悖牛川径流年内分配变化规律研究

熊新芝, 郭巧玲, 孙 斌

(1.河南理工大学 资源环境学院, 河南 焦作 454003; 2.神华神东石圪台煤矿, 陕西 神木 719300)

悖牛川径流年内分配变化规律研究

熊新芝1, 郭巧玲1, 孙 斌2

(1.河南理工大学 资源环境学院, 河南 焦作 454003; 2.神华神东石圪台煤矿, 陕西 神木 719300)

摘要：[目的] 分析悖牛川径流年内分配变化特征，为流域水资源规划、管理和开发利用提供科学依据。[方法] 根据悖牛川控制性水文站—新庙站1966—2010年实测月径流资料，分析年内分配不均匀系数、完全调节系数、集中度(期)等特性。并采用累积滤波器和Mann—Kendall秩相关法诊断各月径流量的变化趋势。 [结果] (1) 总体上，悖牛川径流年内分配呈双峰型分布，其峰值分别出现在3和8月。径流年内分配很不均匀，8月份径流量达到最大值，占年径流量的37.63%；1月份降到最低值，仅占到年径流量的0.65%； (2) 20世纪60—70年代的不均匀性和集中程度最大，80年代最小。最大径流出现在7月中下旬到8月上中旬，相对比较集中； (3) 对于1966—2010年系列，各月径流量都处于显著减小的趋势。 [结论] 受气候和人类活动的影响，悖牛川月径流量年内分布不均且均呈现减少趋势。

关键词：径流; 年内分配; 不均匀性; 集中度(期); 悖牛川

河川径流年内分配是水文水资源学研究的重要内容之一，它与河川径流的补给来源、流域的自然地理要素、几何特征以及人类活动等有着密切联系，是国民经济各用水部门必不可少的基础数据[1-2]。近年来随着全球气候和人类活动的影响，各流域的河川径流量都出现了不同程度的增大或减小趋势，同时以河川径流为载体的社会、经济和环境发展指标随着径流的时空分布变化也发生动态改变[3]。悖牛川是窟野河一级支流，随着工农业发展和生活用水增加，特别是流域煤炭资源的大量开采，导致河流径流量不断减少,径流年内分配发生很大变化，水资源供需矛盾加剧，生态环境日益恶化。目前，关于悖牛川的研究成果并不多见，仅有王玮等[4]对悖牛川河谷区地下水渗流井开采方式及新增允许开采量的研究，张国忠等[5]对悖牛川煤化工基地供水水源地储存量进行计算分析；赵奎银等[6]对单管旋喷桩技术在悖牛川与乌兰木伦河交汇口路基坡角挡护工程中应用进行了介绍。悖牛川径流年内分配的研究文献鲜见报道。本文利用相关水文气象数据，深入分析悖牛川径流年内分配特征变化规律，以期为流域水资源规划、管理和开发利用提供科学依据。

1研究区概况

悖牛川是神木县窟野河左岸的一级支流，为黄河二级支流，发源于内蒙古自治区鄂尔多斯神山沟，在神木县店塔注入窟野河，流域面积2 274 km2，河道全长109 km，河道比降3.16‰，主要流经地形破碎的黄土丘陵区。属中温带干旱、半干旱大陆性季风气候，春季干旱少雨、夏季炎热多有暴雨、秋季降霜早冻、冬季寒冷少雪。多年平均气温7.9 ℃，降水量425.1 mm，年径流量1.15×109m3，河川径流主要由冰雪消融和降水补给。地貌按成因划分为侵蚀剥蚀地形和侵蚀堆积河谷2类[7-8]。新庙水文站是悖牛川汇入窟野河的把口水文站，本研究采用新庙水文站1966—2010年的实测月径流资料进行分析。数据来源于水文站的实际观测值。

2材料与方法

2.1　数据资料

所用数据来源于悖牛川新庙水文站1966—2010年逐月实测径流资料；受资料限制，降水、气温和蒸发等逐月气象数据采用窟野河干流温家川水文站数据，其中降水、气温数据为1966—2010年系列，蒸发数据位1979—2010年系列，以上数据均来源于水文站的实际观测。

