紫荆关流域降雨径流变化趋势的分析
2010-01-06陈伏龙贾筱娟
陈伏龙 ,王 京,杨 广,贾筱娟
(石河子大学水利建筑工程学院,石河子 832003)
紫荆关流域降雨径流变化趋势的分析
陈伏龙 ,王 京,杨 广,贾筱娟
(石河子大学水利建筑工程学院,石河子 832003)
为了探讨紫荆关流域降雨与径流变化的规律,采用Mann-Kendall秩次相关检验法对紫荆关流域1956～2005年长系列降雨、径流资料进行了分析,并给出了降雨变化对径流变化贡献程度的定量描述方法。结果表明:紫荆关流域年径流量有明显的下降趋势,年降雨量有下降的趋势,但不显著;年降雨量与年径流量有一致的变化趋势,且二者变化过程关系密切,降雨是影响径流变化的主要因素,其贡献程度达到了39.68%;由于受到非降雨因素的影响,二者的相关性随着年代的推移呈减弱的趋势变化。
降雨;径流;变化趋势;相关分析;紫荆关流域
降水是最重要的自然资源之一,也是引起土壤侵蚀的主要动力因素,降水还是引起水土流失的原动力[1]。因此,对降雨径流变化趋势的分析一直是国内外水资源利用研究的热点之一。高卫平等[2]对唐乃亥流域降雨径流特性进行了分析,初步认为气候的改变引起蓄水特征和产汇流特征的变化。石教智等[3]对东江流域降雨径流变化趋势进行了分析,结果显示,降雨径流变化过程关系密切,二者相关性有减弱的趋势。曹建廷等[4]对长江源区 1956～2000年径流量变化进行了分析,揭示出长江源区年径流量呈微弱的减少趋势,结合气象资料分析表明1980～2000年降水量减少是径流量减少的直接原因。秦年秀等[5]对长江流域径流变化趋势及突变进行了分析研究,结果表明20世纪90年代长江流域径流呈微弱增加趋势,但不显著且地区分布不均。李艳等[6]对北江流域径流量变化特征进行了分析,结果表明径流年内分配不均,年际变化大,年径流量系列呈缓慢上升趋势,并存在2年左右的变化周期。曾霞等[7]对玛纳斯河流域的径流与洪水特征进行了分析,结果表明冰川是玛纳斯河流域径流的主要补给源,影响该流域径流年际、年内变化的主要因素是降水和气温。张伟等[8]对天山北麓玛纳斯河径流规律进行了分析,探讨了玛纳斯河径流变化多时间尺度的复杂结构。张建云等[9]对近50年来中国六大流域径流变化趋势进行了研究,表明六大流域实测径流量均呈下降趋势,严重影响了社会、经济发展。
随着社会、经济的迅速发展,尤其是改革开放以来的大规模经济建设,降雨径流作为水循环的重要环节,在各种因素的影响下紫荆关地区的径流大幅度减少。本文采用Mann-Kendall秩次相关检验法对紫荆关流域降雨径流的演变规律进行了研究,以期为该地区开展水资源规划利用、生态环境治理、水土保持工作提供科学依据。
1 研究区域和方法
1.1 研究区域
大清河系地处海河流域的中部,位于东经113°39′～117°34′,北纬 38°10′～40°102′之间 ,西起太行山区,东至渤海湾,北界永定河,南临子牙河,长10km以上的山区河道有9条,呈扇形分布。流域面积 43060km2,其中山区面积 18659km2,占 43.3%,平原面积 24401km2,占 56.7%,流经山西、河北、北京和天津四省(市)。
紫荆关位于大清河流域北支拒马河上游,该河发源于河北省涞源县境内,上游石门以上为涞源盆地,石门至紫荆关为开阔谷地。紫荆关流域控制面积为1760km2,主河道长81.5km,河道纵坡5.5‰,流域平均宽度25.4km。流域内植被情况较差,仅局部地区有小块成林,石门以上属黄土高原边缘的土石山区,因此河道侵蚀严重,石门以下属石山区,表层岩石风化严重,水土流失现象较多,水土保持工程比较薄弱。流域内设有12处雨量站,本文选用其中斜山、艾河、涞源、石门、东团堡、插箭岭、王安镇、紫荆关这8个雨量资料系列长、在流域上分布较均匀的站的资料。实测最高水位523.20m,最大洪峰流量4490m3/s(1963年),最大年降雨量1463.6mm(1956年),多年平均降雨量约650mm。
1.2 研究方法
水文序列是流域下垫面在一定气候条件下的反映,对于一个流域来说,气候条件可以认为是一种自然的随机变化,不受人类活动等因素的影响。当流域受到人类活动等因素的影响而发生较大变化时,水文序列的平稳性可能会遭到破坏,其时序变化将更加错综复杂[10]。水文序列的分析方法主要有Mann-Kendall秩次相关检验法、滑动平均法、线性回归法、累积距平法和小波分析法等。本文将主要采用Mann-Kendall秩次相关检验法对降雨量和径流量进行分析。
Mann和 Kendall[11,12]创建 Mann-Kendall检验法。该法是世界气象组织推荐并已广泛使用的非参数检验方法,许多学者[13,14]不断应用Mann-Kendall检验法分析降水、径流和水质等要素时间序列的趋势变化。在 Mann-Kendall检验法中,原假设时间序列数据(x1,...,xn)是 n个独立的、随机变量同分布的样本;备择假设 H1是双边检验,对于所有的k,j≤n,且 k≠j,xk和 xj的分布是不相同的。当 n>10时,标准的正态统计变量 z通过下式计算:
式(1)中:, sgn(xj-xk),S为正态分布,其均值为0,方差Var(s)=[n(n-1)(2n+5)-∑tt(t-1)(2t+5)]/18,其中 t表示任意给定结点的范围。
