大通河流域上游径流变化特征与突变分析

刘赛艳，黄　强，解阳阳，王义民

(西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，陕西 西安 710048)



大通河流域上游径流变化特征与突变分析

刘赛艳，黄强，解阳阳，王义民

(西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，陕西 西安 710048)

[摘要]【目的】 分析大通河流域上游径流变化特征，明晰其演变规律，为大通河流域水资源规划与管理提供科学依据。【方法】 利用累积距平、滑动平均、R/S法、Cramer法和小波分析法等方法，对大通河上游流域径流的年内年际变化特征、趋势、突变状况及周期进行分析，并针对径流变化的成因进行了探讨。【结果】 大通河上游流域径流量存在以下特点：(1)径流量年内分配不均，81.6%～87.2%的径流量主要集中在汛期；年际变化波动频繁，1956-2010年经历了“丰-枯-丰-枯”4个循环交替；(2)近半个世纪以来，大通河流域上游径流呈减少趋势，尕日得和尕大滩站径流年均递减系数分别为0.010 2和0.006亿m3/年，两站Hurst指数分别为0.70和0.58，表明径流减少趋势具有正持续性；(3)大通河上游径流在1989年出现突变，原因是1989年汛期发生大面积集中降水，因此突变不具有持续性；(4)大通河上游流域年径流量在6，18及30年左右时间尺度上周期振荡明显；(5)气候变化是大通河上游流域径流减少的主要原因，而人类活动(主要是外调水工程)直接导致了上游径流的减少。【结论】 受人类活动和气候变化影响，大通河流域上游径流量已经发生明显变化，在大通河流域水资源开发利用和管理中应引起重视。

[关键词]大通河；径流变化；径流突变；R/S法；Cramer法；小波分析

IPCC(The Intergovernmental Panel on Climate Change)主席Pachauri在IPCC技术报告之六《气候变化与水》的序言中指出：“气候、淡水和各社会经济系统以错综复杂的方式相互影响。气候变化与水资源的关系是人类社会关切的首要问题”[1]。国内外许多研究成果表明，受全球气候变化及人类活动的影响，许多河流天然径流过程出现明显变化，实测径流量往往与天然状况下有较大差距，即出现突变或变异[2]。

大通河流域多年平均径流量为28亿m3，是我国西北干旱地区水量相对较丰富的一条河流。从20世纪90年代开始，大通河流域先后规划并建成了“引大入秦”、“引大济湟”、“引大济西”等跨流域调水工程，成为青海东部和甘肃中西部重要的水源地。近年来，随着青海、甘肃两省对大通河流域水资源开发力度的不断加大，造成河口地区水源枯竭，水质恶化，土壤盐渍化，植被大量枯死或退化[3-5]，已经引起越来越多学者的关注和担忧。黄维东等[3]、刘进琪[4]、李万寿等[5]的研究表明，大通河流域水能水资源的开发对河流水文过程及生态环境呈现负面影响；张晓晓等[6]对大通河享堂水文站径流量的变化特征和趋势进行了分析，得出下游享堂站径流出现减少的结论；王丽君等[7]分析了流域径流的时空分布规律，发现河段径流溯源度总体呈现衰减趋势。

目前，大通河流域的开发利用以跨流域调水工程及梯级水电站开发为主，外调水工程除“引大入秦”引水枢纽设在大通河中下游天堂寺外，其余工程均安排在大通河流域上游的武松他拉-尕大滩段。大通河的水资源主要来源于上游地区，但当前关于大通河流域上游水资源的研究成果比较少。本研究在收集大通河流域上游天然径流资料的基础上，借助累积距平、滑动平均、R/S法、Cramer法和小波分析法等方法，对大通河上游流域径流的年内年际变化特征、趋势、突变状况及周期进行分析，并针对径流变化进行了成因分析，旨在为大通河流域的综合治理、水资源合理开发与利用及生态环境保护提供科学参考。

