流域水文气象变化趋势及相关性分析

曹小磊，周祖昊，许　翼，王子茹（.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 0008；.大连理工大学水资源与防洪研究所，辽宁 大连 6086；.沈阳环境科学研究院，辽宁 沈阳 006）

流域水文气象变化趋势及相关性分析

曹小磊1，2，周祖昊1，许翼3，王子茹2
（1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；
2.大连理工大学水资源与防洪研究所，辽宁 大连 116086；3.沈阳环境科学研究院，辽宁 沈阳 110016）

采用Mann-Kendall趋势检验和线性回归分析法，对松花江流域及水资源二级区1956-2010年的水文气象要素进行趋势分析，并采用Pearson相关系数方法，分析了研究区天然径流与气象要素之间的相关关系。趋势分析结果表明：松花江流域的气温呈显著上升趋势，降水呈不显著的减少趋势，日照时数、相对湿度和风速呈显著的减小趋势，潜在蒸散发呈显著增加趋势，天然径流深呈不显著的减少趋势。相关性分析结果表明，影响天然径流变化的主要因素是降水量，蒸散发变化也对径流有较为显著的影响作用，相对湿度减少和温度升高也在一定程度上通过对蒸散发的影响间接作用于径流变化。

水文气象要素；Mann-Kendall；趋势分析；相关性分析

0　引言

气候变化改变了地表的水热条件，使全球水资源供给条件发生变化，进而影响地表的生态水文过程，以及社会经济发展和生态环境建设［1］。由于区域条件的差异，气候变化情况具有不确定性，根据IPCC报告［2］，高纬度地区属于气候变化的敏感区域。寒区生态系统对全球变化的高度敏感性导致生态系统加速退化［3］，在气候变化及生态系统变化驱动作用下，寒区的水文循环过程发生了显著改变。松花江流域是我国气候变化敏感区，近年来，受气候变化影响，松花江流域干旱洪涝频发，水土流失严重［4］。目前针对松花江流域气候变化及其影响的研究大部分集中在单个气象、水文要素或局部区域的研究［4-9］，缺乏对全流域气象、水文要素变化以及水文要素与各气象因子之间相关关系的系统全面的研究分析。基于1956—2010年长系列气象水文资料，对松花江流域的气象、水文要素的变化趋势进行了分析，并探讨了影响流域径流变化的主要气象因素，以期为松花江流域的水资源可持续利用、生态建设和社会经济发展提供科学依据。

1　研究区概况

松花江流域地处我国东北地区的北部，流域面积55.68万km2。松花江有南、北两源，南源为第二松花江，流域面积7.82万 km2；北源为嫩江，流域面积28.3万km2［6］，两源于三岔河附近汇合向东而流注入黑龙江。松花江流域地处北温带季风气候区，多年平均降水量在500 mm左右，东南部山区降水可达700～900 mm，而干旱的西部地区只有400 mm，流域多年平均水资源总量为960.9亿m3，多年平均气温在-5～3℃之间。

2　研究数据和方法

气象资料来自中国气象科学数据共享服务网，包括松花江流域内的46个气象站和周边18个气象站的1956—2010年的逐日降水、气温、日照时数、相对湿度和风速数据。采用距离平方反比法（RDS）对松花江流域内的气象数据进行空间插值，统计得到各水资源分区的平均值。径流资料来源于松辽流域水资源综合评价的成果，具体收集了松花江流域1956—2000年45年的天然径流深数据，并依据1999—2010年的《松辽流域水资源公报》将天然径流数据延长至2010年。

采用线性回归分析法和Mann-Kendall趋势分析法［10］，分析松花江流域的气象要素和水文要素的年际变化趋势，在显著性水平α=0.05时，Mann-Kendall检验统计量的临界值为±1.96；采用pearson相关系数方法［11］，分析天然径流与各气象要素的相关关系。

