清涧河流域近50年径流时间变化特征及趋势分析

王计平，赵梅，程复，姜磊，王然

(1.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，100091，北京;2.黄河水利委员会中游水文水资源局，030600，山西晋中;3.北京水保生态工程咨询有限公司，100055，北京;4.北京林业大学林学院100083，北京;5.国家卫星海洋应用中心，100081，北京)

清涧河流域近50年径流时间变化特征及趋势分析

王计平1，赵梅2†，程复3，姜磊4，王然5

(1.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，100091，北京;2.黄河水利委员会中游水文水资源局，030600，山西晋中;3.北京水保生态工程咨询有限公司，100055，北京;4.北京林业大学林学院100083，北京;5.国家卫星海洋应用中心，100081，北京)

采用清涧河延川水文站近50年径流序列资料，运用不均匀系数、调节系数、集中度(期)、变差系数和极值比等指标分析径流时变特征，应用Mann-Kendall趋势分析法检验流域径流变化趋势。结果表明：1)清涧河流域径流的年内分配曲线呈现出单峰曲线，径流主要集中于7—9月份，约占全年平均径流量58%;2)1990以来，年内分配不均匀性和集中程度趋于减小;3)2000—2009年流域径流年际变异最大，且在不同时段径流年际变异差异较大;流域年径流量呈现明显下降趋势，20世纪80年代是流域径流丰枯转折点，并在2000年后进入严重枯水期。清涧河流域径流演变呈现出明显的不均匀性、阶段性和趋势性，这种变化与降水和植被恢复导致下垫面特征改变有关。关键词 土地利用动态变化;降水;不均匀性;趋势;清涧河流域

径流作为流域水文系统中一个重要组成元素，其时变过程受自然因素和流域下垫面的共同影响［1-2］，但随人类改造自然能力及人类活动的不断增强，对流域径流演化过程的影响越明显［3-4］。在许多干旱半干旱地区，流域径流主要来自于大气降水，每年大量降雨径流是解决流域水资源短缺的重要途径。近年来，水资源短缺问题已成为制约区域可持续发展的关键因素［4-5］。为缓解干旱区流域水资源危机，优化水资源时空配置，探讨河川径流时变规律显得尤为重要［6-9］。

位于黄河中游区上段的清涧河流域，由于气候干旱，水资源尤为短缺。地表径流不仅是流域水资源的主要构成，也是区域农业发展和生态环境建设的基础，然而受降雨特性和下垫面因素影响，每年暴雨径流不仅造成严重的土壤侵蚀，同时大量洪水也成为威胁下游地区生态安全的不稳定因素。近50年来，在气候变化［10］、水土保持［11］、土地利用［12］、植被恢复［13］等共同作用下，清涧河流域径流时变过程极为复杂，给流域水文系统带来许多不确定性。在人类活动不断增强、气候变化日趋明显背景下，如何从复杂的径流时变过程中找到有序的规律为流域水文要素分析与预测提供参考，对理解地表水资源发展变化、生态环境保护具有重要理论和实践指导意义。笔者基于清涧河流域延川水文控制站1960—2009年径流序列资料分析径流年内、年际变化特征和趋势，探讨降水、土地利用动态变化对流域径流的影响，为流域径流预测和流域管理服务。

1 研究区概况

清涧河位于黄河中游区上段右岸中部地带，发源于陕西省安塞县，流经子长、清涧，于延川县苏亚汇入黄河，是黄河的一级支流，全长167.8 km(图1)。清涧河流域总面积为4 080 km2，干流上游设有子长水文站，控制流域面积913 km2。子长站下游72 km处设有延川水文站，控制流域面积3 468 km2，至入黄口38 km。流域属于半干旱气候，降雨主要集中在汛期6—9月，且多为暴雨，历时短、强度大、范围小。流域内多年平均降水量约500mm，多年平均径流深约50mm。清涧河流域是典型黄土丘陵沟壑区，植被覆盖差，水土流失严重，多年平均年侵蚀模数在5 000～1万t/km2之间。

图1 研究区地理位置图Fig．1 Geographical position of Qinjianhe River

2 研究方法

分析所用1960—2009年径流资料一部分通过向水利部水文局科教处资料室申请获得，一部分由黄河水利委员会水文局提供。利用1985、1995、2000和2008年土地利用矢量数据模拟流域土地利用动态变化。应用不均匀系数、调节系数、集中度等特征指标［14］刻画流域径流随时间分配的不均匀性。

