降水与人类活动对小清河上游径流量的影响

朱 琳, 韩 美

(山东师范大学 地理与环境学院，山东 济南 250014)



降水与人类活动对小清河上游径流量的影响

朱 琳, 韩 美

(山东师范大学 地理与环境学院，山东 济南 250014)

根据小清河流域黄台桥水文站1965～2013年径流序列资料以及黄台桥雨量站的降水量数据，采用5a滑动平均法和Mann-Kendall非参数检验法，分析了小清河上游径流量和降水量的变化特征；在此基础上，利用径流量与降水量的双累积曲线对降水-径流序列进行了突变点分析，并对突变点前后径流量与降水量的Pearson相关系数进行了分析与检验。结果表明：小清河上游径流量与降水量均呈现增加趋势，但径流量较降水量的增加趋势显著。将小清河上游径流演变过程分为1965～1974年，1975～2003年和2004～2013年3个阶段，1965～1974年为天然径流阶段，1975-2013年为受人类活动影响显著阶段。在径流变化过程中，径流量与降水量的Peason相关系数逐渐减小，而人类通过排污、引水等活动加大了对径流量的影响程度，成为影响径流变化的决定性因素。科学地区分降水与人类活动对径流变化的影响，可以为研究流域水文循环过程提供借鉴，对实现水资源可持续利用也具有现实意义。

径流变化；降水；人类活动；小清河

1 引言

随着全球气候变化和人类活动的加剧，河川径流发生了显著变化。径流不仅对气候波动响应敏感，而且受人类活动强度影响显著[1]。实测径流不仅包括天然径流，还包括人类活动影响下的径流。众多学者已经对黄河、长江等大江大河及其支流径流量的变化规律以及影响因素做了大量的研究[2～7]。目前，评估气候变化对径流影响的方法主要有流域对比法、时间序列对比法以及流域水文模型3种[8]。流域对比方法是选择气候相似的研究流域，对比分析气候变化或人类活动的干扰。张永勇[9]等对比分析了气候变化对三江源地区径流变化的影响。时间序列对比法应用统计方法分析水文气象数据，即建立降水径流相关曲线，分析其相关关系。孙卫国等[10～12]采用交叉小波变换方法，讨论了黄河源区径流与区域气候变化之间的多时间尺度相关。曹建廷[13,14]等采用Mann-Kendall趋势检验法演示了长江、黄河源区的径流变化过程。流域水文模型既对流域内发生的水文过程进行模拟计算建立起的数学模型。刘洁等[15～18]通过建立流域降雨-径流模型分析了降雨和人类活动对流域径流的影响。随着济南市的发展，小清河流域社会经济活动越发频繁。在人类活动干扰下，小清河径流量整体上呈现出增加趋势。本文利用小清河流域1965～2013年的长时间序列资料(图1)进行了对比分析，以评估降水对径流量的影响，从而区分出人类活动对小清河上游的影响程度。

图1 小清河黄台桥以上流域水系

2 研究区域

小清河源于济南西郊睦里闸，干流流经济南市槐荫区、天桥区、历城区，于章丘出市境，流向滨州市的邹平，又经高青、桓台、博兴、广饶，由寿光市的羊角沟注入渤海。小清河济南市河段长70.5 km，流域面积2792 km2，是济南及沿岸地区的唯一排洪河道，担负着济南市承泻洪水的重要任务[19]。黄台桥水文站位于小清河上游，控制流域面积351 km2，流域内的主要支流有南太平河、北太平河、兴济河、工商河、西泺河、东泺河、柳行河、全福河。支流主要分布于主河道南岸，多属雨源型山溪河流。小清河流域属温带季风气候，降水变率大，约70%的降水集中在6～9月[20]。均在黄台桥水文站以上流入小清河主河道。本文主要研究黄台桥以上流域。

3 研究方法和数据来源

3.1 研究方法

3.1.1 滑动平均法

滑动平均法是趋势拟合技术最基础的方法，相当于低波过滤器[21]。用确定时间序列的平滑值来表示变化趋势。样本量为n的时间序列x的滑动平均序列可表示为：

(1)

式中k为滑动长度，选择合适的k可以较好地反应时间序列的变化趋势。

3.1.2 Mann-Kendall非参数趋势检验

用Mann-Kendall[16]非参数趋势检验法检测径流序列变化趋势，该统计检验方法的优点是不需样本服从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，被广泛应用于气象、水文要素等时间序列的趋势和突变分析。 对于具有n个样本量的时间序列x1，x2,…,xn构造一秩序列：

(2)

其中

sk是时间序列中第i时刻的数值大于j时刻数值个数的累计数。

在时间序列随机独立的假定下，定义统计量

(3)

其中，E(sk)、var(sk)是累计数sk的均值和方差，可由下式算出：

(4)

