山西省岚河流域水文气象要素演变及响应关系

王国庆， 唐雄朋， 刘佩瑶， 刘翠善， 王建云

(1.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029； 2.水利部应对气候变化研究中心，江苏 南京 210029； 3.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098； 4.吕梁市水文水资源勘测分局，山西 离石 033000)

山西省岚河流域水文气象要素演变及响应关系

王国庆1,2， 唐雄朋1,2， 刘佩瑶3， 刘翠善1,2， 王建云4

(1.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029； 2.水利部应对气候变化研究中心，江苏 南京 210029； 3.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098； 4.吕梁市水文水资源勘测分局，山西 离石 033000)

变化环境对区域水文会产生非常重要的影响。以山西省岚河流域为研究对象，采用Mann-Kendall方法和有序聚类方法，诊断了1955—2015年水文气象要素演变规律以及变化的阶段性特征，分析了不同阶段降水-径流响应关系。结果表明：近60年来，实测径流量总体呈现减少趋势，平均线性减少率为-0.917 mm/a；降水量变化趋势不明显，但气温却呈现显著性升高趋势；径流突变主要发生在1968年和1982年，上静游站径流系列可划分为4个阶段：天然阶段(1955—1968年)、轻微人类活动影响阶段(1969—1982年)、中等人类活动影响阶段(1983—2000年)和强人类活动影响阶段(2001—2015年)。不同阶段内降水-径流关系存在一定差异，特别是21世纪以来，相同降水量条件下的产流量明显偏少，反映了人类活动对区域水文的显著影响。

岚河流域；水文气象要素；演变趋势；阶段性；响应关系

气候变化已成为目前最严重的全球性环境问题之一，随着社会经济的快速发展，人类活动对区域水循环过程的扰动影响越来越显著。实测资料表明，自1985年以来，黄河花园口站实测径流量较前期减少约45%[1]。水资源短缺已成为中国北方干旱区域社会经济发展的制约因素之一。

山西省位于黄土高原东部，气候干旱，生态环境脆弱。自20世纪70年代以来，实施了大规模的水土保持建设、退耕还林还草以及煤矿开采、小型水利工程建设，对流域的水文情势影响显著，多数河流的实测河川径流量出现大幅度减少的现象[2-3]。分析区域水文气候要素的演变规律，是定量分析径流变化归因的基础工作[4-8]，对于正确理解变化环境下的流域水文特性具有重要意义。本文以山西省岚河流域为研究对象，在对该流域水文气象要素演变特征进行系统分析的基础上，初步揭示了不同阶段降水-径流的响应关系。

1 流域概况与分析方法

1.1 流域概况

岚河是汾河的一级支流，位于山西省岚县东南部，主源始于北马头山，向东南流经岚县、东土峪，在下静游附近汇入汾河，河流全长57 km，流域面积1 148 km2，其中，上静游水文站控制流域面积1 140 km2。流域位于黄土丘陵阶地区，地势总体较为平缓。流域内布设有7个雨量站和1个气象站(岚县站)，上静游水文站建于1954年。笔者收集了流域内自建站以来至2015年的逐月气温、降水和流量资料，图1给出了流域水系及水文气象站的地理位置。

受东亚大陆性季风气候的影响，岚河流域冬季长而寒冷，夏季短而炎热。统计结果表明，1955—2015年流域多年平均年降水量为484 mm，年均气温6.97 ℃，上静游站多年平均径流深约42.6 mm，年径流系数为0.088，是山西省产流较低的流域之一。

图1 岚河流域水系及水文气象站地理位置

1.2 分析方法

本文采用Mann-Kendall秩次相关检验法诊断水文气象序列变化的趋势及显著性[3]，对于水文气象序列阶段性的诊断，则采用有序聚类分析方法[9]。

Mann-Kendall秩次相关检验法是一种非参数

趋势诊断方法，通过时间系列本身及其次序构造统计量Mann-Kendall秩次相关系数(简称M-K值)；在给定显著性水平α=0.05情况下，统计量M-K值的临界值为±1.96，如果M-K值为正，表示序列趋势为增加(或升高)；若M-K值为负，则表示序列呈现减少(或降低)趋势。假设原序列为无趋势，当M-K值在区间(-1.96，1.96)之外时，则拒绝原假设，即趋势性显著；反之，则接受原假设，即趋势性不显著[6-7]。该方法的优点是无需对数据系列进行特定的分布检验，就能有效地区分某一时间系列是处于自然波动还是存在确定的变化趋势。

