天然年径流系列一致性检验与修正方法

王秀兰，王海宁，刘 佳，张晓烨

（1.河北省水文水资源勘测局，石家庄050031；2.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）

天然年径流系列一致性检验与修正方法

王秀兰1，王海宁1，刘 佳2，张晓烨1

（1.河北省水文水资源勘测局，石家庄050031；2.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）

在天然年径流还原计算的基础上，采用F检验、肯德尔检验和双累积曲线3种方法，对河北省46个代表站（区间）天然年径流系列进行一致性综合判别检验，并给出了量化判断标准和判别原则。采用年降雨径流关系线法对天然年径流系列进行了一致性修正。

天然年径流系列；一致性检验；年降水径流关系

近年来水资源公报数据表明，河北省地表水资源量减少态势相当明显。2000～2014年系列均值与2000年评价成果［1］对比，全省平均降水量减少了8.2%，而地表水资源量从120亿m3减少到57.8亿m3，降幅高达51.9%，表明下垫面条件的变化对天然年径流量产生了巨大影响。这种影响可能导致天然年径流系列不再具有一致性。因此，在进行水资源评价时必须对天然年径流系列进行一致性检验分析。然而，系列的一致性检验方法很多［2］，不同方法可能给出完全不一样的结果。如何综合判别天然年径流系列是否具有一致性，对不具有一致性的系列如何进行必要修正，是正确进行区域水资源评价的基础。

1 一致性检验的综合分析方法

在河北省境内山丘区10个水资源流域三级区内选择评价所需要的代表性水文站或区间进行分析。共选用代表站（区间）46个，其中16个为区间站。采用资料系列为1981～2015年。

本次采用F检验法和肯德尔检验方法［3-4］及双累积曲线法3种方法相互验证，综合判别系列是否具有一致性。3种方法的检验统计结果如表1。

表1 3种方法检验结果

3种方法均能给出系列是否具有一致性检验结果，但由于各种方法的局限性，结果不尽相同，在工作中需根据实际情况进行综合判断。F检验法和双累积曲线法均能给出产生显著性变化年份，而肯德尔检验则不能给出具体变化年份。检验结果表明，F检验法较肯德尔检验方法更加敏感。在46个站检验结果中，相同置信度水平（a=0.05）下，F检验法有26个而肯德尔检验法有13个站检验结果有显著性变化；但肯德尔检验能剔除1996年大水对结果的影响，这样的大水年份在F检验中有15个站检验出有显著性变化；两种方法检验结果有交叉，并非完全吻合，2个站F检验结果不显著而肯德尔检验则呈显著性下降趋势。双累积曲线法直观性更好，点群斜率定量化更准确，且能直观给出产生显著性变化年份。缺点是定线可能受人为经验因素影响。

1.1 综合判定系列一致性方法

（1）3种检验结果均判定系列具有一致性，则系列一致性良好。

（2）双累积曲线法斜率变化小于10%时，则系列具有一致性。

（3）3种检验结果不一致时，以双累积曲线为主，其他两种方法作为参考。

1.2 显著性变化年份判定方法

（1）确定显著性变化年份应尽量避开特殊丰水年份，数理统计方法对特殊丰水年份很敏感，往往给出错误判定，主要选用双累积曲线法，根据斜率交叉点确定显著性变化年份。

（2）如果一个水系或流域大部分站点突变年份相同或围绕在某一年前后，则统一确定该年份为该水系或流域的突变年份。

（3）根据各水系或流域的突变年份综合确定全省山丘区的突变年份。

按照上述方法确定46个代表站中，天然年径流系列仅9个具有一致性代表站，37个不具有一致性代表站。各水系或流域的突变年份多发生于1998，2000，2001年。经综合分析，确定2000年为全省系列一致性显著性变化年份。

2 一致性修正方法

2.1 降水径流关系线的建立

降水径流经验相关法是分析降水径流问题的一种常规经验方法，是在成因分析与统计相结合的基础上，以流域面平均降水量和相应的径流量，以及主要影响因素建立的一种定量关系图。对37个天然年径流系列检验不一致的站分1981～2000年和2001～2015年两个时段建立降水径流关系图，以进一步判定系列是否需要进行一致性修正。虽然根据文中介绍的方法判定系列不具有一致性，但这种判定仍有不确定性，需要点绘降水径流关系图从点群分布的情况进一步做出判断。如果两条关系线距离较近，按照最小修正量原则，则没必要进行系列一致性修正处理。判定标准为两条关系线是否有明显分离及分离程度，以1981～2015年平均降水量在两段关系线上查得径流深变幅来衡量，如果变幅小于10%，则认为该站径流系列一致性修正量较小，无需进行修正处理。经比对分析，符合该条件的站有12个。

在选定的46个站中，不需修正处理的共21个，主要分布在漳河山区、滏阳河山区、滹沱河山区和冀东沿海山区。25个需要修正的站主要分布在潮白河山区、蓟运河山区、永定河山区及大清河山区北支和南支。地域分布来看，以大清河山区为界，其以北地区需要进行修正，以南地区和冀东沿海山区具有一致性，不需修正。