按时间序列x逆序xn，xn-1，…，x1，再重复以上过程，可得UBk。

若UFk或者UBk的值大于0，则表明序列呈上升趋势，小于0则表明呈下降趋势。当它们超过临界直线时，表明上升或下降趋势显著[21]。

3.1.3 双累积曲线和累积距平法

双积累曲线方法是目前用于水文气象要素一致性或长期演变趋势分析中最简单、最直观、最广泛的方法[17]。当两个变量累积值之间直线的斜率发生改变，那么斜率发生突变的年份就是两个变量累积关系发生突变的时间[22]。

累积距平也是一种常用的、由曲线直观判断变化趋势的方法。对于序列x,其某一时刻t的累积距平表示为:

(5)

累积距平曲线呈上升趋势，表示距平值增加，曲线呈下降趋势则表示距平值减小。从曲线的上下起伏，可以判断序列长期显著的演变趋势及持续性变化[21]。

3.2 资料来源

小清河流域径流量选用山东省水文局提供的黄台桥水文站1965～2013年逐年实测径流量资料，降水量选用山东省水文局提供的黄台桥雨量站1965～2013年的逐年降水量。

4 结果分析

3.1 径流量变化特征

根据1965～2013年小清河黄台桥水文站的实测年径流量资料，选取5a线性滑动平均法对小清河年径流量变化情况进行统计，结果如图2，小清河径流量呈现出不规则的周期性波动。20世纪70年代和90年代前期径流量呈增长趋势，80年代和90年代后期径流量呈减小趋势。进入21世纪以来，小清河径流量增长趋势明显，年均增长率为10.61%。统计资料显示，1965～2013年的多年平均径流总量3.03×108m3，最大年径流量5.64×108m3(2012年)，最小年径流量0.99×108m3(1968年)，极值比5.66。

图2 小清河上游年径流量变化及5年滑动平均

由Mann-Kendall趋势检验可以看出(图3)，1974年后小清河径流量变化的整体趋势是增加的，在20世纪70年代后期，UFk值超过显著性水平0.05(u0.05=±1.96)趋势线，表明在该时间段内，径流量增长趋势显著。2005年后，UFk值甚至超过了显著性水平0.001(u0.001=±2.56)趋势线，径流量的增长趋势十分显著。

图3 小清河上游径流量Mann-Kendall统计量曲线

4.2 降水量对径流量的影响

4.2.1 降水量的变化趋势

根据1965～2013年小清河黄台桥雨量站的降水量资料，选取5a滑动平均对小清河降水量变化情况进行统计，结果见图4。在研究时间序列内，降水量呈现不规则的周期性波动，降水量的最小值为297.5 mm(1968年)，最大值为1076.7 mm(2004年)。20世纪60、70年代，降水量增加趋势显著；80、90年代，降水量整体变化趋势比较平稳。2004年后，降水量有下降趋势。整体来讲，小清河的降水量呈现不太显著的增加趋势。

4.2.2 降水量与径流量相关性分析

由径流量与降水量的距平百分率曲线可以看出(图5)，二者的变化趋势大体一致，但并非完全吻合。1974年以前，径流量的年际波动幅度较大，1974～2003年二者年际波动幅度相差不大，2004年后径流量的波动幅度大于降水量的波动幅度。可见，降水并非是影响径流量的唯一因素，非降水因素也影响着小清河径流量的变化。2004年后，径流量距平百分率超过40%，而降水量在平均值附近波动，变化不大。表明在非降水因素的影响下，小清河上游的径流量呈显著的增加趋势。

图4 小清河上游降水量变化及5年滑动平均

图5 降水量与径流量距平百分率

采用Mann-Kendall非参数检验和双累积曲线法识别径流序列发生突变的临界年份。Mann-Kendall检验结果如图2，UFk与UFb两条曲线的交点出现在1974年，表明径流序列在1974年发生突变。由图6可见，双累积曲线的斜率在1974年、2003年发生明显变化，且3个阶段线性拟合趋势线的斜率呈增加趋势。3条趋势线R2均超过0.99，线性拟合程度较高。因此，可将降水-径流变化过程分为3个阶段：1965～1974年、1975～2003年和2004～2013年。第一阶段为天然径流阶段，人类活动对小清河的干预较少，其径流量主要受降水等自然条件的影响。第二、三阶段为受人类活动影响显著阶段，双累积曲线表明，在人类活动的干预下，小清河径流量呈增加趋势。

图6 小清河上游降水量与径流量的双累积曲线

不同时期径流量与降雨量的相关关系发生变化，如图7。随着时间序列的推移，径流量与降水量的关系点向右推移，相同量级降水量下的径流量明显增加。因此，将1965～1974年划分为受人类活动影响较小的天然径流阶段是有意义的。

图7 不同时期径流与降水的相关关系

年份相关系数r检验值p相关水平1965～19740．872P<0．01显著相关1975～20030．538P<0．01中度相关2004～20130．103P>0．05不相关

利用SPSS 20.0软件计算小清河上游降水与径流的Pearson相关系数，采用T检验方法进行显著性检验，结果见表1。在径流变化过程中，径流量与降水量的相关系数r逐渐减小。1965～1974年r1=0.872，径流量与降雨量显著相关；1975～2002年r2=0.538，径流量与降雨量中度相关。在95.0%的置信区间上，r1、r2均通过了0.01水平的检验。但2004～2013年r3减小到0.103，且不通过显著性检验。因此，径流量与降雨量的相关性不具有说服力。

