楊亞軍

(甘肅省隴南水文站，甘肅 成縣 742500)

1 研究背景

氣候變化在過去幾十年內(nèi)對我國水文水資源產(chǎn)生了很大影響，近50年來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，氣候變化和人類活動是影響流域水文循環(huán)過程和水資源演變規(guī)律的驅(qū)動因素，其帶來的水文效應(yīng)受到各國學(xué)者[5-6]的廣泛關(guān)注。在西北內(nèi)陸，遠離海洋，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)測及資料序列連續(xù)性等帶來諸多挑戰(zhàn)。近幾年，社會經(jīng)濟的快速發(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]的研究表明人類活動已經(jīng)成為影響河川徑流的主要驅(qū)動因素。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)人類活動較頻繁，幾十年來，下墊面條件發(fā)生很大變化，對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法對降水與徑流序列進行趨勢分析，并對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)北峪河流域的實測水文資料,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，年內(nèi)分配極不均勻，主要集中在5—10月。哈文舸[10]通過分析計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、人口等統(tǒng)計資料,科學(xué)分析了北峪河小流域水資源特點。對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、人類活動對流域徑流量的影響，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測水文資料，分析降水量和下墊面變化對流域徑流量的影響。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)，也為以后水文測驗工作提供主要的參考依據(jù)，對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟社會發(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)，屬白龍江一級支流，嘉陵江二級支流，發(fā)源于武都區(qū)魚龍鎮(zhèn)境內(nèi)的米倉山，源地海拔3100m，流域總面積432km2；干流長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的變化。測驗項目有水位、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)馬街水文站的實測降水量、徑流量等長系列資料，資料系列為1956—2016年，資料系列有展延，資料在全國第三次水資源評價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；馬街站實測徑流資料。采用GIS軟件對降水量站資料做泰森多邊形計算，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、時序累積值法(雙累積曲線)、Mann-Kendall秩次相關(guān)法(M-K)法對降水量、徑流量的變化趨勢及突變點進行識別，以序列突變點以前序列為基準(zhǔn)期，采用斜率變化率法[21]對降水量和下墊面條件對徑流量的影響貢獻率進行計算。

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個三角形，形成邊長重合的三角網(wǎng)，然后對每個三角形各邊做垂直平分線，用這些垂直平分線構(gòu)成以每個雨量站為中心的多邊形[22]。在此假設(shè)每個雨量站控制面積為多邊形的面積，則有面雨量計算公式：

P=(a1p1+a2p2+…+anpn)/A

(1)

式中：a1,a2,…,an為每一個雨量站的控制面積，km2；p1,p2,…,pn為個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，又稱為各雨量站的權(quán)重系數(shù)。

3.2 Mann-Kendall檢驗法

Mann-Kendall檢驗法簡稱M-K檢驗法，是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法[22-23]，對于具有樣本容量的時間序列，構(gòu)造秩序列[1]，公式如下：

(3)

計算時假設(shè)時間序列獨立，構(gòu)造統(tǒng)計量：

(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)分布且相互獨立，構(gòu)造統(tǒng)計量：

(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，反之，則趨勢下降，超過臨界值時，趨勢顯著。當(dāng)超過顯著性臨界值時，說明序列發(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、人類活動對水文序列影響的定量分析中得到廣泛應(yīng)用。該法可用于定量評估人類活動與氣候變化對河川徑流的貢獻程度，計算原理是以序列突變前的水文序列為基準(zhǔn)期，將序列劃分為幾個突變后的序列，計算降水及人類活動對徑流的貢獻量，構(gòu)造統(tǒng)計量：

(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計算的各雨量站控制面積及所占比例見表1。

表1 流域及周邊雨量站控制面積統(tǒng)計

點繪降水量及徑流深的年際變化曲線，見圖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。天然徑流深的減少趨勢較降水量大。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比1992年以前明顯。為了分析降水量、徑流量的趨勢顯著性，進一步使用M-K檢驗得知，降水量U值為2.87，大于a=0.05顯著性水平的界值1.96，減少趨勢顯著；徑流量統(tǒng)計量U值為3.89，大于a=0.05顯著性水平的界值1.96，說明減少趨勢顯著。

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)對上述序列采用M-K法進行序列突變檢驗，其統(tǒng)計結(jié)果見圖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，在這些時間段降水量出現(xiàn)顯著性減少趨勢。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法檢驗統(tǒng)計曲線

圖4 徑流量M-K法檢驗統(tǒng)計曲線

從圖4得知，1956—1993年、2006—2012年徑流量UF值長期低于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。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，表明這些時間段內(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，說明徑流量呈增加趨勢?？梢钥闯?，降水量與徑流量之間影響關(guān)系并不是很明顯，這就間接證明了下墊面條件變化對徑流量造成影響。

5 降水量和下墊面變化對徑流的影響分析

下墊面條件的變化程度表征著人類活動的頻繁與否，大量學(xué)者[26-31]的研究表明，經(jīng)濟建設(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。對于西北地區(qū)落后山區(qū)，雖然在這一時期有些滯后，但在后期，人類活動逐年加劇，對徑流量的影響還是很大。采用M-K法檢驗，發(fā)現(xiàn)徑流在1993年出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點。從《甘肅省第三次水資源評價成果》[25]來看，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。點繪降水量、徑流量雙累積曲線，見圖5。從圖5中可知，序列在1993年出現(xiàn)明顯的突變點，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，重新計算出1993年后的徑流序列，對1993年后的徑流還原，序列值定義為R計算。點還原后的降水-徑流量雙累積曲線見圖6。用還原后的徑流量R計算減去還原前的徑流量R實測，就是降水和下墊面條件影響的徑流量。經(jīng)計算，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，這個變化幅度對于西北干旱半干旱區(qū)中小河流是相當(dāng)大的，對當(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 點還原后的降水-徑流量雙累積曲線

為了進一步定量分析降水量、下墊面變化對徑流量影響貢獻率，利用式(7)～式(10)計算。以1992年前的降水量、徑流量為基準(zhǔn)期，計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，則降水量對徑流的影響貢獻率Cp值為8.36%，下墊面條件對徑流的影響貢獻率CH值為91.64%。按照前面計算的累積變化量，計算出降水量對徑流量的影響量為2.46億m3，下墊面的影響量為27.03億m3。

6 結(jié) 語

本文通過采用GIS構(gòu)建泰森多邊形的方法，對北峪河流域年平均雨量做了加權(quán)計算，采用線性回歸法、時序累積值法(雙累積曲線法)、M-K檢驗法對降水量、徑流量的變化趨勢及突變點進行識別，采用累積斜率變化率法對降水量和下墊面對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，徑流量減小趨勢較降水量顯著。徑流量在1997年后較平穩(wěn)，長期處于枯水期。

b.以1956—1992年為基準(zhǔn)期，計算了1993年后降水量、下墊面對徑流量的影響程度。1993年后，該流域徑流量累計減少29.5億m3，平均每年減少1.4億m3。其中，降水量對徑流量的影響貢獻率為8.36%，影響量為2.46億m3；下墊面對徑流量的影響貢獻率為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驗中，增加輸沙量測驗等對徑流有影響的項目，再繼續(xù)加以分析。