25个站两段关系线呈明显分离趋势，2000年后关系线明显左移，且大部分站点据集中在中低水区域，高降水点据少。年降水径流关系图中两条关系线的线型具有明显的流域分布特征。大清河山区、蓟运河山区各站降水径流相关性密切，相关系数达0.8以上，两段线型基本一致，随着降水量增大，径流变化率减少，到降水高值点，线型趋向为45°平行线。永定河山区、潮白河山区点据比较散乱，随着降水的增加径流并没有明显增大，尤其是永定河山区关系线较陡，靠近纵轴。滦河山区2000年前系列降水径流关系密切，关系线趋于45°平行线，但2000年后部分站降水径流关系发生变化，两段关系线呈现低水合、高水分的喇叭口现象。如图1～图4。

图1 紫荆关站降水径流关系

图2 平口站降水径流关系

图3 张家口站降水径流关系

图4 承德站降水径流关系

2.2 一致性修正注意的问题

根据建立的两系列降水径流关系线，读取1980～2000年降水量对应的径流量，两线径流量的差值即为修正量。将1980～2000年径流量减去该差值，即得修正后的径流量。修正时需要特别关注以下2种情况：一是本次突变年份全省统一为2000年，而有些站实际突变年份在2000年以前，如果这几年为枯水年，再修正势必造成点据比现状系列还要偏左，此时年径流不再修正。二是关系线外延应控制在一定范围。2001～2015年降水径流点据中特殊丰水年份很少，应注意关系线外延幅度不应超过点据最大值的10%，此时为最大修正量。若2000年前点据有超过2001～2015年降水径流关系线外延10%以上的，仍采用最大修正量。

按照上述方法，得出25站修正后的年径流系列。修正相对量较小的分布在滦河山区柳河李营和大清河南支磁河横山岭水库，1981～2000年平均修正变幅接近10%；永定河山区东洋河友谊～柴（东）区间修正变幅46.3%为最大。总体来看，整个大清河山区修正量和修正变幅最小，蓟运河山区修正量最大，永定河山区修正变幅最大。如表2。

表2 各代表站（区间）修正范围统计

3 径流系列不具有一致性的原因分析

造成上述结果的原因主要是由于下垫面条件变化所致。近年来，河北省以建设绿色河北为目标，大力推进京津风沙源治理、退耕还林，实施三北防护林、太行山绿化等重点工程建设，植被覆盖率不断增加，水土保持措施不断完善［5］，流域的土地贡献率不断增大［6-7］。这种大规模的工程建设使得流域下垫面条件发生较大变化，降水径流关系更加散乱，一定程度上破坏了原来的一一对应关系。降水径流关系与降雨强度的关系更加紧密，而相近的降水量所产生的径流量则差别较大。实测年径流量整体呈现逐渐递减的趋势，次降水小雨基本不产流，中雨和大雨产生的径流量也明显减小。所修建的谷坊、拦沙坝、鱼鳞坑等水保工程措施，以拦泥於地、拦截坡面径流为目的，随着时间推移，其拦蓄效果不断变化，这对降水径流关系的影响是缓慢而长期的。

4 结语

（1）采用多种方法相互验证，综合确定天然年径流系列的一致性分析并进行必要的一致性修正处理，分析成果更加准确、可靠。

（2）46个代表站（区间）中，需要进行一致性修正的共25个。2000年为一致性显著变化年份。地域分布来看，以大清河山区为界，其以北地区天然径流系列缺乏一致性，需要进行修正处理，以南地区和冀东沿海山区一致性较好。说明人类活动的影响已经对河北省北部山区的下垫面条件造成了较大影响，一定程度上破坏了径流系列的一致性。

［1］河北省水利厅.河北省水资源评价［R］.2000.

［2］武晓林.河川径流系列一致性修正方法探讨［J］.山西水利，2004（6）：28-29.

［3］李传哲，王浩，于福亮，等.延河流域水土保持对径流泥沙的影响［J］.中国水土保持科学，2011（1）：1-8.

［4］曹洁萍，迟道才，武立强，等.Mann-kendall检验方法在降水趋势分析中的应用研究 ［J］.农业科技与装备，2008（5）：35-40.

［5］穆兴民，高鹏，巴桑赤烈，等.应用流量历时曲线分析黄土高原水利水保措施对河川径流的影响［J］.地球科学进展，2008，23（4）：382-389.

［6］李丽娟，姜得娟，李九一，等.土地利用/覆被变化的水文效应研究进展［J］.自然资源学报，2007，22（2）：211-224.

［7］张晓萍，张橹，王勇，等.黄河中游地区年径流对土地利用变化时空响应分析 ［J］.中国水土保持科学，2009，7（1）：19-26.

The methods of consistency test and correction for natural annual runoff series

WANG Xiu-lan1，WANG Hai-ning1，LIU Jia2，ZHANG Xiao-ye1
（1.Hydrology and Water Resoures Survey Bureau of Hebei Province，Shijiazhuang 050031， China；2.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038， China）

This paper presents a consistency test of natural annual runoff series for 46 representative stations in Hebei province.With judgment standard and principle， the methods of F test， Kendall test and double mass curve are used to judgment inspection，based on the restoration of natural annual runoff.The line of annual rainfall-runoff relationship is used for improving the the consistency of natural annual runoff series.

natural annual runoff series； consistency check； annual rainfall-runoff relationship

TV121 文献标识码：B 文章编号：1672-9900（2017）06-0062-04

2017-09-08

王秀兰（1966-），女（汉族），河北正定人，正高级工程师，主要从事水资源保护工作，（Tel）13933809176。

王艳肖）