佳木斯地区1956-2010年径流量时间序列变异分析

曹伟征, 邢贞相, 李 衡, 娄 丹, 张玉国

(1.黑龙江省水文局, 哈尔滨 150001; 2.东北农业大学 水利与土木工程学院, 哈尔滨 150030;3.东北农业大学 农业部 农业水资源高效利用重点实验室, 哈尔滨 150030)

径流是地貌形成的外营力之一，影响土壤的发育，植物的生长和湖泊、沼泽的形成等。同时，一个国家或区域的径流量的多寡对其国民经济可持续发展具有重要的战略意义。径流量是构成地区工农业、城乡居民生活供水和生态环境需水的重要保障条件，是制约社会经济发展规模的重要因素。河川径流与气候变化、人类活动密切相关，其特性复杂多变[1-3]。

随着区域气候变化和人类活动影响的加剧，致使水文时间序列发生显著的变异。为了区域水资源的高效利用和科学开发，各地对其年径流量的变化特征进行了深入研究。Hou等[4]利用肯达尔检验方法分析了长江上游径流的变化，发现嘉陵江、岷江、金沙江、乌江等地径流量有所减少。Li等[5]利用Hurst指数对黄河流域1951—1998年径流的趋势性和持续性，分析结果表明，不同子区域的年径流在洪水季节不仅有下降趋势而且在一定程度上具有持久性。秦年秀等[6]认为20世纪90年代长江流域径流冬季、夏季径流增加明显，90年代汛期径流呈明显增加趋势，大大增加了洪灾发生的可能，通过突变分析指出1926年宜昌、汉口径流量明显减小。这与20世纪20年代初，北半球变暖有关。Jha等[7]采用非参数Mann-Kendall趋势检验对地貌和气候不受干扰的东南亚马来西亚半岛4个主要流域的25 a极值径流数据进行了分析，结果表明其中3个流域的最大流量都显示出了减少趋势。不同流域所处地理位置、气候条件及其下垫面条件也差异较大，所表现出的径流变化特征也不尽相同[2,8]。以上的研究表明，采用趋势分析和突变检验研究径流变化特征是可行的，但多针对径流的大尺度径流的变化趋势进行分析，因而，难以发现流域内局部地区径流变化特征。因此，本文对佳木斯地区1956—2010年的径流量变化特征进行深入分析，研究成果可对以农业为主的区域防灾排涝和灌区水资源的高效利用具有重要的意义。

1 研究区概况

佳木斯位于中国东北的松花江、黑龙江、乌苏里江汇流而成的三江平原腹地。佳木斯行政区域包括佳木斯市及其所属的桦川县、桦南县、汤原县、富锦市、同江市、抚远县6个市县。区域总面积为3.29万km2，占黑龙江省总面积的7.21%，是中国重要的粮食储备基地和商品粮生产基地。该区域内水系较为丰富，有松花江及其支流倭肯河、安邦河，黑龙江及其支流浓江河、鸭绿河，乌苏里江及其支流别拉洪河，区内多年平均年径流量约为3.7亿m3，且年内分配不均，7—10月径流量占多年平均径流的45%左右。近些年来，佳木斯由于盲目扩展水田面积，加之农民节水意识淡薄，使得佳木斯地下水位普遍下降，进而诱发了一系列水资源短缺和水生态环境问题[9]。径流量是区域发展中的限制性资源要素，揭示佳木斯地区年径流量的变化特征对保障区域粮食安全、维持水生态健康都具有重要意义。

2 数据与分析方法

2.1 基本气象数据

本文所用的主要摘录自1956—2010年《黑龙江省水文年鉴》的相关统计数据，并结合相应年份的《黑龙江省经济统计年鉴》中的统计成果，对部分县市的径流量进行了必要的对比和检验。

2.2 分析方法

本文分别从趋势性、突变性和周期性3方面对径流量时间序列变化特征展开分析。其中，趋势性分析采用趋势分析法[10]；突变性分析选用世界气象组织(WMO)推荐的Mann-Kendall(M-K)突变分析法[11]；周期性分析采用Morlet小波分析方法[12-13]。

3 结果与分析

3.1 径流量趋势性分析

利用趋势分析法可得出佳木斯地区年、季径流量(图1)。由图1可知，年际变化上，近60年来佳木斯春季、夏季及秋季均呈下降趋势，年际倾向率分别为-7.895亿m3/10 a，-24.811亿m3/10 a和-28.666亿m3/10 a；冬季呈微弱上升趋势，年际倾向率为0.635亿m3/10 a。而整个佳木斯年总径流量呈下降趋势，年际倾向率为-60.737亿m3/10 a。为消除周期变化对数据进行5 a滑动平均处理，结果表明近60年来径流量并没有明显的上升或下降趋势，而是呈波动状态。