有序聚类分析方法是将系列变异前后的子系列视为不同的类群，通过计算变异点前后不同系列的离差平方和，以总离差平方和最小为目标函数，优化推求变异点，对系列进行有序最优分类。目前，该方法较广泛地应用于水文气象序列阶段性诊断中[9-11]。

2 结果与讨论

2.1 水文气象要素演变趋势

岚河流域河川径流源于降水，降水的丰枯变化在一定程度上决定了径流的整体特征，图2给出了1955—2015年岚河流域年降水量和上静游站年径流量过程。

图2 上静游站实测年径流量及流域平均年降水量过程

由图2可以看出：①年降水量具有较大的年代际变化，特别是在20世纪60、70年代，最大年降水量(788 mm，1967年)约为最小年降水量(234 mm，1972年)的3.40倍；1980年之后年降水量变化幅度减小，最大年降水量(706 mm，2007年)约为最小年降水量(299 mm，1986年)的2.36倍；最近10年，降水量有明显的增多态势。②实测径流量总体呈现减少趋势，平均线性递减率为-0.917 mm/a，且年代际变化幅度较大，最大年径流量169 mm，出现在1967年；尽管1972年降水量最少，但最小年径流量(14.32 mm)却出现在2006年，不到最大年径流量的1/10。③自20世纪90年代以来，连续20 a径流量持续偏低，1991—2010年平均径流量为24.3 mm，较多年平均径流量偏少40%以上；受降水增加等因素的影响，最近几年径流量有所增加。

采用Mann-Kendall秩次相关检验方法诊断了1955—2015年气温、降水和径流的变化趋势及其显著性，各序列的M-K统计值见表1。由表1可以看出：①不同季节和年降水量均呈现非显著性变化趋势，其中，夏季降水量趋于减小，其他季节降水量和年降水量趋于增加。②在4个季节中，只有夏季气温趋于非显著性降低，这与全球变暖总体趋势相反；但其余季节气温和年气温都呈现显著升高趋势。③所有季节径流量和年径流量均呈现显著性减少趋势。这与降水的总体演变趋势相反，说明径流受其他环境因素(如水土保持等强人类活动)的影响显著。

表1 岚河流域1955—2015年水文气象要素变化趋势诊断(M-K统计值)

2.2 水文序列变化的阶段性

河川径流反映了气候要素和人类活动要素变化的综合影响，而径流系数变化则主要体现了人类活动对区域水文的影响特征。以实测径流过程和年径流系数为对象，采用有序聚类分析方法诊断了岚河流域水文变化的阶段性。图3分别给出了年径流量和年径流系数的离差平方和的时序变化过程。

图3 岚河流域1955—2015年年径流量和年径流系数时序离差平方和过程

由图3可以看出：实测年径流量和年径流系数的时序离差平方和均在1982年达到最小；同时，在1968年均出现一个明显的跳崖式突变。由此可以推断，1982年是两个系列的最佳变异分割点，其次为1968年。

根据上述诊断结果，综合考虑实测径流的演变特征和年代际变化特点，可将实测径流序列划分为4个阶段：第1阶段为天然阶段，即1955—1968年；第2阶段为轻微人类活动影响阶段，即1969—1982年；第3阶段为中等人类活动影响阶段，即1983—2000年；第4阶段为强人类活动影响阶段，即2001—2015年。表2统计了不同阶段气温、降水和径流量统计值及其与基准期的相对变化情况。

表2 岚河流域不同阶段气温、降水、径流及其变化

由表2可知：①岚河流域多年平均降水量为484 mm；在第1、4阶段降水量相对较丰，平均降水量均超过500 mm；中间2个阶段降水量较少，与第1阶段相比，分别偏少6.1%和13.3%。②第1阶段平均气温6.79 ℃，之后3个阶段气温逐步抬升，其中，最后1个阶段升高幅度较大，与基准期(第1阶段)相比，升高0.53 ℃。③在第1阶段，上静游站实测径流量约70.24 mm，之后3个阶段呈现逐步减少的态势，其中，最后1个阶段较基准期偏少67.2%；尽管该时期降水量略多于基准期，但实测径流量的显著偏少，凸显了人类活动对河川径流的影响。

