乌裕尔河流域水文气象要素演变特征分析

2015-12-11罗先超魏怀斌

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2015年4期

罗先超，魏怀斌

(华北水利水电大学，河南郑州 450045)

变化环境下水文水资源的研究是业界当今所关注的研究热点之一［1］．伴随着以全球变暖为主要特征的气候变化，降雨、气温、蒸发等气象要素也会发生不同程度的变化，这些气象水文要素的改变势必会影响水文循环的降水、水汽输送及蒸散发等环节，从而影响流域水资源状况．乌裕尔河是扎龙湿地主要的补给水源，也是扎龙湿地演变的重要因子，因而乌裕尔河流域的水文气象状况直接关系着扎龙湿地的水循环及生态保护［2］，探究其流域水文气象特征对区域的水资源合理开发利用及保护具有重要意义．黄方等基于Landsat MSS 和TM 影像在GIS 技术支持下分析了20 世纪70 年代中期以来松嫩平原乌裕尔河中下游流域湿地的时空变化［3］;王建成等根据乌裕尔河自上而下的水文站资料论述了乌裕尔河水污染对扎龙湿地保护区生态环境的影响［4］;韩玉梅在分析乌裕尔河流域的水系、水文、气候、水资源等特点的基础上探讨了乌裕尔河水文特性与生态环境保护问题［5］;孙万光研究了气候变化对乌裕尔河流域水文特性的影响［6］;王磊等对乌裕尔河流域的水文特征及其变化趋势进行了详细的分析，研究了扎龙湿地对乌裕尔河流域水文特征的响应［7］．

在以上研究成果的基础上，笔者对气候变化下乌裕尔河流域的水文气象要素演变特征进行分析．选取乌裕尔河流域7 个代表雨量站的近60 a 气象数据和龙安桥水文站57 a 的径流数据，运用线性趋势估计、Kendall 秩次相关检验分析了降雨、气温及蒸发变化特征，运用累计距平法和小波分析法分析了降雨变化和径流的演变趋势，旨在更好地掌握乌裕尔河流域的水文气象要素特征，为气候变化下流域的水资源利用管理及下游扎龙湿地的水循环及生态保护提供依据．

1 数据与方法

1．1 数据来源

乌裕尔河流域的地理位置为东经125°20'—128°30'，北纬47°40'—48°20'，流域呈长条型［6］，地势自东北倾向西南，海拔高程为145 ～410 m，干流河道全长576 km，落差271 m，平均坡降0．047%，流域总面积8 224 km2．流域概况如图1 所示．

为了增强资料记录的可靠性，取该流域的空间平均序列作为区域序列［8］．本文选用分布在乌裕尔河流域的北安、克山、富裕、海伦、明水、齐齐哈尔、伊春7 个具有代表性的气象站资料，进行降雨、气温、蒸发变化特征分析．乌裕尔河上的水文站有北安站、依安站、零号站、龙安桥站等［9］，本文根据所获资料，对具有代表性且资料齐全的龙安桥站进行径流变化特征分析．

图1 乌裕尔河流域概况

1．2 研究方法

研究气象、水文序列变化趋势的方法有很多，常用的有线性倾向估计、累计距平、小波分析、Kendall秩次相关检验等［9－11］．笔者选择以上方法并结合MATLAB、EXCEL 等工具对乌裕尔河流域的水文气象要素进行变化特征分析．

2 水文气象变化特征分析

2．1 降雨变化特征

2．1．1 降雨年内变化

根据乌裕尔河流域7 个雨量站1953—2012 年实测的年内月降雨统计资料，得出该流域年内月平均降雨量变化如图2 所示．从分析结果来看，该流域降雨量偏少，降雨主要集中在6—9 月，占全年降雨量的78．9%，其中7、8 月份降雨量最大，占全年降雨量的52．2%，春季干旱少雨，冬季寒冷少雨．

图2 年内月平均降雨量、蒸发量及径流量

2．1．2 降雨年际变化

根据该流域历年实测的降雨统计资料，得出历年平均降雨量变化过程如图3 所示，在1953—2012年降雨量总体上呈减少的演变趋势，年际间降雨量呈现较大波动．近 60 a 的降雨倾向值为－4．33 mm/10 a，此回归方程的相关系数R2=0．005，值很小，并且对年降雨序列运用Kendall 秩次相关检验，其检验统计量，不能满足α =0．05 的显著性检验水平，接受原假设，即趋势不显著．说明乌裕尔河流域的降雨量变化呈不显著的递减线性趋势，可能呈现周期性变化特征．