2.1 不均匀系数

径流年内分配不均匀系数(Cr)用于表示流域降雨量年内分配的不均匀程度，其计算公式为

2.2 调节系数

年内分配完全调节系数(Ct)是年内分配不均匀性的又一计算方法。Ct越大，月径流量序列间的差异越大，径流年内分配不均匀程度越高。若0≤Ct＜1，计算公式为

2.3 集中度和集中期

集中度(Cn)和集中期(D)是利用实测的月径流资料反映年径流的集中程度和最大径流量出现的时段。其计算思路是将一年内各月的径流量作为向量，月径流量的大小作为该向量的长度，所处月份为向量的方向，从1—12月每月的方位角θi分别为0、30、60、…、360度，并把每个月得径流量分解为x和y2个方向上分量Rx和Ry，计算如式(3);进一步确定径流的合成向量R，如式(4)。

集中期表示月径流量合成后的总效应，其对应的角度换算为径流集中月份。集中度则反映了集中期径流值站年总径流的比例，当集中度等于100%时为最大极限值，表明该流域全年的径流集中在某一个月内。当集中度为0时是最小极限值，说明全年的径流平均分配在12个月中，即每个月的径流量都相等。

2.4 变差系数与极值比

径流的年际变化一般采用极值比(Km)和变差系数(Cv)描述。极值比为历年最大年平均流量(Rmax)与最小年平均流量(Rmin)之比;变差系数为一定时段内径流量得标准差(σ)与平均值()的比值;Km和Cv值越大，表明径流年际变化越大。

2.5 土地利用动态度模型

土地利用动态变化定量化方法可用土地利用变化速率和动态度2个模型来描述［15］，区域内某土地利用类型在某个变化时期的土地利用变化速率或动态度模型为：

研究区的综合土地利用动态度的计算模型为

式中：Ai为第i种土地利用类型在监测时期t1至t2期间的转移速率;Bi为第i种土地利用类型在监测时期t1至t2期间的新增速率;Ti为第i种土地利用类型在监测时期t1至t2期间的变化速率;Ui为监测期间第i种土地利用类型未变化面积，km2;L(i，t1)和L(i，t2)分别为第i种土地利用类型在监测期初和期末的面积，km2;t1为监测期初;t2为监测期末;n为区域内土地利用类型的分类数，i∈(1，n)。

3 结果与分析

3.1 径流年内变化分析

3.1.1 径流的年内分配特征 从清涧河流域径流年内分配图(图2)可知，流域径流年内分布呈现明显单峰曲线，径流集中在汛期，7、8、9月份为一年内径流量变化的高峰时段，由于春汛，3月份也较前半年内的其余月份的径流量要大。这表明在清涧河径流最主要的补给源是雨季降水，其次为积雪消融。清涧河径流的年内分配极不均匀，流域径流主要集中在7—9月份，这3个月内的径流量占全年径流量的58.16%。除7—9月份外，3月径流量最大，主要是由于融雪解冻补充径流(图3)。

图2 清涧河流域径流年内分配Fig．2 Annual distribution of runoff in Qingjianhe River Basin

图3 延川水文站各月径流分配Fig．3 Distribution of amount ofmonthly runoff in Yanchuan Hydrographic Station

3.1.2 径流年内变化特征值 由表1可知，随着时间推移，清涧河年内分配不均匀系数Cr呈现增大—减小—增大的变化趋势，表明径流年内分配不均匀性呈现周期变动。清涧河径流年内分配完全调节系数Ct同径流年内分配不均匀系数的变化规律相似。集中度和不均匀系数表现出同步性变化规律，凡是集中度高的时段，其不均匀系数也高。径流年内分配的集中度介于32%～52%之间，最小集中度出现在20世纪80年代，为32%，最大集中度出现在70年代，为52%，说明在1970—1979年清涧河年内径流最集中，而在1980—1989年径流年内分配比较分散。不同时段内径流集中期为7月中旬，与径流量年内实际分配基本吻合。综合比较各时段内径流变化发现，径流年内分配不均匀系数、调节系数和集中度变化基本一致，从1990年以来清涧河流域径流的年内分配不均匀性和集中度均呈现出减小趋势，但在2000年后这种状态所有回升。

表1 清涧河流域径流年内分配和年际变化特征值Tab．1 Annual distribution and interannual variations of runoff in Qingjianhe River Basin