2.2　研究方法

研究径流年内分配特征的方法较多，通常使用较多的有各月、各季、汛期、非汛期、连续最大3～4个月、连续最小3～4个月径流量占年径流的百分比等[9-10]。除此之外，采用年内分配不均匀系数、集中度(期)等指标,从不同角度分析悖牛川流域径流年内分配的变化规律。并采用累积滤波器法和Mann—Kendall秩相关法对月径流量变化趋势进行分析。

2.2.1径流年内分配特性分析方法(1) 不均匀性。采用径流年内分配不均匀系数和径流年内分配完全调节系数2个指标来分析径流的年内变化[11]。径流年内分配不均匀系数Cv计算公式为：

(1)

径流年内分配完全调节系数Cr计算公式为：

(2)

(3)

式中的年内分配完全调节系数Cr与不均匀系数一样，越大表示年内分配越集中。

(2) 集中度和集中期。集中度和集中期是用逐月径流量反映年内径流量集中程度和最大径流出现时段的重要指标。它是将月径流量看作向量，月径流量的大小和所处的月份分别作为向量的长度和方向[12]。从1—12月每月的方位角θi分别为0°，30°，60°，…，360°，并把每个月的径流分解为x和y两个方向上的分量，则x和y方向上的向量合成分别为：

(4)

式中：Ri，θ——月径流量的大小和方向；Rx，Ry——X，Y方向合成向量；R——Rx和Ry的合成总向量。

集中度RCD和集中期RCP定义为：

(5)

由公式(5)可以看出，集中度(RCD)反映了集中期径流量占年总径流量的比例，集中期(RCP)则近似表示了一年中最大径流量出现的时间。

2.2.2月径流量变化趋势分析方法

(1) 累积滤波器法[13]。采用累积滤波器法反映月径流量的定性变化趋势。原理为：

(6)

(2) Mann—Kendall秩相关[14]。M—K的秩相关可较好地定量说明月径流量的变化趋势，计算公式为：

教务处（部）作为校长和主管教学副校长领导下的主管全校教育教学工作的职能机构，根据实际履行职责范围、下设科室多少，存在“大教务”和“小教务”之分。从各校教务处（部）实际情况来看，基本属于“大教务”范畴，涵盖规划、招生、培养、教研、教务、实践、实验等各方面，致使事务过于繁重、工作强度大，全然忙于“事务性”的应付状态。

(7)

(8)

(9)

j=1，2，…,i；n——序列长度；Ri——水文时间系列值。

若给定显著性水平为0.05，当│U│≥U0.05=1.96时，表明该序列趋势变化显著，反之，当│U│

2.2.3径流年内分配趋势分析方法采用非线性回归法[14]拟合径流年内分配各指标的变化趋势。非线性回归法实质上属于时间序列法，常用对数、多项式、指数和生长曲线等解析模型。回归技术是根据过去相互影响、相互关联的因素的资料，由于不确定的函数关系，利用数学方法建立相互关系，拟合成一条确定曲线[15]。

3结果与分析

3.1　径流年内分配情况

新庙站不同年代径流年内分配统计特征详见表1。在悖牛川流域径流年内出现的最大月份是8月份，最大月平均径流量达到年平均径流量的37.63%。径流出现的最小月份在1月，其径流量占到全年的0.65%。最大月平均径流量是最小月平均径流量的57.63倍。连续最大3个月径流量出现在7—9月，占年径流量的69.80%，连续最小3个月径流量出现在12月至翌年2月，占年径流量的3.09%，仅为连续最大3个月径流量的4.42%。径流年内分配极不均匀。对比不同时期的径流年内分配特征，连续最大3个月径流量占年径流量的比例呈“减小—增加—减小”趋势，最大1个月径流量占年径流量的比例呈“增加—减小—增加”趋势；连续最小3个月和最小1个月径流量占年径流量的比例呈“增加—减小”趋势。

