海河水系降水与径流趋势变化及突变分析

2010-03-10张松涛

海河水利 2010年6期

马颖，张松涛

（海河水利委员会海河下游管理局，天津 300061）

海河流域地处华北地区，是我国重要的政治、经济、文化、科技、工业和农业集中分布区，大中城市众多。流域总人口1.37亿，占全国的10%。2008年，海河流域GDP达3.95万亿元，占全国的13%；人均GDP达2.88万元，超过全国平均水平27.4%。海河流域是我国重要的粮食、燃料工业和高新技术产业基地。近年来，以电子信息、生物技术、新能源、新材料为代表的高新技术产业发展迅速以及天津滨海新区的开发开放，使海河流域成为我国新的经济增长极。

流域经济社会的快速发展，对水利基础支撑提出了新的更高的要求。华北地区，水文循环机理比较复杂，它不仅与陆地表层系统中各种自然地理要素时空分布密切相关，而且与农业开发、都市化等土地利用／土地覆盖植被直接相联。随着经济社会的发展，人类活动加剧，改变了水循环自然变化的空间格局和过程，加剧了水资源形成与变化的复杂性。海河流域的径流特性发生了变化，水资源短缺日益凸现，在一定程度上影响了社会的良性发展。开展自然变化和人类活动影响下的水循环及水资源安全研究，具有十分重要的科学意义和研究价值[1]。

笔者选取海河流域中的海河水系作为研究对象，按其北、南系的划分，对其近几十年来的降水量、径流量的长期变化趋势进行分析，并寻找突变点，寻求解决水资源紧缺的新的突破点。该内容是研究变化环境下的水文循环的主要内容之一，对合理规划流域水资源、保护流域水土环境具有一定的意义。

1 研究区域概况

海河流域位于东经112～120°、北纬35～43°之间，处于干旱半干旱区。流域东邻渤海，西倚太行，南界黄河，北接蒙古高原。流域面积31.8万km2，由海河、滦河、徒骇马颊河水系组成。其中，海河水系是其主要水系，流域面积23.4万km2，由北系的蓟运河、潮白河、北运河、永定河和南系的大清河、子牙河、漳卫河组成。

流域属于温带东亚季风气候区，属半湿润半干旱地带。春季受蒙古大陆性气团影响，往往形成干旱天气；夏季受太平洋副热带高压影响，降雨量多，且多暴雨，但降雨量的变差很大，旱涝时有发生；秋、冬季降水较少。流域多年平均降水量为 535 mm（1956—2007年降水系列），海河水系多年平均降水量为512 mm（1956—2007年降水系列），其中海河北系多年平均降水量为482 mm、海河南系为543 mm。

流域水资源总量为370亿m3，人均占有量272 m3，仅为全国平均水平的1/8、世界平均水平的1/24。流域以不足全国1.3%的水资源量，承担着全国10%的人口、12%的粮食生产以及13%的GDP用水，水资源承载能力严重不足，供需矛盾非常突出。

2 研究方法和对象

2.1 分析途径

通过对降雨径流变化趋势的对比分析，来确定气候因素和人类活动的影响[2]。若降雨、径流同步变化，说明流域内降雨径流关系保持较好，下垫面的一致性也未遭到严重的破坏，产汇流机制总体上没有明显的变化，气候因素在对水文气象要素的影响中占主导地位；如果它们的变化不同步，则说明降雨径流关系遭到了破坏，下垫面的影响或者人类活动的影响是显著的，即人类活动的影响占了主导地位。

2.2 资料

分别选用海河南系和海河北系1956—2000年的降水和年径流资料，借助Mann-Kendall（M-K）趋势及突变检验方法对这些时间序列进行趋势和突变分析。

2.3 分析方法

趋势是指在一段时间参数变化的方向（上升、下降或横向延伸）。突变是自然界一种正常的现象，即描述某自然现象的时间系列从一种稳定态（或稳定持续的变化趋势）跳跃式地转变到另一种稳定态（或稳定持续的变化趋势），它表现为该系列正处在从一个统计特征到另一个统计特征的急剧变化中[3，4]。

