎn)，合理規(guī)劃和選址，處理好資源利用和環(huán)境保護(hù)的關(guān)系。

4 結(jié) 論

（1） 基于大夏河流域年徑流量，通過(guò)水文變異診斷系統(tǒng)，得到大夏河流域上、中、下游均為中變異并有減小趨勢(shì)，且跳躍變異顯著，年份分別為1968，1968，1986年，在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)會(huì)持續(xù)減小。

（2） 在大夏河流域進(jìn)行的梯級(jí)電站建設(shè)等人類(lèi)活動(dòng)是年徑流量減小的主要原因，日后應(yīng)結(jié)合年徑流量的變異特性對(duì)水資源進(jìn)行合理開(kāi)發(fā)利用。

（3） 下一步可采用多種年徑流量預(yù)測(cè)方法，對(duì)大夏河流域年徑流量未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行定量預(yù)測(cè)。

致謝：

感謝甘肅省水文站和洮河水文水資源勘測(cè)局的數(shù)據(jù)支持，以及甘肅省水利科學(xué)試驗(yàn)研究及技術(shù)推廣項(xiàng)目《討賴(lài)河干流生態(tài)水資源補(bǔ)償機(jī)制研究》的支持，在此深表謝意。

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Alteration diagnosis of annual runoff series in Daxia River Basin

LIU Qingqin，ZHANG Yu，SHEN Xiongda，WU Hao，ZHANG Hanlin，DIAO Yufeng

（College of Earth and Environmental Sciences，Lanzhou University， Lanzhou 730000， China）

Abstract：In order to further explore the hydrological alteration of the Daxia River basin and provide more abundant data support for the watershed management， annual runoff series from 1956 to 2018 in the Daxia River Basin was collected to study the hydrological alteration characteristics. Runoff series was gauged by three hydrological stations（Xiahe， Shuangcheng， Zheqiao hydrological station）at the upper， middle and lower reaches of the Daxia River Basin. The results showed that significant alteration of the runoff series happened in 1968， 1968， 1986 respectively，which was affected by hydropower development and utilization of human activities. And runoff series had a reducing trend continuously in the future. There may be a risk of insufficient water supply in the Daxia River basin， so it is necessary to optimize the development， utilization， management and allocation of water resources inthe? Daxia River Basin.

Key words：hydrological alteration diagnosis; annual runoff;trend test;jump test;Daxia River Basin