3.2 径流年际变化分析

3.2.1 径流年际变化特征 从表1可知，清涧河流域历年的Cv值为0.25～0.43，Km值为2.11～3.92，在1960—2000年间的各时段内，Cv值逐渐减小，而在2000年后，Cv值呈上升趋势并达到历史最高水平，表明20世纪60、70年代流域径流年际变异较大，80、90年代清涧河流域的径流量年际变异较小，而21世纪头10年，清涧河流域径流年际变异达到最大程度。从不同阶段降雨和径流的散点分布图(图4［16］)也可以看出：在1980 年以前，年径流量和年降水的散点分布较为分散，说明20世纪60、70年代流域径流年际变化较强烈，同时在3个径流时段内;1955—1979年径流量和年降水量的泥沙直线斜率最高，表明相同的降水量变化对径流量年际变化的影响最明显。80年代，年降水集中分布于360～540mm之间，是降水量年际变化最小时段，流域年径流量的极值比和变差系数同样也处于4个时段内的最低水平，分别为0.27和2.11。90年代，年降水量与年径流量的拟合直线斜率几乎与1980—1989年二者的拟合直线平行，这表明该时段内降水和径流年际变化较小。在流域单元内，降雨是径流年际变化的直接因素，但还与流域下垫面条件有关，如土地利用/土地覆被变化、水土保持措施等。

图4 清涧河流域降雨与径流相关关系Fig．4 Correlation relationships between annual rainfall and runoff in Qingjianhe River Basin

3.2.2 径流不同时段丰枯变化 径流的丰枯变化特征可以进一步反映径流年际变化情况，对径流丰枯情况的划分标准一般按其距平比例P来确定。

式中：P＞20%为丰水;10%＜P≤20%为偏丰;-10%＜P≤10%为平水;-20%≤P＜-10%为偏枯;P＜-20%为枯水。基于这一标准对清涧河流域不同阶段内径流丰枯情况进行分析(表2)，发现清涧河流域在20世纪60年代为径流偏丰水年，70年代为径流平水年，80年代为径流偏枯水年，90年代为径流偏丰水年，2000年至今属于严重枯水年。对比发现清涧河流域在整个时间序列上呈现出由丰水年向枯水年演变趋势，丰枯变化波动明显。20世纪80年代是流域径流丰枯的明显转折点，特别是进入2000年以来，清涧河流域径流丰枯程度达到了近50年来的最低水平。

表2 延川水文站不同时段年径流量丰枯变化Tab．2 High and low water，level change of runoff in each period of Yanchuan Hydrological Station

3.2.3 土地利用动态变化对径流的影响 土地利用是决定流域下垫面环境特征的重要指标。根据数据可获取性，利用 1985、1995、2000、2008年 4期土地利用矢量图对清涧河流域进行土地利用动态变化分析(表3)，表明：清涧河流域耕地转移明显。3个时段内耕地的转移速率均大于新增速率，特别在2000年后，耕地的转移速率达到最高水平(7.75%);清涧河流域林、草地新增明显。1995—2000年和2000—2008年2个时段内林地和草地的新增速率明显大于转移速率，在2000—2008年时段内达到最大，分别为5.82%;3个时间段内区域综合土地利用动态度呈现逐年增大的趋势，分别为0.47%、1.43%和3.38%，2000—2008年是土地利用动态变化最为剧烈的时段。

土地利用变化对流域径流时变具有重要影响。从表3可以看出，耕、林、草是清涧河流域土地利用的重心。根据清涧河流域土地流转与动态特征，将1985年前视为第1阶段，其特点是以耕地利用为重心，土地利用变化速率相对稳定，流域径流年际变化不均匀程度和变异程度较低，径流变化对于集中，流域径流处于偏丰或平水水平;第2阶段为1985—1995年，该时段为土地利用频繁流转阶段，径流的年内分配较为分散，径流向偏枯水平转变;1995—2000年对土地利用结构调整的过渡阶段，该时段内径流不均匀程度开始回升，集中度趋于增大，径流年际变化也呈增加趋势;2000年后土地利用进入快速演变阶段，耕地向林、草地景观类型的快速转变，使得林地和草地的新增速率达到较高水平，同时流域土地利用总动态变化达到极值，林、草等生态功能型景观的快速增加显著改善了流域对径流的调节能力。这不仅使流域径流年际变化和不均匀程度增大，集中程度增强，而且显著改变了流域的径流效应，出现明显的枯水现象，丰枯程度达到了-23.8%。

表3 1985—2008年清涧河流域土地利用动态变化Tab．3 Dynamic changes of the land use in Qingjianhe River Basin from 1985 to 2008

