浍河水库1960—2008年蓄水量变化趋势分析

2016-09-03孙风朝张书花

浙江水利科技 2016年3期

关键词：蓄水量河水库出库

孙风朝，张书花

(1．山西水利职业技术学院，山西　运城　044004；2．浙江省水利河口研究院，浙江　杭州　310020)

浍河水库1960—2008年蓄水量变化趋势分析

孙风朝1，张书花2

(1．山西水利职业技术学院，山西运城044004；2．浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020)

基于浍河水库1960—2008年49 a实测数据，运用Mann-Kendall趋势检验和线性回归方法研究分析了浍河水库蓄水量多年变化趋势及其影响因素。结果表明：过去49 a入库水量、出库水量和水库蓄水量均呈现出显著下降趋势；与出库水量相比，入库水量在非汛期下降趋势更为显著；入库水量和出库水量在1984年发生突变，且在非汛期入库水量和出库水量的变化较汛期更为明显。

浍河水库；水库蓄水量；变化趋势

1　问题的提出

山西地处山地、高原地区，全省水资源总量142亿m3，人均占有量381 m3，是全国平均水平的1/5，世界平均水平的1/25。水资源匮乏已经成为山西省关注的热点问题之一。浍河水库系黄河流域汾河一级支流上的一座中型水库，是一座以灌溉、防洪为主兼有养殖、旅游等综合效益的水利枢纽工程，是拦蓄天然降水，合理有效利用水资源的有效途径，对防治干旱、洪涝等灾害及一些极端气候的发生起着至关重要的作用。

水库蓄水为下游城镇居民和牲畜的饮用水提供保证，对于中下游防洪减灾、灌溉效益以及水资源利用起着重要作用。蓄水量的变化主要是由于入库水量、出库水量以及蒸发渗漏损失等引起的。近些年，在水库蓄水量变化方面已有相应的研究，黄荣珍[1]等研究了福建闽江上游不同林地类型土壤水库蓄水量动态变化，结果显示不同林地类型土壤水库的月蓄水量变化主要受降雨量、土壤蒸发量和植物蒸发散等影响；谷晓平[2]等分析了春、夏季降水对水库蓄水量的影响，结果表明春末、夏末水库水位均与流域内前2个月的降雨量相关最好。近些年针对浍河水库的研究主要集中在坝体结构及主要泄流建筑物上面[3-4]，而基于水库入库、出库水量以及蒸发渗漏等对水库蓄水量变化的研究较少，尤其是有针对性的分析水库汛期和非汛期入库及出库水量长系列变化的研究工作尚未见到。因此，对浍河水库过去49 a蓄水量的变化趋势研究分析，对于更好地探究其影响因素，并制定对应策略保证水库蓄水量，更好地解决水资源配置问题，提高用水保证率都具有重要的科学意义。

2　材料和方法

2.1水库概况和数据来源

浍河水库位于黄河流域汾河水系浍河支流的中段，属北纬35°～36°，东经111°～112°，总流域面积1 928 km2，以黄土丘陵为主，全长100 km。浍河由2大支流(浍河和续鲁峪河)在翼城县丁村与绛县大交镇交界处汇流而成，经曲沃县、侯马市、新绛县三林镇注入汾河，整个河床比降为7.7‰。水库控制流域面积1 301 km2，占总流域面积的67.5%。浍河水库区间流域面积963 km2，其中丘陵区490 km2，植被覆盖面积190 km2，流域海拔高程在448.26～1 365.26 m，为半干旱，半湿润地区。多年平均降水量568.0 mm，最大年降水量966.3 mm，发生于1965年中村境内，最小年降水量68.4 mm，发生于1961年续鲁峪一带。多年平均气温为12.9 ℃，极端最低气温-12.2 ℃。极端最高气温42 ℃。无霜期185 d，最大冻土深度50 cm，最大风速15 m/s。多年平均蒸发量514.3 mm。水库最大结冰厚度0.3 m。

本研究所采用的数据主要由当地水库管理局提供，主要包括水库多年蓄水量、入库水量、出库水量和蒸发渗漏损失等。降雨数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)，部分由当地水库提供。

2.2Mann-Kendall趋势检验

本文应用MK检验1960—2008年浍河水库蓄水量、入库水量和出库水量等的变化趋势。Mann-Kendall(MK)趋势检验是一种简单的非参数检验，该方法由Mann在1945年提出，Kendall在1975年加以改进，与相关的参数检验法相比，其优点在于不需要检验数据服从某种分布，也不受少数异常值的干扰，因此受到世界气象组织高度推荐并普遍应用于水文气象参数的变化趋势的显著性检验。MK检验得到的统计量Z值如果是正值，表明被检验序列呈现增加的变化趋势，如果是负值，表明序列呈现减少的变化趋势。另外，如果Z值绝对值大于95%置信水平统计值1.96，表明序列呈现的趋势是显著的[5]。

