1956—2015年洮河径流演变特征研究

2018-01-27王万瑞王刘明张雪蕾李常斌

西北师范大学学报（自然科学版） 2018年1期

王万瑞，王刘明，张雪蕾，李常斌*

(兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室，甘肃兰州 730000)

近几十年来，在气候变化和人类活动双重驱动下，河川径流过程在年、月尺度均发生着不同程度的变异，深刻影响着区域水文循环和水资源的形成、分布及可持续利用[1-2]．西北干旱半干旱区因水资源短缺、生态环境脆弱，对气候变化极为敏感[3]，正在经历日益频繁的极端气候事件的困扰[3-5]，区域水资源的分布特征发生了明显变化[6-7]，影响到经济社会活动的有序开展和区域生态平衡[8]．洮河作为黄河上游第二大支流，承担着向陇西和陇东黄土高原水资源稀缺地区输水的任务，流域径流的时空演变深刻影响着其自身和受水区水资源管理、生态环境以及供水保障的安全[9]．有研究发现，受气候变化和人类活动强度提升的影响，洮河径流量1990年代开始显著减少[10]，流域水资源配置，特别是枯水年引水保证率面临新的挑战．

已有的针对洮河流域径流时空变化特征的研究主要集中在各类统计指标定性分析径流量年内分配[11]、年径流的变化趋势[12]、平丰枯循环周期[13]以及不同地理-生态区间水文气象要素的时空变化特征[10]等方面．因数据资料限制，学者们主要研究了近50年洮河径流量变化特征[10-13]．在气候变化和人类活动影响下，长序列径流实测数据更有助于精确获取水文过程的统计规律[13]．本研究全面收集和整编1956—2015年洮河干流上、中、下游4个控制站的径流数据，采用集中指数与基尼系数等指标对各站径流年内分配的不均匀性进行量化评估，采用M-K法对上述序列进行趋势和突变检验，采用Sen斜率法对径流月、年序列的变幅进行分析，采用M-K法的U值曲线对序列的平丰枯过程进行印证判断．在上述分析的基础上，对洮河干流近60年径流的时空演变规律进行了综合量化分析，研究可为流域水资源的合理开发利用及优化配置提供基础资料依据和统计方法借鉴[14]．

1 研究区概况

洮河发源于青海省西倾山北麓，由西蜿蜒东进，于甘肃省岷县北拐，至永靖县的茅龙峡入黄河干流，全长约673 km，集水面积25 527 km2．海拔为1 730～4 560 m，是黄河上游的第二大支流．流域地处101°36′～104°20′E和34°06′～36°01′N之间(图1)，横跨青藏高原和黄土高原两大地貌单元，下垫面条件空间分异明显，海甸峡断面(李家村)以上为洮河青藏高原区，以下为洮河黄土高原区．岷县和海甸峡断面将流域划分为上、中、下游,自上游向下游，流域气候由高寒湿润气候向温带半湿润、温带半干旱气候过度．年均气温上游为1.3 ℃，中游为5.7 ℃，下游为7 ℃．自上游向下游，流域年降水量从超过600 mm减少至300 mm，主要集中在6—9月，占年降水量的67.35%[10]．

图1 洮河流域水系

2 数据和方法

2.1 数据

选取洮河干流上、中、下游的下巴沟、岷县、李家村、红旗4个控制水文站，收集各站实测月、年径流资料(资料来自《甘肃省水文年鉴》)．采用水文比拟法[15]，以最接近的岷县站为参证站，对下巴沟站径流观测序列缺失数据进行插补展延，统一资料年限到1956—2015年．采用双线性累积法，将各站的实测径流资料还原为天然径流序列．经“三性”审查，径流序列可用．控制站基本情况列于表1．

2.2 方法

2.2.1 径流年内分配 1)不均匀系数CV(Unevenness coefficient)又称变差系数，能综合反映径流年内分配的不均匀程度，是水文统计中定性表征径流分配不均匀性的重要参数[16-17]．计算公式为[17]657

(1)

表1 洮河干流水文控制站基本情况

2)集中指数IC(Concentration index)最初用于分析降水侵蚀力的年内变化特征[18]，有学者将其引入河川径流年内分配分析中[19]，计算公式为[19]25

(2)