总体上新庙站各个年代径流年内分配均呈明显的“双峰型”分布，这主要和该河流受融雪和降水补给的特性有关。月径流量1—2月处于低值；3月随着气温的上升，上游山区冰雪融化，冰雪融水补给形成明显春汛，月径流量增加；4月径流量逐渐减小；到了7月，随着汛期降水的增加，月径流量再次增加，8月达到峰值，9月开始减小直至12月再次到达低值。其中，7—9月的径流量明显大于其他月份。对比不同时期各月的径流量，20世纪60—70年代的各月径流量较大，80—90年代有一定程度的减小，21世纪初各月的径流量进一步减少，与前4个时期相比有显著的差异。

表1　新庙站不同年代径流年内分配统计特征

3.2　径流年内分配特征

新庙站径流年内分配不均匀系数、完全调节系数、集中度和集中期的计算成果详见表2。由表2可以看出，新庙站径流年内分配不均匀系数和年内分配完全调节系数变化规律基本相似，20世纪60，70，90年代的值都大于相应的多年均值，其径流量年内分配较为不均。20世纪80年代和21世纪初的值均小于相应的多年均值，其径流量年内分配相对较为均匀。将不同时期年内分配特性的指标值进行对比，可以看出20世纪60—70年代的不均匀性最大，而80年代的不均匀性最小。从径流年内分配集中度看，也是20世纪60，70，90年代的值大于多年均值，径流年内分配相对集中；20世纪80年代和21世纪初的值小于多年均值，径流年内分配相对不集中。20世纪60—70年代集中度最大，而80年代集中度最小。就径流集中期而言，20世纪各年代，最大径流出现时间呈提前的趋势，各年代最大径流出现时间分别比上年代提前了6，15和5 d，到了21世纪初，最大径流出现时间有15 d的推迟。20世纪60—70年代和21世纪初径流集中期出现在8月上中旬，相对多年均值，径流集中期推迟了1～12 d；20世纪80—90年代径流集中期主要集中在7月中下旬，径流集中期比多年均值提前了9～16 d。总体上，在悖牛川流域最大径流一般出现在7月中下旬到8月上中旬，相对比较集中。

表2　悖牛川河径流年内分配不均匀性和集中度(期)

3.3　月径流量变化趋势

受气候变化和人类活动等多种因素的影响，悖牛川径流量的年内各月分配发生了一定的改变，新庙站各月径流量基本上都处于减少趋势。为了比较深入的分析悖牛川河各月径流量变化趋势，绘制新庙站1966—2010年径流量累积距平线(图1)，进行变点分析，将径流划分为水文特征变化相似的时段。由图可知，变点分别是1979年和1997年。据此，对新庙站1966—1978,1979—1996,1997—2010和1966—2010年4个时段的月径流量进行Mann—Kendall非参数统计检测，在0.05显著性水平下，1966—1978年的月径流序列U值，除2月的U值超出临界值，表现为显著增加趋势外，其余各月虽有一定的增加或减小，但都未超出临界值，增加或减小趋势并不显著。1979—1996年的月径流序列U值，超出临界值的有3—5月和9—11月，且都呈现出显著减小的趋势。1997—2010年的月径流序列U值，超出临界值的有1—3月、7月和10—12月，仍然都呈现出显著减小的趋势。对比不同时段各月的径流量变化趋势，可以发现，1和12月的径流量由第一时段的增加趋势，变为第2时段的减小趋势，进一步演变为第三时段的显著减小趋势。2月的径流量由第1时段的显著增加趋势，变为第2时段的略微增加趋势，再转变为第3时段的显著减小趋势。3月的径流量由第1时段的增加趋势，变为第2，3时段的显著减小趋势。4和5月的径流量由第1时段的减小趋势，变为第2时段的显著减小趋势，再转变为第3时段的减小趋势。6月的径流量由第1时段的增加趋势，变为第2，3时段的减小趋势。7月的径流量由第1时段的轻微减小趋势，变为第2时段的略微增加趋势，再转变为第3时段的显著减小趋势。8月的径流量在3个时期的径流趋势没有明显的变化，都处于略微减小趋势。9月的径流量由第1时段的轻微增加趋势，变为第2时段的显著减小趋势，再转变为第3时段的减小趋势。10月的径流量由第1时段的减小趋势，变为第2，3时段的显著减小趋势。11月的径流量由第一时段的轻微增加趋势，变为第2，3时段的显著减小趋势。就整个研究期1966—2010年来看，各月的径流量都处于显著减小趋势。