1研究区概况及数据资料

大通河是黄河最大的二级支流，湟水的一级支流，发源于青海省天陵县木里山，地跨青海和甘肃两省，流经青海省的天峻、祁连、刚察、海晏、门源、互助、乐都、民和以及甘肃省的天祝、永登、红古等11个县(区)，在民和县享堂镇汇入湟水。流域呈西北-东南走向，地理位置处于东经98°30′～103°15′、北纬36°30′～38°25′，面积为15 130 km2，干流全长560.7 km。大通河流域地处内陆高原，周围群山环抱，东依黄土高原，西接柴达木盆地，南靠湟水谷池，北临河西走廊，属内陆高寒气候。大通河流域水资源丰富，年降水量300～600 mm，并呈现从东南向西北递减现象。

大通河流域如图1所示，其中尕大滩以上河段为大通河流域的上游，该河段以高山草原为主要特征，水系发育呈树枝状，径流以降水、冰川和沼泽补给为主。工、农业和生活用水主要集中在大通河流域中、下游，因此其上游尕日得、尕大滩2个水文站的实测径流受人类活动影响很小，可视为天然径流。本研究采用尕日得和尕大滩两站55年(1956-2010年)逐月平均实测径流资料进行分析，包括丰、平、枯年份及其不同组合，资料具有良好的代表性和可靠性。

2分析方法

2.1基于Cramer法的突变分析

(1)

(2)

统计量T服从自由度为(n-2)的t分布，给定显著性水平α=0.05，在t分布表中查出临界值tα，tα(53)=1.675。采用滑动方式计算统计量T，得到统计量序列Ti(i=1，2，…，n-nc+1)。若|Ti|>tα，则认为在划分子序列的位置发生了突变。

图 1　大通河流域

2.2基于R/S法的持续性分析

R/S法，又称极差分析法[10]，是用来表征水文序列“持续”特性的一个重要的参数。它是Hurst在大量实证研究的基础上提出的一种方法，后来Mandelbrot等[11-12]从理论上对该方法进行了补充和完善。针对水文序列X，作如下定义。

(1)均值序列(xτ)：

(3)

式中：{x(t)},t=1,2,…,n为一个完整的时间序列，τ为任意大于等于1的正整数。

(2)极差序列(R(τ))：

R(τ)=maxX(t,τ)-minX(t,τ)，1≤t≤τ。

(4)

(3)标准差序列(Sτ)：

(5)

(4)极差(Rn)：

基于1 660 mm2大截面碳纤维导线的特点，本文取夹嘴长度为350，325，275 mm三个方案，对导线夹紧状态进行了仿真分析，得到结论如下：

Rn=R(τ)/Sτ。

(6)

2.3基于小波分析的周期识别

水文序列含有周期成分、非周期成分和随机部分，为了识别流域径流序列的主要周期，即对径流时间序列变化起主要作用的周期，采用小波函数对径流时间序列进行连续小波变换，并用小波方差[13]进行检验，计算公式如下：

φ(t)=(1-t2)e-t2/2。

(7)

(8)

(9)

式中：φ(t)为墨西哥草帽函数；t为时间；a为尺度因子，a>0；σ为时间平移因子；Wf(a,σ)为小波系数；f(t)为径流时间序列；Wf(a)为小波方差。

小波方差反映了信号波动能量随尺度a的变化过程，通过绘制小波方差图，可以确定信号中不同种尺度扰动的相对强度和存在的主要时间尺度，即主周期。

3结果与分析

3.1径流基本特性分析

3.1.1径流年内年际变化尕日得和尕大滩多年平均径流量分别为8.64和15.97亿m2；两站年径流量的最大值都出现在1989年，分别为15.77和29.34亿m2；尕日得站年径流量最小值为3.69亿m2(1973年)，尕大滩站年径流量最小值为8.64亿m2(1979年)；极值比分别为4.27和3.40。两站年径流量变差系数Cv分别为0.27和0.24，年径流量序列离散程度较大；两站年径流量的偏态系数Cs分别为0.55和0.68，年径流量序列都为正偏分配。尕日得，尕大滩站汛期(5-10月份)的来水量占全年总径流量的81.6%～87.2%，其中7月份来水量分别占24.8%和22.2%，由此可见，大通河流域径流量年内分配并不均匀。