4.3 人类活动对径流量的影响

1965-1974年为天然径流阶段，小清河径流量主要来自于大气降水，受人类活动影响相对较小。第二、三阶段为受人类活动影响显著阶段，径流量与降水量的相关性明显减小。对小清河多年平均月径流量和降水量进行统计，如图8、图9所示。2004～2013年小清河月平均径流量明显增加，但月平均降水量的增加趋势却不显著。且降水主要集中在夏季，径流量的年内变化较降水量缓和。这在一定程度上表明，人类活动增加了小清河尤其是枯水期的径流量，缓和了小清河径流量的年内变化。人类干扰是造成小清河径流量增大的主要原因，是影响径流量的决定性因素。

图8 小清河上游多年平均月径流量

图9 小清河上游多年平均月降水量

影响小清河上游径流量的人类活动主要包括：城市生活污水、工业废水排入小清河和引水补源，即从其他水库或湖泊向小清河调水。

20世纪70年代以来，随着济南市小清河流域内工农业生产的迅速发展，工业废水和生活污水的排放量逐年增加[23]，成为小清河水体的主要来源。以2000年为例，济南市生活污水排放量为1.3×108m3，占全市废水排放量的65.1%[23]，近90%的城市污水未经处理直接进入小清河。黄台桥断面接纳了济南市大部分工业废水和生活污水，主要排放渠道是兴济河、东泺河、西泺河、工商河、全福河和柳行河六大排污系统。

为保证小清河水质要求，满足其景观功能，需要对小清河进行补源：从卧虎山水库放水，通过玉符河向小清河引水；引黄河水入玉符河，澄清后经睦里闸直接引入小清河；经济平干渠引东平湖水入小清河，2005年12月29日至2009年11月18日，东平湖共向小清河调水5次，调水量1.005×108m3。通过对1965～2013年小清河流域月平均径流量的分析发现，2004～2013年与1965～1974年相比，1月份径流量平均增长率为1.91%，4月份平均增长率为1.62%，7月份平均增长率为0.89%，10月份平均增长率为1.61%。小清河枯水期径流量增长趋势较汛期显著，因为满足小清河的水质和景观需求，在枯水期通过引水工程增大了对小清河的引水量。

5 结论

(1)1965～2013年小清河流域径流量呈显著的增加趋势，多年平均增长率为2.07%。21世纪之后，径流量增加趋势更为明显，年均增长率为10.61%。

(2)利用Mann-Kendall非参数检验和双累积曲线法对小清河径流序列进行突变点分析，发现小清河径流序列出现1974、2003年两个突变点，遂将小清河流域的径流演变过程分为1965～1974年、1975～2003年、2004～2013年3个阶段。1965～1974年为天然径流阶段，小清河平均年径流量2.07×108m3。后两个阶段为受人类活动影响显著阶段，在人类活动影响下，小清河径流量增加趋势显著，1975～2003年平均年径流量2.62×108m3，2004～2013年平均年径流量4.88×108m3。

(3)小清河流域径流量的变化主要是由气候变化和人类活动引起的。在径流演变过程中，径流量与降水量的相关性逐渐减小，人类活动对径流量的影响逐渐增大，并成为影响径流量的主导因素。人类活动主要通过向小清河排放工业废水、生活污水、处理中水以及小清河引水工程来影响小清河径流量。

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Effects of Precipitation Changes and Human Activities on Runoff of Xiaoqing River Upstream

Zhu Lin, Han Mei

(CollegeofPopulation,ResourcesandEnvironment,ShandongNormalUniversity,Jinan250014,China)

Annual runoff series data at Huangtai bridge hydrological station and precipitation data at Huangtai Bridge rainfall station during the period of 1965～2013 were applied to identify the changes of runoff and precipitation in Xaioqing river basin by using the 5～year moving average method and Mann～Kendall test. On this basis, using double mass curve analys the sudden change point of runoff and precipitation. The Pearson correlation coefficients were analyzed and tested. The results showed that (1) runoff and precipitation showed an increasing trend, but the runoff increased more significantly.(2) the runoff series were devided into three periods, i.e.,1965～1974,1975～2003 and 2004～2013. 1965～1974 is the natural runoff period, 1975～2013 is significantly affected by human activities period.(3) in the change process of runoff, runoff and precipitation Peason correlation coefficient decreases gradually, whereas humans through sewage discharge, water diversion and other activities increased the impact on runoff, which became the decisive factor affecting runoff change. To distinguish the impacts of human activities and precipitation on runoff changes, can provide references for the study of the hydrological cycle in a basin and have practical significance for the sustainable use of water resources.

runoff change; precipitation; human activity; Xiaoqing river upstream

2016-08-08

朱 琳(1992—)，女，山东师范大学地理与环境学院硕士研究生。

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1674-9944(2016)18-0147-06