在双边的趋势检验中,在给定的α置信水平上,如果|z|≥zα/2,则在α置信水平下时间序列数据存在明显的上升或者下降趋势。Mann-Kendall检验还可用于检验序列突变,检验统计量构造如下:
在给定显著性水平α下,查正态分布表得到临界值 Uα/2,|U Fk|
2 结果与分析
2.1 紫荆关流域径流量的变化趋势
根据紫荆关流域1956～2005年的年径流量资料,采用 Mann-Kendall秩次检验法对年径流量进行了统计计算,并求出时间序列的U Fk和UBk值。取显著性水平α=0.05情况下临界值为±1.96。图1为紫荆关流域年径流量Mann-Kendall秩次检验的统计变化情况。
由图1可见,紫荆关流域1956～1963年 UFk曲线呈不规则的周期波动变化,但介于α=0.05显著性水平临界值之间,表明流域径流量在显著性水平α=0.05下,变化趋势不显著。该流域径流量1964～1971年下降趋势显著,1972～1978年呈上升趋势,1979～2005年呈不规则的周期波动变化,下降趋势显著。另外,U Fk和 UBk二条曲线交于1982年,说明1982年是紫荆关流域径流量时间序列发生突变的年份。
图1 紫荆关流域年径流量Mann-Kendall秩次检验Fig.1 The Mann-Kendall order correlation test of annual runoff in the Zijingguan Basin
2.2 紫荆关流域降雨量的变化趋势
图2为紫荆关流域年降雨量Mann-Kendall秩次检验的统计变化情况。
从图2可知,紫荆关流域1956～1963年 UFk曲线呈不规则的周期波动变化,但介于α=0.05显著性水平临界值之间,表明流域年降水在显著性水平α=0.05下,变化趋势不显著。该流域降雨量1964～1971年下降趋势显著,1972～1978年呈上升趋势,1979～1993年下降趋势显著,1994～2000年呈上升趋势,2001～2005年又呈下降趋势。
表1为紫荆关流域年降雨量、年径流量秩次检验统计值。
图2 紫荆关流域年降雨量Mann-Kendall秩次检验Fig.2 The Mann-Kendall order correlation test of annual rainfall in the Zijingguan Basin
表1 紫荆关流域年降雨量、年径流量检验统计值Tab.1 The testing statistic of annual rainfall and runoff in the Zijingguan Basin
2.3 紫荆关流域降雨变化对径流变化的影响
降雨是径流产生的直接驱动因子,降雨量的大小及降雨的变化趋势在一定程度上也决定了径流的变化趋势,降水的变化一般表现为降水量的变化、时程分布、空间分布的变化三个方面。在下垫面和降雨空间分布相同的情况下,降雨量越大,径流量就可能越大;反之,径流量就会减小[15]。降雨和径流存在密切的关系,但不同的地区降雨对径流的响应和敏感性不同[16,17],在分析降雨对径流的影响时,由于降雨的时程、空间分布的变化,很难精确地计算其对径流变化的影响结果,但可以从量上粗略地分析降雨对径流变化的影响大小。
2.3.1 降雨径流相关分析
从紫荆关流域1956～2005年实测降雨径流资料中选取47场暴雨洪水过程,分别统计估算出每场洪水对应的径流量以及降雨量(图3),点绘不同时期的相关点据,并根据点据分布趋势建立相应的降雨径流相关关系(图4)。
从图3可以看出,紫荆关流域径流量和降雨量的分布趋势一致性很好。从图4给出的紫荆关流域年降雨径流相关图可知,80年代后的点据大致分布在80年代前点据的左侧,从趋势线也可看出,在同样的降雨量的情况下,80年代后的产流量小于80年代前的产流量。这说明随着年代的推移,降雨对径流的影响有减弱的趋势;80年代前后年径流量与降雨量的相关系数分别为0.963和0.894。可见,紫荆关流域径流量的变化在很大程度上与降雨量变化密切相关,降雨量的变化是影响径流量变化的主要因素。
图3 紫荆关流域年降雨量径流量年变化Fig.3 Change of annual rainfall and runoff in the Zijingguan Basin
图4 紫荆关流域年降雨径流相关Fig.4 Correlation of annual rainfall and runoff in the Zijingguan Basin
2.3.2 降雨变化对径流变化的贡献程度
根据降雨径流关系 R=P×D可得:
式(7)中:R为径流量,P为降雨量,D为径流系数,R1、R2、P1、P2、D1、D2分别为相邻年代的径流量、降雨量和径流系数。
从式(7)可知:径流量的变化可以看成是由降雨量变化或径流系数的变化引起的,而降雨量变化引起的径流变化量为式(7)中的后一项,即:
式(8)中:ΔRp是降雨量变化引起的径流变化量,ΔP是降雨量的变化量,￣D是平均径流系数。
这样,降雨量变化对径流量变化的贡献程度β可按下式估算,
式(9)中ΔR为天然总径流变化量。
根据紫荆关流域不同年代间降雨变化量和径流量及式(8)、(9)得出降雨量变化对径流量变化的贡献程度,如表2所示。