笔者采用Mann-Kendall（M-K）非参数统计检验方法和Z统计量检验法，基于秩的M-K非参数统计检验方法常用来预测如水质、径流、温度、降水等水文气象时间序列资料的长期变化趋势[5]，对海河水系的径流量及降水量资料序列进行趋势分析及突变检验。

假设有一时间序列为X1，X2，X3，…，Xn，所以其趋势检验统计量公式是：

其中，sign（）为符号函数。当Xi-Xj小于、等于或大于零时，sign（Xi-Xj）分别为-1、0或1。

若M-K统计量公式S分别大于、等于、小于零时，则有：

其中，Z为正值表示增加趋势，负值表示减少趋势。｜Z｜≥1.28、1.64、2.32时表示分别通过了信度90%、95%、99%显著性检验。

dk均值以及方差定义如下：

在时间序列随机独立假定下，定义统计量为：

这里UFk呈标准正态分布，给定一显著性水平a0，查正态分布表得到临界值t0。当｜UFk｜＞｜t0｜时，表明序列存在一个明显的增长或减少趋势，所有UFk将组成一条曲线C1，通过信度检验可知其是否具有明显的变化趋势。

把以上方法应用到反序列中，重复上述计算过程，并使计算值乘以-1，得出UBk。UBk在图中表示为C2，若C1和C2的交点位于信度线之间，则此点可能就是突变点的开始[6]。

3 结果分析与讨论

3.1 降水、径流趋势分析

趋势反映了降水、径流演变的总体规律。

首先，应用非参数M-K检验法对海河南系和海河北系的降水量、径流量年序列进行变化趋势的显著性检验，得到各要素的趋势统计结果见表1。

从表1和图1-2中可以看出，降水与径流量具有相同的变化趋势，均呈减少趋势。与整个流域相比，海河水系的降水及径流变化趋势更为明显。海河流域近年来水量持续的减少主要是由于降水量的减少引起的。其中，海河南系径流量的下降幅度较降水量更为明显。从图2可以看出，海河南系径流量5年滑动平均与多年平均值偏离得更远，说明人类活动起到了一定影响作用。

表1 降水、径流量趋势统计结果

图1 海河北系降雨径流序列变化过程

虽然降水量与径流量均呈减少趋势，但径流量的年际间变化更为明显。从表2中可以看到，径流量的Cv值明显大于降水量的Cv值，特别是海河南系的变化尤为明显，水量最丰的1963年与最枯的1999年径流量比值为7.76、降水量比值仅为2.16；海河北系水量最丰的1959年与最枯的1999年的两个比值（径流量、降水量）分别为6.35和2.17。从图1-2中也可以发现，降水与径流的变化虽然同步，但是径流的变化幅度更大，与均值偏离得更远。

图2 海河南系降雨径流序列变化过程

表2 降水、径流量离散系数

3.2 降水、径流量突变分析

利用M－K检验突变分析研究了海河北系和南系的降水、径流变化趋势。图3—4表明海河北系降水、径流突变起始时间发生在1959年，并且通过了置信度为95%的显著性检验。图5—6表明海河南系的降水和径流突变分别起始于1964和1967年，并且通过了置信度为95%的显著性检验。即从海河北系和海河南系发生1956和1963年大水后，海河水系降水和径流就转入减少趋势。这与海河水系降水、径流趋势检验的结果相一致。同时，可以看出降水和径流突变基本同步，说明海河水系径流变化的主要影响因素是降水量。

图3 海河北系年降水量M－K突变检验

4 结论

通过对海河水系降水和径流的变化趋势及突变分析表明，海河水系降水和径流从20世纪50年代以来均呈减少趋势，比较而言径流量的变化幅度更为明显。海河北系与海河南系降水、径流转入减少趋势分别开始于20世纪50年代末和60年代中期，具有比较好的同步性。海河流域径流减少的主要影响因素是降水量的减少，同时人类活动也产生了一定的影响作用。