3　结果分析

3.1松花江流域气象要素变化趋势分析

对松花江流域及水资源二级区1956—2010年的降水、平均气温、日照时数、相对湿度和风速的变化趋势，进行Mann-Kendall趋势线检验和线性回归分析，如表1所示。松花江流域降水呈不显著的减少趋势，平均减少幅度为0.80 mm/a；嫩江、第二松花江和松花江（三岔河口以下）的降水均呈不显著减少趋势，平均减少幅度分别为0.61 mm/年、0.52 mm/a和1.21 mm/a。松花江流域气温呈显著上升趋势，平均升幅为0.39℃/10 a；嫩江、第二松花江和松花江（三岔河口以下）的气温均呈显著上升趋势，平均上升幅度分别为0.42℃/1 0a、0.38℃/10 a和0.27℃/10 a。松花江流域日照时数、相对湿度和风速均呈显著的减少趋势，各水资源分区的日照时数、相对湿度和风速也均为显著减少趋势，只是受地理位置、下垫面条件等因素影响，减少程度有所不同。3.2松花江流域潜在蒸散发趋势分析

表1　松花江流域气象要素趋势检验结果

蒸散发是能量平衡和水量平衡的重要组成部分，是水文循环的重要环节，潜在蒸散发是实际蒸散量的理论上限，通常也是计算实际蒸散量的基础［12］。根据插值得到的日气象资料和彭曼公式［13］，计算松花江流域的多年平均潜在蒸散发为659.53 mm，其中嫩江、第二松花江和松花江（三岔河口以下）的潜在蒸散发多年平均值分别为667.98 mm、 670.32 mm和645.55 mm。松花江流域潜在蒸散发的年际变化如图1所示，Mann-Kendall趋势检验和线性回归分析结果显示其呈显著增加趋势，平均增幅为0.75 mm/a，见表2。从水资源分区来看，嫩江的潜在蒸散发呈显著增加趋势，平均增幅为0.95 mm/a，第二松花江和松花江（三岔河口以下）的潜在蒸散发呈不显著增加趋势，平均增幅为0.47 mm/a和0.53 mm/a。 3.3松花江流域径流趋势分析

图1　松花江流域潜在蒸散发年际变化

表2　松花江流域潜在蒸散发趋势检验结果

松花江流域的多年平均天然径流深为142.62 mm，径流系数为0.26，利用Mann-Kendall趋势检验法和线性回归分析方法，对天然径流的变化趋势进行分析，结果如图2所示，松花江流域1956—2010年的径流呈波动减少趋势，平均减少幅度为0.53 mm/a，Mann-Kendall趋势检验得到的统计值为-1.29，即不显著减少趋势。

图2　松花江流域径流年际变化过程

表3给出了松花江流域1956—2010年径流的平均值、径流系数、变差系数和趋势检验结果。嫩江、第二松花江和松花江（三岔河口以下）多年平均天然径流深分别为94.30 mm、223.16 mm和185.50 mm。从径流变差系数来看，嫩江最大，表明嫩江径流年际变化较大，而第二松花江和松花江（三岔河口以下）径流变化则相对较小。Man-Kendall趋势检验结果表明：嫩江的天然径流呈显著减少趋势，平均减少幅度为0.48 mm/a；第二松花江和松花江（三岔河口以下）的天然径流则呈不显著减少趋势，平均减少幅度分别为0.11 mm/a 和0.76 mm/a。3.4松花江流域径流与气象要素的相关性分析

表3　松花江流域径流统计量和趋势检验结果

分析松花江流域1956—2010年的天然径流和降水的相关关系，结果见表4，径流与降水存在显著的正相关关系，相关系数为0.93。可见，松花江流域近几十年来径流减少，主要是由于降水减少引起的。从水资源分区来看，嫩江、第二松花江、松花江（三岔河口以下）径流和降水均呈显著的正相关关系，相关系数分别为0.89，0.92和0.93。