2.3双累计曲线

双累积曲线是指同一个时期内一个变量的连续累积值与另一个变量连续累积值的关系线[6]。如果2个变量成比例，将是一条直线，且这条线的斜率为2个变量之间的比率。如果该曲线的梯度发生变化则表明变量之间的原始关系被打破，且斜率发生突变点的年份为2个变量累计关系出现突变的时间。

3　结果与分析

3.11960—2008年水库蓄水量的变化趋势分析

用简单的线性回归方法结合MK趋势检验分析浍河水库年蓄水量、入库水量、出库水量和蒸发渗漏损失的变化趋势。从图1和表1可以看出1960—2008年49 a水库年蓄水量表现出显著下降趋势(Z值为-2.870，坡度为-22.71万 m3/a)。由于浍河水库降雨记录资料比较完善，因此选取中雨(日降雨量10～25 mm)、大雨(日降雨量25～50 mm)、暴雨(日降雨量50～100 mm)以上对应的库水位上涨过程记录，计算入库洪量。选取典型样本为中雨3～5次，大雨5～8次，暴雨以上全选。图2为浍河水库P(降雨)—V(入库量)关系曲线图。从图2可以看出，水库入库水量的多少主要和降水量成正相关关系。图3可以看出主要是由于降雨的下降(Z=-1.043)使入库水量在多年呈现出显著下降趋势(Z=-6.150)。伴随着入库水量的下降，出库水量也表现出同入库水量较为一致的显著下降趋势(Z=-6.120)，但由于下游人口增加及工业用水增加等导致用水量增加，使得出库水量下降趋势略低于入库水量。入库水量的下降会导致水库蓄水量的下降，而出库水量的下降则会导致水库蓄水量的增加，蒸发渗漏损失也会导致水库蓄水量的下降。从表1可以看出蒸发渗漏损失虽然表现为下降趋势(Z=-1.720)，由于其平均年下降量较小(坡度为-2.93万m3/a)，相比降水量变化等对水库蓄水量变化影响较小，因此未做相关分析。近些年，当地工业发展迅猛，浍河水库承担了立恒、通才、中宇、闽光焦化等当地4大支柱企业的供水任务，加之降水量的下降与蒸发渗漏损失，最终使水库蓄水量呈现出显著下降趋势。

图4给出了浍河水库1960—2008年月平均入库水量和出库水量的Mann-Kendall趋势检验Z值。从图4中可以看出，入库水量都呈显著下降趋势(Z>1.960)，且在非汛期下降趋势较汛期更为明显；出库水量除了9月平均值也都表现出显著下降趋势，其汛期下降趋势较非汛期更为明显。比较入库水量和出库水量在多年12个月各月平均值中的MK趋势分析Z值，可以看出在汛期入库水量和出库水量表现出较为一致的下降趋势，但在非汛期入库水量的下降趋势明显大于出库水量，因此导致全年水库蓄水量表现出下降趋势。

图1　入库水量、出库水量和水库蓄水量的多年变化趋势图

水量Z值显著性坡度/(万m3/a)入库水量-6.15***-182.27出库水量-6.12***-184.64蓄水量-2.87***-22.71蒸发渗漏量-1.72*-2.93

注：表中“***”和“*”分别表示置信水平为99%和90%。

图2　浍河水库P(降雨)—V(入库量)关系曲线图

图3　降雨量和入库水量的多年变化趋势图

图4　1960—2008年入库水量和出库水量月平均MK趋势检验Z值图

3.2汛期和非汛期影响水库蓄水量变化因素分析

由于入库水量和出库水量有较强的相关性，且表现出明显的正比关系，同时，其变化对水库蓄水量的变化影响较大，因此本研究对入库水量和出库水量绘制双累计曲线，寻找突变年份，从而定量分析入库水量和出库水量的变化及对水库蓄水量的影响。从上述分析可以看出在汛期和非汛期水库入库水量和出库水量的下降程度明显不同，因此将全年划分成汛期和非汛期来讨论。将汛期和非汛期内的入库水量和出库水量连续累计值绘制成曲线，由于2个变量有较强的相关性，因此从图5可以看出在1960—1983年，2个变量的斜率都没有发生变化，不论是汛期还是非汛期，曲线斜率都是在1984年发生转变，与该年属于水量偏枯年有关。1984年上游小河口水库承担小河口灌区供水任务也对此有一定影响。从表2可以看出，相比1960—1983年，汛期和非汛期入库水量和出库水量在1984—2008年都有明显减小。汛期入库水量减少了1 798.5万m3，出库水量减少了2 370.0万m3，出库水量比入库水量多减少了571.5万m3，因此导致在汛期增加水库蓄水量。但在非汛期，入库水量减少了2 071.5万m3，出库水量减少了1 410.1万m3，入库水量比出库水量多减少了661.4万m3，使非汛期水库蓄水量减少。可以看出，在突变年后入库水量比出库水量减少更多，加之蒸发渗漏损失，使水库蓄水量全年呈现出显著下降趋势。从表2可以看出，1984—2008年水库年蓄水量比突变前减小了479.2万m3。