3.2.4 径流年际变化趋势 利用Mann-Kendall非参数统计方法［17］对清涧河流域50年年径流量进行趋势分析发现，清涧河流域年径流量总体呈现明显下降趋势(图5)。尽管清涧河流域在个别年内会出现径流极值，但从20世纪60年代以来，总的趋势表明清涧河流域的年径流量呈现明显的下降趋势。这不仅与流域降雨收支有关，而且与流域土地利用结构调整、植被恢复等人为活动密切相关。此外，修筑淤地坝、水库等设施也会对流域径流时变过程产生一定影响，还有待进一步研究。

图5 清涧河流域径流量变化趋势Fig．5 Variation trend of amount of runoff in Qingjianhe River Basin

4 结论与讨论

1)清涧河流域径流年内分配呈明显单峰曲线，主要集中在 7—9月，占全年平均径流量的58.16%。

2)在不同时段内，清涧河径流年内分配不均匀系数、调节系数和集中度的变化规律基本一致，但从20世纪90年代以来，延川站径流年内分配不均匀性和集中程度趋于减小。

3)清涧河流域在不同年代间径流年际变异差异较大，其变异在2000—2009年间达到最大程度。

4)清涧河流域径流演变具有明显的阶段性和趋势性，年径流序列历经了偏丰、平水、偏枯、偏丰、枯水期的变化，20世纪80年代是流域径流丰枯明显转折点，特别是2000年后清涧河流域径流丰枯程度达到了近50年来的最低水平。

综合看来，清涧河流域径流时变过程不仅与降雨变化有密切关系，而且受土地利用动态变化影响较为明显。在流域尺度上，降雨是径流形成的基础，降雨量的时空变化是影响径流过程变异的主要因子。土地利用引起的下垫面条件改变是流域景观变化的主要原因和组成部分，会对流域降雨—径流关系产生重要影响。由于流域样本数量限制、水文过程模型缺乏等因素，本文仅从土地利用数量和转移速率等方面分析了土地利用动态度对径流时变过程的影响，而未探讨土地利用空间格局与径流过程关系。因此如何表征土地利用时空结构变化对径流以及降雨—径流关系的影响今后仍需要深入研究。

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Temporal variations and trend analysis of runoff in Qingjianhe River in Yellow Rivermidstream area in the past 50 years

Wang Jiping1，Zhaomei2，Cheng Fu3，Jiang Lei4，Wang Ran5

(1.Research Institute of Forest Ecology，Environment and Protection，the Chinese Academy of Forestry，100091，Beijing;2.Bureau of Hydrology and Water Resources of themiddle Yellow River，Yellow River Water Conservancy Committee，030600，Jinzhong，Shanxi;3.Beijing Water-soil Conservation and Eco-engineering Consultation Co.，Ltd，100055，Beijing;4.College of Forestry，Beijing Forestry University，100083，Beijing;5.National Satellite Ocean Application Service，100081，Beijing：China)

Based on the data set of runoff of the Yanchuan Hydrological Station，Qingjianhe River，in the past 50 years，annual unevenly distribution coefficient of runoff，complete accommodation coefficient，concentrative degree(concentrative period)，variation coefficient and runoff extremum ratio of the station were calculated and analyzed，which indicated the annual and interannual variations of runoff.The longterm variation tendency of the runoff in the Qingjianhe River Basin was verified by the tendency analysismethod.The results demonstrate that the annual analytic curve of annual distribution of runoff in Qingjianhe River Basin occurred unimodal curve，and the runoffmainly distributed during July to September，which accounted for 58% of average annual flow.Since 1990s，the annual unevenly distribution and concentrative degree had a gradual decrease.The interannual runoff in different periods varied so greatly to reach the peak of past 50 years after 2000.The annual runoff in this basin presented a significant downtrend，which was supported by the facts that 1980s was the remarkable turning point of the runoff from high to low water level period，and after 2000 runoff turned into the low-water period and reached the lowest level in the past 50 years.The evolution of runoff in Qingjianhe River Basin shows the clear nonuniformity，periodicity and tendency，which is related with the rainfall and characteristic variation of underlying surface caused by restoring vegetation.

land-use dynamic change;rainfall;nonuniformity;tendency;Qingjianhe River Basin

2011-04-22

2011-08-18

林业公益性行业科研专项“黄土高原生态恢复对径流泥沙影响评价技术研究”(201004058);中国博士后科学基金“黄河中游植被恢复格局对流域径流泥沙的影响”(20100480365)

王计平(1978—)，男，博士后。主要研究方向：景观格局规划、水文过程模拟。E-mail：wjp_gis@163.com

†责任作者简介：赵梅(1965—)，女，工程师。主要研究方向：水利规划、水文分析与水资源管理。E-mail：hwhzzwgh@126.com

(责任编辑：程 云)