图 2　1960-2010年大通河流域尕日得站、尕大滩站各年代月平均径流量的变化曲线

3.1.2径流变化趋势为更好地反映大通河上游流域的径流变化趋势，运用累积距平法[14-15]得出近55年来大通河流域逐年径流距平累积曲线，结果如图3所示。根据大通河上游流域径流变化特点，可以将1956-2010年的径流变化过程分为4个阶段：1956-1976年，距平值一般都大于0，且径流量逐渐变大，可以划分为丰水期；从1976年开始，距平值急剧减小，到1980年达到极小值，可以划分为枯水期；1980-1989年径流量又不断增大；1989-2010年，径流量波动频繁，整体呈下降趋势，可以划分为一个较长的枯水期。

图 3　1956-2010年大通河流域尕日得站、尕大滩站径流量累积距平曲线

同时，对尕日得与尕大滩站1956-2010年年径流量序列进行5年滑动平均处理，并绘制滑动平均值过程线，结果如图4所示。由图4可以看出，1960-1980年径流量呈现减少的趋势，1981-1994年呈增加趋势，1995-2010年径流量变化不大。从研究的时段来看，大通河流域上游径流量减少趋势明显，尕日得及尕大滩2站径流量分别以0.010 2亿m3/年(线性方程y=-0.010 2x+28.711，R2=0.005 8，其中y为年径流量，x为年份，下同)和0.006 亿m3/年(线性方程y=-0.006x+27.611，R2=0.000 7)的线性趋势减少。尕日得水文站Hurst指数H=0.70>0.5，尕大滩水文站Hurst指数H=0.58>0.5，表明径流序列具有正持续性，即将来一段时期内径流减少趋势仍会持续下去。结合累积距平曲线与滑动平均值过程线发现，1989年左右径流量出现比较明显的跳跃情况，但大通河上游流域的年径流量在此年份是否发生突变，仍需要进一步检验。

图 4　1956-2010年大通河流域尕日得站、尕大滩站年径流量序列5年滑动平均值过程线

3.2径流突变分析

运用Cramer法进行突变检验的过程如下：首先确定子序列Xc的长度nc=10，然后运用滑动方式计算统计量T，得统计量序列Ti，最后绘制出Ti随时间的变化关系图，并与给定的显著性水平下的临界值进行对比，结果如图5所示。由图5可以看出，尕日得站T1989=1.86>1.675，尕大滩站T1989=1.84>1.675，表明大通河流域上游径流量在1989年出现突变。查阅相关资料了解到，1989年汛期发生了大面积集中降水，这正是导致突变的原因。因此，这种非持续的诱因使得径流突变不具有持续性。

图 5大通河流域尕日得站(左)、尕大滩站(右)的径流突变检验

Fig.5Runoff mutation at Garide station (left) and Gadatan station (right) in Datong River basin

3.3径流周期性分析

借助小波方差图分析大通河上游尕日得及尕大滩水文站近55年来径流时间序列，可以确定大通河流域径流量变化存在的主要时间尺度，即主要周期，分析结果如图6所示。由图6可以看出，尕日得及尕大滩两站55年的径流序列小波方差均有3个峰值，分别对应6，18及30年左右的时间尺度。2站径流序列的最大峰值均出现在30年左右，说明径流序列中30年左右的周期振荡最强，为径流序列的第1主周期，第2主周期为18年左右，第3主周期为6年左右。因此，大通河上游流域的径流存在6、18及30年左右的振荡周期。