对松花江流域的径流和潜在蒸散发进行相关性分析，结果如表4所示，径流与潜在蒸散发呈显著的负相关关系，相关系数为-0.72。

表4　松花江流域径流与气象要素的相关系数

可见，松花江流域蒸散发变化对径流的影响虽然不及降水，但也较为显著，是径流变化的因素之一。潜在蒸散发增加的趋势表明地区的蒸散发能力呈逐渐增大趋势，更多的降水将以蒸散发的形式返回到大气中，导致地区产流系数的下降。从水资源分区来看，嫩江、第二松花江、松花江（三岔河口以下）径流和潜在蒸散发呈显著的负相关关系，相关系数分别为-0.64，-0.59和-0.74。

区域蒸散发又受气温、日照、相对湿度和风速4个要素的影响，各气象要素通过对蒸散发的影响间接作用于径流。通过分析气温、日照、相对湿度、风速和潜在蒸散发的相关关系，可以进一步明确各气象要素对径流的影响程度。

表5　松花江流域潜在蒸散发与气象要素的相关系数

由表5的分析结果可以看出，松花江流域的气温、日照、相对湿度、风速和潜在蒸散发均存在较好的相关性，其中，蒸散发与相对湿度的相关性最高，相关系数为-0.78；其次是温度，相关系数为0.52。可见，温度和相对湿度是影响松花江流域蒸散发变化的主要气象因素，同时也在一定程度上引起径流变化。日照时数和风速对潜在蒸散发的影响作用相对较弱，相关系数分别为0.36和-0.30，受其他气象因素的影响作用，松花江流域风速与潜在蒸散发呈负相关关系。水资源分区各气象要素与潜在蒸散发的相关关系基本与松花江流域相同。

4　结论

分析松花江流域近195—2010年的水文气象要素变化趋势，以及影响松花江流域径流变化的主要因素，得出：

松花江流域的气温呈上升趋势，降水、日照时数、相对湿度和风速呈下降趋势，潜在蒸散发呈增加趋势，天然径流深呈下降趋势。其中，温度的平均上升幅度为0.39℃/10 a，降水的平均减少幅度为0.80 mm/a，潜在蒸散发的平均增加幅度为0.75 mm/a，径流的平均减少幅度为0.53 mm/a。

通过对松花江流域径流、潜在蒸发和气象要素之间的相关性分析，表明影响天然径流下降的主要原因是受降水减少的影响，此外，蒸散发量增加也是松花江流域天然径流减少的主要原因之一；其他四个气象要素主要通过对蒸散发的影响间接作用于地区的径流量，而气象要素和潜在蒸散发之间的相关性分析表明，引起松花江流域蒸

发变化的主要原因是相对湿度和气温。

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将这次计算的桓仁、回龙山、太平哨水电站坝址设计洪水成果与1972年太平哨初设审定成果比较，均值减小，Cv值增大，各频率设计洪水成果均有所减小。其中洪峰流量设计成果减小幅度在0%～8%之间，3 d洪量成果减小幅度在4%～10%之间，分析其原因，主要为1971年以后浑江流域虽然发生了1986，1995，2010年等大水，但其量级相对于1888，1960年等历史洪水还有一定差距，对前4位大洪水的排位无影响，而洪水系列的延长导致大洪水重现期增加，致使频率曲线中的大洪水点距左移，且本次延长系列中大多数年份洪水量级不大，导致均值减小，从而使本次洪峰、洪量设计

值较太平哨初设成果整体减小。

6　结语

通过对桓仁、回龙山、太平哨水电站坝址设计洪水进行复核分析，各坝址设计洪峰、洪量成果较审定成果有一定程度的减小，因此，从工程安全角度分析，太平哨初设审定的洪水成果仍然是安全的。考虑各水电站工程均已建成，为保持工程设计洪水成果相对稳定、且从工程安全考虑，桓仁、回龙山、太平哨坝址洪水仍可沿用既往审定成果。

［参考文献］

[收稿日期]2016-04-20

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