从表2可见,年降雨量与径流量有一致的变化趋势,而且降雨量变化对径流量的变化影响比较大。但从2000年以后相对于20世纪90年代的降雨径流的变化情况来看,降雨和径流的变化波动趋势并不一致,主要是由于受到非降雨因子的影响,使得径流变化量在降雨变化量增加8.15mm的情况下,仍减少了6.37mm。从近20多年来看,1980～1992年相对于1956～1979年,降雨量的减少对径流量减少的贡献程度为52.33%;而1993～2005年相对于1956～1979年,降雨量的减少对径流量减少的贡献程度则为27.02%;平均为39.68%。这说明降雨量的变化是使年径流量变化的主要原因,但并不是径流量减少的决定因素。对此,图1、图2和表1给出的年径流量和年降雨量的变化趋势,也可以说明这一点,年径流量的减少趋势是非常明显的,而年降雨量下降的趋势并不明显。
表2 降雨量变化对径流量变化的影响情况Tab.2 Effects of rainfall change on runoff
3 结论
本文利用Mann-Kendall秩次检验方法分析了紫荆关流域1956～2005年降雨径流序列的演变趋势,以及降雨变化对径流变化的影响,可以得出以下结论:
1)紫荆关流域年降雨量总体有减小的趋势,但减小趋势不显著。在显著性水平α=0.05下,紫荆关流域近50年来年径流量总体上有明显的减小趋势。年径流量在1982年发生突变,自20世纪80年代初期后,年径流量减幅尤为明显。
2)紫荆关流域降雨、径流变化过程关系密切,年降雨量与径流量有一致的变化趋势,但二者相关性随着年代的推移有减弱的趋势,说明径流主要受降雨影响的同时,愈来愈受到非降雨因素的影响,相关关系更加复杂。
3)从降雨变化对径流的影响程度来看,降雨变化导致径流减小的贡献程度达到了39.68%,降雨变化是径流变化的主要影响因素,但不是决定性因素。80年代前降雨量变化对径流量的变化影响比较大,80年代后降雨量变化对径流量的变化影响有减弱的趋势。因此,流域内径流变化还受到土地开发利用、植树造林、水利工程、城镇化建设等诸多非降雨因素的影响,尚需做更进一步的研究。
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Analysis of the Rainfall and Runoff Change Trend in the Zijingguan Basin
CHEN Fulong,WANG Jing,YANG Guang,JIA Xiaojuan
(College of Water Conservancy and Architectural Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China)
The Kendall order correlation test is used to find the law of the evolvement of rainfall and runoff in the Zijingguan Basin.Based on the long series of data of rainfall and runoff in the Zijingguan Basin from 1956 to 2005,the quantitative method is put forward for revealing the contribution rate between change in rainfall and that in runoff.The results show that the downtrend is marked in annual runoff,while it's unapparent in annual rainfall.The trends of change are the same.And the relationship between processes of rainfall and runoff is consanguineous.Whereas the contribution rate is 39.68%,so the rainfall is the main influencing factor for runoff.And because of influencing of other factors,the contribution rate is descending.The results will provide rational references for water resources programming and using of the Zijingguan Basin.
rainfall and runoff;change tendency;correlation analysis;Zijingguan Basin
P333.1
A
1007-7383(2010)01-0101-05
2009-10-14
国家自然科学基金项目(50879051)
陈伏龙(1978-),男,讲师,从事水文学及水资源问题的研究;e-mail:cfl103@shzu.edu.cn。