其中R为年径流量．IC取值在8.3～100.0，IC=8.3时，径流年内分配均匀；IC=8.4～10.0时，比较均匀；IC=10.1～20.0时，呈季节性变化；IC=20.1～99.9时，显著不均匀；IC=100.0时，径流集中在一个月中．

3)基尼系数G(Gini coefficient)是经济学中用于定量分析居民收入分配差异程度的指标，被引入河川径流年内分配均匀度的量化评价，效果良好[19-20]．计算步骤为：① 确定时间分组计算各月的时间和径流比重；② 径流月值升序排列；③ 计算排序后各组径流的累计比重．计算公式为[19]25

(3)

其中，Xi为第i组的时间比重；Yi为第i组的径流比重；Vi为第i组的累计径流比重．G取值在0～1，数值越大，则径流年内分配越不均匀；反之亦然．G低于0.2时，径流年内分配均匀；G=0.20～0.29时，比较均匀；G=0.30～0.39时，较不均匀；G=0.40～0.50时，很不均匀；G高于0.50时，极不均匀[21]．IC与G对应的径流年内分配不均匀性等级见表2．

4)集中期PC(Concentration period)系利用月径流序列反映年内最大径流量出现的时期[2-23]，计算公式为[22]792

表2 IC与G径流年内分配不均匀性等级

其中，θi为第i月径流的方位角，设定1—12月各月方位角的代表角度依次为0°，30°，60°，…，330°，而各月方位角的包含角度依次为-15.0°～15.0°,15.1°～45.0°,45.1°～75.0°,…,315.1°～345.0°．

2.2.2 径流年际变化 1)变差系数和极值比．变差系数在2.2.1节已有介绍，计算年际变化不均匀性时只需将年内月径流序列换为年径流序列．极值比SR计算公式为[13]111

SR=Smax/Smin,

(7)

其中，Smax为统计时段最大年径流量；Smin为统计时段最小年径流量．

2)M-K非参数检验法是评估径流量序列年际变化趋势及突变检验的常用方法，具有适用范围广、抗干扰能力强、定量化程度高、计算较为简便等优点[24-25]．按原时间序列统计，得统计变量UF,k；原时间序列按逆序统计，得统计量UB,k．UF,k>0时，序列呈增加趋势；UF,k<0时，呈减小趋势．在给定显著性水平α=0.05，统计量的临界值为Uα=±1.96．当|UF,k|>1.96时，序列变化趋势显著；|UF,k|<1.96时，变化趋势不明显．若UF,k和UB,k曲线相交，且交点落于置信区间，则交点对应的时间是序列突变开始的时间[21]．

3)Sen斜率法由Sen于1968年提出[26]，在评估时间序列的变化趋势及变化幅度(即变化速率)时，能降低或避免数据异常及缺失对分析结果的影响．以样本序列在不同长度的变化率构造秩序列，根据给定一显著性水平α进行统计变量(Sen)检验，得到变化率取值范围，进而以中值大小判断序列的变化趋势及幅度．变化率Sen的绝对值代表序列变化幅度，正负代表变化趋势，即若Sen>0，序列呈上升趋势；Sen<0，呈下降趋势[10]．

4)U值曲线法．M-K法的上述用途针对整个序列，较少对整个序列再划分成若干个序列来分析．有学者尝试通过将整个序列分成若干序列，划分径流序列的平丰枯变化过程，取得较好的效果[27]．假设一时间序列X1,X2,…,Xn，先确定序列的对偶数p，其计算公式为[27]61

然后确定τ,Var(τ)和U，计算公式为[27]61

以t=11为基准(t∈(11,n)，M-K法最小样本量是10)，每次增加1个样本，将整个序列划分为(n-11)个不同的时间序列，计算每个时间序列的Ut，绘制U-t曲线，判断整个序列的平丰枯变化过程．U值没有明显的变化时，为平水期；曲线呈上升趋势时，为丰水期；呈下降趋势时，为枯水期．

5)差积曲线直观反映年径流序列的丰平枯变化过程，先计算年径流量的距平，然后按年序累加得到差积曲线[28]，平稳波动段代表平水期，持续上升段代表丰水期，持续下降段代表枯水期．