2.3 不同阶段的降水-径流响应关系

对于天然流域来说，无论降水丰枯变化，降水-径流总是遵循着一定的线性或非线性响应规律。当流域受到外界因素的扰动时，固定的降水-径流响应关系就会被改变，进而影响到河川径流量的变化。根据径流变化的阶段性，图4给出了不同阶段降水量与径流量之间的关系。

图4 岚河流域不同阶段年降水量与径流量的响应关系

由图4可以看出：①在第1—3阶段，随着降水量的增加，径流量增加，年降水量和年径流量具有较好的相关性，统计结果表明，二者之间的相关系数为0.6～0.7；但在第4阶段，降水量与径流量之间没有明显的相关性，尽管年降水量在400～700 mm范围内变化，但径流量一直在28 mm左右发生波动性变化。②年降水量超过425 mm时，降水-径流存在较好的线性响应关系；年降水量小于425 mm的情况下，径流量不依赖于降水量，分析认为是以地下径流补充为主。③不同阶段降水-径流的点群分别存在一定的差异；尽管第2阶段的点群略低于第1阶段的点群，但第1、2阶段的点群相对集中在一个区域，说明该流域近似于天然流域，产流态势基本一致；在年降水量低于430 mm时，第3阶段的点群低于前两个阶段，说明人类活动对降水量较少的年份影响更为明显；第4阶段的点群明显偏低于前3个阶段的点群，说明在相同的降水条件下，该时期径流量小于前期径流量，人类活动的影响更为显著。

3 结语

1)近60年来，岚河流域年气温显著性升高，但夏季气温呈现降低趋势；岚河流域年和季节降水量无明显趋势性变化，变化幅度减小；河川径流量呈现显著性减少趋势。

2)上静游站实测径流量阶段性变化特征明显，1982年为显著变异年份；1968年之前，流域接近天然状态，1969—1982年，人类活动影响轻微；2000年之后，河川径流较基准期(1955—1968年)偏少67.2%，人类活动影响明显。

3)不同阶段降水-径流响应关系存在一定的差异，特别是21世纪以来，降水-径流点群明显偏低，体现了其他非降水因素对河川径流的影响。定量分析不同因素对河川径流的影响是未来研究的重要内容。

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(责任编辑：乔翠平)

Historical Variation and Response Relationship of Hydro-meteorological Variables During
1955—2015 for the Lanhe River in Shanxi Province

WANG Guoqing1,2, TANG Xiongpeng1,2, LIU Peiyao3, LIU Cuishan1,2, WANG Jianyun4

(1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China; 2.Research Center for Climate Change, Ministry of Water Resources, Nanjing 210029, China; 3.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 4.Lvliang Sub-bureau of Hydrology and Water Resources, Lishi 033000, China)

Environmental change has greatly implemented to regional hydrological cycle. Taking the Lanhe River in Shanxi Province as a case, historical variation and phases features of hydro-meteorological variables during 1955—2015 were investigated using Mann-Kendall method and cluster analysis method, and the response relationships between runoff and precipitation in different phases were analyzed. Results show that recorded runoff has been significantly decreasing with a linear decreasing rate of -0.917 mm/a. Precipitation has not shown a significant variation trend while temperature has risen significantly. 1982 and 1968 were detected as the first and second significant separating points of runoff series gauged at the Shangjingyou hydrometric station. Thus runoff series could be divided into four phases of natural period (before 1968) and slightly-, moderately-, intensively-disturbing periods (1969—1982, 1983—2000, 2001—2015, respectively). Relationships between runoff and precipitation are different for different phases possible due to the effect of human activities, particularly for the fourth period (after 2000). Under a same rainfall condition, the runoff yield in the fourth period is much lower than that in pre-periods, which indicates a significant effect of human activities.

the Lanhe River catchment; hydro-meteorological variables; historical variation trend; evolution phase; response relationship

2017-02-24

“十三五”国家重点研发计划项目(2016YFA0601501，2016YFA0601601)；国家自然科学基金项目(41330854, 41371063，41401024，41401026)。

王国庆(1971—)，男，山东成武人，教授，博导，博士，从事气候变化和水资源评价等方面的研究。E-mail：gqwang@nhri.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.04.009

TV11

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1002-5634(2017)04-0067-04