图 6　大通河流域尕日得站、尕大滩站年径流振荡周期的小波方差分析

3.4径流变化成因分析

引起径流变化的原因可以分为2大类：气候变化和人类活动。气候变化对径流的影响简单来说有2个方面：(1)径流补给源的变化，如大气降水、冰川融水等都会直接影响径流量的变化；(2)气候变化通过影响冰川融化及流域内蒸发蒸腾作用，造成径流量的变化。人类活动对径流的影响也有2个方面，一是河道外引用水量增加，直接导致径流的减少；二是通过工农业生产、基础设施建设等活动改变流域的下垫面条件，造成径流量的减少。为了明确气候变化对大通河流域上游径流的影响，选用大通河流域上游的野牛沟、刚察、祁连、门源4个气象站1956-2010年月平均气温及降水资料数据进行分析，其中气象数据来源于中国气象科学数据共享网。为了反映温度和降水量的变化趋势及其与径流变化的关系，首先对温度和降水序列进行5年滑动平均处理，绘制出滑动平均值过程线，然后分别将其与尕日得、尕大滩2站径流序列进行对比，结果如图7所示。由图7-A、B可以看出，大通河流域上游气温呈明显上升趋势，根据线性趋势方程y=0.030 4x-60.686(其中y为气温，x为年份)，R2=0.575 9，可知其增温率为0.030 4 ℃/年，由1956年的-1.46 ℃增加到2010年的0.99 ℃。同时从气温5年滑动平均曲线可以看出大通河上游温度在1986年出现了突变。具体来说，1956-1986年气温在不断波动中呈现微弱的上升趋势，增温率为0.007 3 ℃/年，而1986-2010年气温开始呈现出比较明显的上升趋势，增温率达到0.062 5 ℃/年。由图7-C、D可以看出，大通河流域上游1956-2010年降水量在波动中呈现出微小的增加趋势，其变化率为0.058 09 mm/年(线性方程y=0.580 9x-721.24，其中y为年降水量，x为年份，R2=0.045 2)。根据降水量5年滑动平均值可知，降水量在1989年左右出现突变，这与径流突变分析结果一致。

分析尕日得、尕大滩2站径流序列与气温、降水序列的相关性，发现2站径流与温度的相关系数分别为-0.034 9和0.008 67，可见温度与尕日得水文站径流呈现不显著负相关，而与尕大滩水文站呈微弱的正相关；2站径流与降水的相关系数分别为0.684和0.745，可见2个水文站径流与流域内降水均呈显著的正相关性。由图7可以看出，20世纪90年代以前，尕日得及尕大滩的径流与气温的变化均有着较好的同步性，而在90年代以后同步性较差，且个别年份呈一定程度的反相位变化。这主要是因为大通河流域上游河流补给来源主要为大气降水和冰川及积雪融水，一方面气温的上升促进了冰川及积雪融水，增加了径流的补给，另一方面温度的上升又促进了流域的蒸散发，减少了径流。而两站在20世纪90年代之后，径流与降水呈现反相关性，这可能是人类活动的影响所致。

因此，大通河流域上游径流减少的可能原因有：(1)根据对气象资料的统计分析，大通河流域降水量略有增加，气温显著升高，可能导致流域蒸发量的增加幅度相比降水量的增加幅度大。(2)河川径流补给有相当一部分来自祁连山脉冰雪融水，而自20世纪80年代以来，祁连山脉积雪不断融化，导致大通河在20世纪80年代径流有所增加。但进入90年代，随着雪线不断上移甚至消失，冰雪融水的补给减少，直接导致径流显著减少。(3)人类活动的影响。查阅相关资料可知，大通河流域在21世纪初开始了“引大济西”外调水工程，调水位置为上游的百户寺，调水量逐步加大(2003年调水量0.4亿m3，2010年调水量0.93 亿m3，2020年规划调水量2.5亿m3)，这也成为大通河上游径流减少的重要原因之一。

图 7　大通河流域上游温度、降水变化过程及其与径流变化的对比

4结论

本研究采用R/S法、Cramer法、小波分析法等对大通河流域上游尕日得、尕大滩2个水文站55年(1956-2010年)实测月平均径流量进行研究，并对径流变化成因进行了分析，结果表明：