图3 乌裕尔河流域历年降雨量变化过程

2．2 温度变化特征

2．2．1 气温年内变化

图4 为多年月平均气温变化图．由图可以看出年内气温变化有明显的季节性，比较寒冷的月份(气温均在0 ℃以下)为每年的11 月到次年3 月，该流域的年内月平均最低气温为－ 19 ℃(1—2 月)，月平均最高气温约25 ℃(6—8 月)．

图4 多年月平均气温变化图

2．2．2 气温年际变化

分析乌裕尔河流域7 个气象站1959—2012 年实测的气象数据，得出该流域的年平均气温变化如图5 所示．结果表明:该流域的气温总体上呈现上升趋势;从气温线性趋势回归方程来看，升温倾向值为0．36 ℃/10 a，相关系数比较大;利用线性回归趋势检验可知，该流域气温的线性趋势显著．

图5 乌裕尔河流域年平均气温变化图

2．3 蒸发变化特征

根据该流域的1961—2012 年蒸发量资料得出，多年平均蒸发量为1 280 mm，而多年平均降雨量为531 mm，蒸发量是降雨量的2．34 倍，多年年际蒸发量无明显的大波动．运用Kendall 秩次相关检验对多年蒸发量序列进行检验，检验统计量收敛于标准化正态分布，检验统计量．结果表明，多年蒸发量无显著变化趋势，年蒸发量相对平稳．年内蒸发量变化如图2 所示．由图可知:蒸发主要集中在4—9 月，占全年蒸发量的83．6%，其中5 月份的蒸发量最大，分析原因是该时段天气回暖、日照丰富且风速较大;12 月和1 月份的蒸发能力最弱，合计仅是年蒸发量的1．7%;月蒸发量均大于月降雨量，故该流域气候相对干燥，容易出现干旱．

2．4 径流变化特征

根据所得水文资料，选取资料可靠的龙安桥站的径流资料进行分析．

2．4．1 径流年内变化

年内径流变化如图2 所示，由图可以明确看出乌裕尔河为季节性河流，每年12 月到次年2 月河流处于冰冻期，河流基本断流，3 月以后(春季)随着气温升高，冰雪融化，径流量增加．径流主要集中在6—9 月份，这与降水过程相符．最大径流量出现在8月份，9 月份以后径流量逐渐减小至断流．

2．4．2 径流年际变化

乌裕尔河流域龙安桥站年径流量的变化存在明显的丰枯周期变化，总体上有逐年减小的趋势，如图6 所示．回归方程的相关系数R2值比较小，而且对年径流序列运用Kendall 秩次相关检验，其检验统计量，没有达到α=0．05 的显著性检验水平，接受原假设，即趋势不显著，说明径流量的变化也不是呈显著的线性递减趋势，可能有周期性演变特征．

图6 乌裕尔河龙安桥站年径流量变化过程

3 水文周期及演变趋势

综上分析可以看出，降雨和径流均不是呈显著的递减线性趋势，可能存在周期性变化特征．选用累积距平法对乌裕尔河流域的降雨和径流进行趋势分析，用小波分析法进行降雨和径流的周期性分析．

3．1 降雨趋势分析

利用累计距平法进行降雨量趋势分析，结果如图7 所示．从图中可以看出，降雨量存在明显的丰水期、枯水期．1955—1963 年、1982—1988 年为显著的丰水期，1972—1982 年、1998—2008 年为枯水期，1964—1972 年、1989—1998 年为振荡期，丰枯周期交替出现．在MATLAB 软件工具中用小波分析法得出该降雨序列的小波方差如图8 所示．由图可知，多年平均降雨量存在2 个明显的峰值，所对应的周期分别为30、8 a，其中第1 主峰对应的是30 a 尺度，为降雨变化的主周期，第2 周期为8 a．

图7 多年平均降雨量累积距平年际变化过程

图8 多年平均降雨量序列小波方差

3．2 径流趋势分析

对乌裕尔河的代表水文站——龙安桥站的近60 a 的径流资料进行分析，得到年径流量累积距平变化过程，如图9 所示．由图可以看出:乌裕尔河龙安桥水文站年径流有2 个显著的丰水期即1956—1963 年、1982—1988 年，2 个显著的枯水期即1972—1982 年、1999—2012 年，振荡期为1964—1971 年、1989—1998 年，振荡期内丰枯周期交替出现，持续的丰水期或枯水期均在4 a 内交替出现．这种现象跟降雨量趋势分析的结果极其相似，也充分说明降雨和径流显著相关．