图1　新庙站年径流量累积距平曲线

月份1966—1978年(n=13)U值显著性1979—1996年(n=18)U值显著性1997—2010年(n=14)U值显著性1966—2010年(n=45)U值显著性11.46不显著-0.64不显著-3.45显著-3.38显著22.56显著0.04不显著-3.89显著-3.40显著30.98不显著-2.84显著-2.14显著-5.07显著4-0.24不显著-2.08显著-1.15不显著-5.05显著5-0.37不显著-2.08显著-1.59不显著-4.11显著60.37不显著-1.33不显著-1.04不显著-2.39显著7-0.37不显著0.95不显著-2.57显著-2.90显著8-0.37不显著-0.87不显著-0.82不显著-3.83显著90.73不显著-2.77显著-1.59不显著-5.22显著10-0.24不显著-2.01显著-2.03显著-5.22显著110.01不显著-3.67显著-3.34显著-6.40显著121.34不显著-0.04不显著-3.67显著-3.23显著

注：n为年序列长度(a)。

3.4　径流年内分配特征的变化趋势

径流年内分配特征各指标的变化过程及其拟合曲线如图2所示。由图2可知，1966—2010年新庙站的径流年内分配不均匀系数、完全调节系数、集中度和集中期的变化过程基本一致，不均匀系数、完全调节系数和集中度的较大值及较小值都处在相同或相近的年份。同时，各指标的变化过程都呈现波状起伏过程，但变化幅度略有不同。不均匀系数、完全调节系数、集中度的变化幅度较大，集中期的变化幅度较为缓和。

图2　研究区径流年内分配特性指标变化

4气候因素与人类活动对悖牛川径流年内分配的影响

依据前面变点分析结果，对悖牛川流域不同时期的气象要素(降水、气温和蒸发)与径流的关系进行分析(图3)。由图3可以看出，不同时期降水、气温和蒸发的年内分配规律基本一致，而径流却产生了明显的变化。在降水量较大的6—9月，不同时期各项气象要素基本不变的情况下，径流量却从1966—1978年的8.91×107m3减少到1979—1996年的6.32×107m3，进一步减少到1997—2010年的1.99×107m3，分别比上一时期减少2.59×107m3，4.33×107m3，汛期径流大幅下降。而在径流量最小的3个月份(1—2月和12月)，不同时期的径流量分别为3.51×107m3，3.55×106m3，1.15×106m3，前两个时期的径流量基本一致，而到了1997年以后，径流量出现大幅下降。说明气象要素对径流量的影响越来越弱，而人类活动对流域径流年内分配的影响逐渐加强。在悖牛川流域，改变径流的人类活动包括水土保持措施、退耕还林(草)措施、煤炭开采等。20世纪末的大规模煤矿开采对径流量的影响最为显著。据统计，悖牛川流域1998年原煤产量7.13×106t，2009年迅速上升到1.78×108t，是1998年的25倍。流域沿岸煤炭资源开采量迅速增加，导致大量导水裂隙的形成，改变流域下垫面条件，对河川径流产生显著影响。蒋晓辉等[16]曾提出在1997—2006年，由于煤矿开采导致整个窟野河水资源减少量为2.9×108m3/a，是近年来河川径流减小及径流年内分配变化的主要影响因素。