1)大通河流域径流量年内分配不均，各年的月径流曲线呈单峰型，其中81.6%～87.2%的径流量集中在汛期；径流年际变化波动明显，经历了“丰-枯-丰-枯”4个循环交替。

2)尕日得及尕大滩站径流年均递减系数分别为0.010 2和0.006亿m3/年。两站的Hurst指数分别是0.70和0.58，表明径流减少趋势仍将持续，这与张晓晓等[6]的研究成果一致。径流序列在1989年出现突变，但不具有持续性。

3)利用小波分析法对大通河流域上游径流周期进行识别，结果表明大通河流域上游径流量存在6，18及30年左右的振荡周期。

4)大通河流域上游尕日得、尕大滩水文站径流与流域内降水均呈正相关性，相关系数分别为0.684和0.745；但尕日得水文站径流与气温呈现不显著负相关，而尕大滩水文站径流与气温呈现微弱的正相关，相关系数分别为-0.034 9和0.008 67。

5)大通河流域上游径流减少既有气候变化的原因又有人类活动的影响，气候变化是径流减少的主要原因，而人类活动主要是通过外调水工程直接导致了上游径流的减少。

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Abrupt change and variation characteristics of runoff in the upper reaches of Datong River basin

LIU Sai-yan，HUANG Qiang，XIE Yang-yang，WANG Yi-min

(StateKeyLaboratoryBaseofEco-hydraulicinAridArea，Xi’anUniversityofTechnology，Xi’an,Shaanxi710048，China)

Abstract:【Objective】 This study analyzed the variation characteristics and development of runoff in the upper reaches of Datong River basin to provide scientific basis for water resources planning and management.【Method】 Cumulative anomaly,moving average,R/S method,Cramer method,and wavelet analysis were used to conduct stream features,tendency,detection for abrupt changes and period analysis.The reasons for runoff variations were also analyzed.【Result】 (1) The annual runoff was mainly distributed in flood season with the ratio of up to 81.6%-87.2%.The inter-annual runoff fluctuated significantly,experiencing “wet year-dry year-wet year-dry year” four cycles from 1956 to 2010.(2)The flows of Garide and Gadatan decreased by 0.010 2×108 m3/a and 0.006×108 m3/a,respectively for the past half century.The Hurst indexes of the two hydrological stations were 0.70 and 0.58,indicating that the decreasing trend had positive persistence.(3) According to the Cramer Test,a mutation was found in 1989 due to large area precipitation in flood season,and it had no continuity.(4) The principal periods of the stream-flow were 6 years,18 years and 30 years.(5) Climate change was the primary reason for the reduction of runoff due to water diversion projects and human activities directly led to the decline of upstream runoff.【Conclusion】 Affected by human activities and climate change,the runoff of Datong River basin upper stream has changed greatly,and attention should be paid to water resources utilization and management.

Key words:Datong River;runoff variation;runoff abrupt change;R/S method;Cramer method;wavelet analysis

DOI：网络出版时间:2016-02-0209:3710.13207/j.cnki.jnwafu.2016.03.030

[收稿日期]2014-05-07

[基金项目]国家自然科学基金项目(51190093，51309188，51179149，91325201)；陕西省重点科技创新团队项目(2012KCT-10)；高等学校博士学科点专项科研基金项目(20116118110009)；陕西省教育厅重点实验室项目(13JS069)

[作者简介]刘赛艳(1990-)，女，江西抚州人，在读博士，主要从事流域水文序列变异规律研究。E-mail：719685861@qq.com[通信作者]黄强(1958-)，男，四川梓潼人，教授，博士生导师，主要从事水文学与水资源研究。E-mail：sy-sj@.xaut.edu.cn

[中图分类号]P333

[文献标志码]A

[文章编号]1671-9387(2016)03-0219-08