3 结果与分析

3.1 径流年内分配

3.1.1 不均匀性洮河干流4个控制站点60年平均径流年内分配比例如图2所示．可知，4站径流均呈现不对称的单峰型分布，1—4月、11—12月径流比例较小，变化相对平缓；5—10月径流增加，于9月达到峰值；4站连续最大4个月径流均发生在7—10月，该时段可确定为洮河主汛期，主汛期径流量占年均径流量的54.12%～56.04%；各站最大月均径流发生于9月，占年均径流的14.33%～14.67%；最小月均径流在2月，占年均径流的2.77%～3.77%，最大月径流与最小月径流的比值为4.35～5.90；下巴沟站非主汛期月径流所占比例较其他3站大，而主汛期月径流比例较其他3站小．据此，洮河上游径流年内分配不均匀度较小，中、下游月径流不均匀度较大，径流年内分配不均匀，主要归因于流域降水量年内分配不均匀、集中度高．

图2 4站径流年内分配比例

表3统计了各控制站径流年内分配不均性4个指标的年际变化情况，给出了各指标的极值表达和对应年份．从不均匀系数CV的平均值看，中游岷县断面观测序列的不均匀程度最高；集中指数IC的最小值尽管都在10以下，但均值落在11～13，且最大值小于20，表明洮河径流总体以季节性变化为主；除中游岷县以外，各站G系数最小值小于0.2，但4站均值均在0.3～0.4，表明洮河干流径流过程的不均匀性较大，与IC表征的季节性变化对应良好．从集中期指数PC的值域分布来看，最小值均接近6，表明径流集中期开始于7月；最大值接近或超过9，表明集中期结束于9或10月；平均值接近8，表明年内量大月径流量主要出现于9月．PC结果与前述最大径流发生在9月以及汛期为7—10月的判定是一致的．

表3 4站径流年内分配度量指标特征值统计

各代表站点不同年份4个指数的变异程度很高(图3)，表明受降水和下垫面影响，洮河流域径流年内分配情形复杂．总体而言，上游下巴沟断面与中下游岷县、李家村和红旗3个断面的差异较为明显．洮河流域自上游至下游，气候由高寒半湿润过渡为温热半干旱，作业方式由牧业为主逐渐演变为半牧半农乃至以农为主，水土资源开发利用以及河川径流受人类活动影响的程度均逐渐提升．图3所反映的4个指数的极值更多出现在下巴沟断面，表明上游地区受人类活动影响的程度较低；其余3站的指数变化相对平稳，表明中下游地区人类活动对河川径流年内分配的调节较为显著．

由上述分析可知，CV,IC与G关于洮河径流年内分配不均匀程度分析成果对应良好，极值出现年份及变化规律一致，但不能相互替代，G更为合适．CV只能定性描述径流年内分配不均匀性，IC与G可定量度量；G对径流年内分配的敏感性高于IC，因为若各月流量大小不变、年内各月时程分布改变，G值发生变化，而IC值保持不变；IC对极小值的分辨率高于G，而G对极大值的分辨率高于IC．3个指标极值对应的各站径流年内分配比例显示(表4)，极小值年份的径流年内分配比较均匀，而极大值年份很不均匀．IC极小值(8.78～9.38)表征比较均匀，极大值(16.22～19.01)对应季节性变化．G极小值(0.13～0.23)表征均匀，极大值(0.47～0.51)对应很不均匀．

图3 各代表站4个指标的年际变化特征

表4 CV,IC与G极值对应的4站径流年内分配比例(%)

3.1.2 变化幅度图4给出了统计期各站月径流的值域范围及Sen斜率检验结果．从月径流的值域范围可以看出，洮河径流的年内分配具有一定的区域差异．上游月径流量的相对变幅(最大值和最小值之比)最大，中游次之，下游的最小，一定程度体现了流域调蓄效应自上游至下游逐渐增强．长序列统计来看，各月径流量绝大多数呈减小趋势．下巴沟和岷县站在8月径流量的减幅最大，分别达到0.22亿m3·(10 a)-1和0.48亿m3·(10 a)-1；李家村和红旗站在10月的减幅最大，分别达到0.66亿m3·(10 a)-1和0.63亿m3·(10 a)-1．总体而言，洮河干流径流量在汛期的减幅大于非汛期的，下游减幅大于中上游．

图4 1956—2015年洮河月径流量变化(左侧纵轴为对数坐标)