3.2 突变性分析

水文时间序列的突变点往往包含丰富的突变信息，它反映了引起突变的气候原因、人类活动的影响等，但趋势性分析只能发现时间序列的整个变化趋势，无法具体反映序列内部的变化特征，因此采用M-K方法深入分析径流量时间序列内部的突变特征，M-K突变检验分析结果如图2所示(图中虚线表示α=95%的显著性水平的临界值)。

春季径流量UF-UB两条曲线在1968年、1995年交于临界线之间。表现为春季径流量1968年前呈明显下降趋势，1968—1995年后呈明显上升趋势，1995年后呈明显下降趋势。

夏季径流量UF-UB曲线在1967年、1975年和1998年交于临界线之间。表现为夏季径流量1967年前呈明显上升趋势，1967—1975年呈明显下降趋势，1975—1998年呈明显上升趋势，1998年后呈明显下降趋势。

图1 佳木斯径流量趋势变化特征

秋季径流量UF-UB曲线在1966年、1998年交于临界线之间。表现为秋季径流量1966年前呈明显下降趋势，1966年后呈明显上升趋势，1998年后呈明显下降趋势。

冬季径流量UF-UB两条曲线只有2008年一个交点且交于临界线之间。表现为冬季径流量2008年发生突变后呈明显上升趋势。

年径流量UF-UB曲线在1967年、1972年和1998年交于临界线之间。表现为年径流量1967年前呈明显上升趋势，1967—1972年呈明显下降趋势，1972—1998年呈明显上升趋势，1998年后呈明显下降趋势。

各季节径流量及年径流总量表现出的突变点基本都出现在1967年、1972年、1998年左右，究其原因可能是以下两类所致。一是由于气候因素中的降水变化所致。因为松花江流域20世纪60年代后期到80年代初、90年代后期出现少雨期，其降水量均表现下降趋势[14]。二是区域土地利用发生变化。佳木斯地区所在三江平原于20世纪60年代末—70年代初进行过大规模农业开发，90年代末—21世纪初，水田种植面积骤增致使农业灌溉用水量增加，河道径流量减少[15]。

3.3 周期性分析

运用小波分析对1956—2010年佳木斯年径流量数据进行分析，得到小波变换系数实部时频分布图(图3)。从图3可以看出，近60年来佳木斯四季及全年包含了不同尺度的周期变化。为进一步分析其周期性，图4给出了佳木斯四季及年径流Morlet小波方差分布。综合分析图3和图4可知，佳木斯22 a，13 a，9 a，4 a左右尺度波动较为明显，存在径流量偏多偏少循环交替变化，在2010年后上述尺度的小波正在形成，小波系数为正，因此预测未来径流量在这4种尺度上均呈偏多趋势(表1)。

表1 佳木斯主周期变化 a

图2 佳木斯径流量M-K突变分析结果

图3 小波变换系数实部时频分布

图4 Morlet小波方差分布

4 结 论

(1) 年际变化上，近60年来佳木斯春季、夏季及秋季径流量均呈下降趋势，年际倾向率分别为-7.895亿m3/10 a，-24.811亿m3/10 a和-28.666亿m3/10 a；冬季径流量呈微弱上升趋势，年际倾向率为0.635亿m3/10 a。而整个佳木斯年径流量呈下降趋势，年际倾向率为-60.737亿m3/10 a。为消除周期变化对数据进行5 a滑动平均处理，结果表明近60年来径流量并没有明显的上升或下降趋势，而是呈波动状态。

(2) 时间突变上，春季径流量1968年前呈明显下降趋势，1968—1995年后呈明显上升趋势，1995年后呈明显下降趋势；夏季径流量1967年前呈明显上升趋势，1967—1975年呈明显下降趋势，1975—1998年呈明显上升趋势，1998年后呈明显下降趋势；秋季径流量1966年前呈明显下降趋势，1966年后呈明显上升趋势，1998年后呈明显下降趋势；冬季径流量2008年发生突变后呈明显上升趋势；年径流量1967年前呈明显上升趋势，1967—1972年呈明显下降趋势，1972—1998年呈明显上升趋势，1998年后呈明显下降趋势。

(3) 周期变化上，佳木斯地区春季径流量22 a为第1主周期，10 a，16 a，4 a分别为第2、第3和第4主周期；夏季径流量26 a为第1主周期，27 a，6 a，15 a分别为第2、第3和第4主周期；秋季径流量22 a为第1主周期，13 a，5 a，9 a分别为第2、第3和第4主周期；冬季径流量27 a为第1主周期，12 a，4 a，8 a分别为第2、第3和第4主周期；年径流量23 a为第1主周期，13 a，6 a，4 a分别为第2、第3和第4主周期。