5结 论

(1) 悖牛川径流年内分配曲线为双峰型，月径流量1—2月处于低值，3—4月由于上游冰雪融水补给形成明显春汛。7月随着汛期降水增加，径流量迅速增加，8月达到峰值。9月后开始下降，12月再次到达低值。径流年内分配很不均匀，最大月径流量达到年径流量的37.63%，而最小月径流量仅占全年的0.65%；连续最大3个月径流量占年径流量的69.80%，连续最小3个月径流量仅为全年的3.09%。

(2) 20世纪60年代至今，径流年内分配各项指标的变化趋势基本一致，都呈现出“减小—增加—减小”的趋势。20世纪60—70年代的不均匀性最大，而80年代的不均匀性最小。就径流集中期而言，最大径流一般出现在7月中下旬到8月上中旬，相对比较集中。

图3　不同时期径流年内分配与气象因素年内分配对比

(3) 20世纪60年代以来，悖牛川各月径流量基本都处于减少趋势。通过变点分析，将径流划分为水文特征变化相似的时段。在0.05显著性水平下，1966—1978年除2月的径流量处于显著增加趋势外，其余月份的变化趋势都不显著。1979—1996年有6个月份的径流量处于显著减少的趋势。到了1997—2010年，径流量显著减少的月份增加到7个。对于整个研究期，12个月份的径流量都处于显著减小的趋势。

(4) 径流年内分配不均匀系数、完全调节系数、集中度和集中期的变化过程基本一致，各指标的变化

过程都呈现波状起伏过程，但变化幅度略有不同。

(5) 悖牛川流域径流年内分配特征主要受气象因素和人类活动2方面的影响，气候的影响呈减弱趋势，人类活动的影响与日俱增。尽管分析中气象要素所用数据为邻近温家川水文站观测数据，由于两站距离不足10 km，因此，可以反映气象因素和人类活动对径流年内分配影响。

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Change of Annual Runoff Distribution in Beiniuchuan River Basin

XIONG Xinzhi1, GUO Qiaoling1, Sun Bin2

(1.InstituteofResource&Environment,He’nanPolytechnicUniversity,Jiaozuo,He’nan454003,China; 2.ShenhuaShendongShigetaiColliery,Shenmu,Shaanxi719300,China)

Abstract：[Objective] Distributional changes of annual runoff in Beiniuchuan River basin were studied to provide a scientific basis for water resource planning, management and exploitation. [Methods] Based on the observed monthly streamflow in Xinmiao station from 1966 to 2010, annual distributional unevenness and concentration degree were calculated. Then Mann—Kendall test and cumulative filter method were employed to detect the trend of intra-annual runoff. [Results] (1) Generally, seasonal runoff distribution was bimodal with two peak values in August and March. The annual runoff distribution was very uneven with its maximum in August, which accounted for 37.63% of annual runoff. The minimum runoff in January only accounted for 0.65% of it. (2) The unevenness and concentration degree of runoffs in 1960s and 1970s reached the maximum, and they hit the lowest in 1980s. The maximum runoff occurred in late July to mid-August, relatively concentrated. (3) Monthly runoff had an obvious declining trend from 1966 to 2010. [Conclusion] Resulted from climatic change and human activity, the annual runoff showed an uneven distribution and the monthly runoff had a declining trend.

Keywords:runoff; annual runoff distribution; non-uniformity; concentration degree(period); Beiniuchuan River Basin

文献标识码：A

文章编号：1000-288X(2015)06-0335-06

中图分类号：TV121+.4

通信作者：郭巧玲(1978—),女(汉族),陕西省华阴市人,博士，副教授,硕士生导师,主要从事水文水资源方面的教学和研究工作。E-mail:guoqiaoling@hpu.edu.cn。

收稿日期：2014-09-17修回日期：2014-11-16

资助项目：国家自然科学基金青年项目“煤矿开采对地表径流影响机理及评价模型研究”(41201020)

第一作者：熊新芝(1988—),女(汉族),河南省郑州市人,硕士研究生,研究方向为水文水资源。E-mail:xiongxinzhi9@163.com。