3.2 径流年际变化

计算表明，洮河4站年径流量的变差系数介于0.3～0.4，最小年径流量占多年均值的48.1%～51.4%，极值比为4.12～4.57，表明干流年径流量的丰枯变化较为剧烈．

3.2.1 变化趋势洮河流域上中下游径流量的年际变化特征较为一致(图5)．上、中游(下巴沟与岷县站)大致在1990年代之前表现为增加(UF,k>0)，1990年代开始减少(UF,k<0)；突变的时间点在1987—1988年(UF,k=UB,k)，1995—1996年开始显著减小(|UF,k|>U0.05)．下游(李家村站与红旗站)径流的年际变化具有相似特点，1990年代开始减少，突变和显著减小的时间相比于上、中游2站滞后1～2 a，大致分别为1988—1990年和1997—1999年．总体而言，1956—2015年，洮河径流经历了先增加后减少的变化过程，1990年代以来开始减少，特别是近20年，减少趋势显著．李常斌等[10]研究发现，1951—2010年洮河流域气温从1990年代中期开始明显上升,降水总体于1990年代初期开始减少．受降水减少、气温升高引起的流域蒸散发量增加的综合影响，洮河流域径流量1990年代开始显著减少．

3.2.2 变化幅度以1956年为起始年份进行径流变幅的Sen斜率检统计(表5)．各站径流在时间上总体表现为增减同步，1990年代以前表现为增加(岷县断面1980年代略有减少)，增速呈总体变小态势；1990年代开始减少(红旗站1990年代仍有增加)．1956—2015年，洮河径流以0.291亿m3·a-1的速率减少．空间而言，4站径流变幅不一．上游的递减速率较小，中、下游较大．总体来看，1956—2015年洮河径流发生减少，2000年代以后径流减幅变小，径流量仍然不及1970—1980年代水平．

图5 洮河4站径流年际变化的M-K检验

表5 洮河4站径流量年代际变化的Sen斜率估计(亿m3·a-1)

注： *为通过0.05显著性检验；**为通过0.01显著性检验；***为通过0.001显著性检验；1956—1960期间因序列太短未统计．

3.2.3 径流的平丰枯特征采用U值曲线及差积曲线对洮河年径流的丰平枯变化过程进行分析．M-K法建议的最小样本量是10，各控制站数据起始年份为1956年，U值从1966年开始计算(图6)．由U值曲线可知，4站平丰枯期交替出现，枯水期出现的次数较多，平水期与丰水期较少．各站年径流均存在2个历时3 a以上的丰水期，发生于1966—1968年(历时3 a)和1975—1985年(历时11 a)；存在2个历时3～4 a的平水期，包括2003—2006年(历时4 a)和2011—2013年(历时3 a)；存在4个历时2 a以上的枯水期，分别为1969—1974年(历时6 a)、1986—2002年(历时17 a，期间丰平枯期交替变化频繁)、2007—2010年(历时4 a)和2014—2015年(历时2 a)．总体来说，洮河干流年径流量的丰水期要短于枯水期，出现的次数也少于枯水期．由差积曲线可知，1966—1968年和1975—1986年为丰水期；2003—2006年和2011—2013年为平水期；1969—1974年、1987—2002年、2007—2010年和2014—2015年为枯水期．2种方法关于序列丰平枯过程的划分结果吻合，方法上互为补充．

图6 基于U值和差积曲线的洮河径流的平丰枯特征

4 结论

采用多种时间序列统计方法，对1956—2015年洮河径流时空演变规律进行研究，主要结论如下：

1)洮河径流年内分配不均匀性较大，主汛期7—10月径流量占比54%～56%，最大月径流量与最小月的比值为4.35～5.90；

2)1956—2010年，4站年径流均发生减少，主要为汛期径流减少所致；河川径流1990年代以前呈增加趋势，之后减少；统计期间，洮河径流以0.291亿m3·a-1的速率减小；

3)洮河各站径流平丰枯交替出现，存在2个丰水期、4个枯水期和2个平水期，丰水期历时和出现的次数均小于枯水期；

4)统计方法而言，IC与G关于径流年内分配不均匀程度分析成果对应良好，G因敏感性高而更为合适；U值曲线和差积曲线关于径流平丰枯变化过程划分方法上互为补充．

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