不同时间尺度泾河流域降水径流关系研究

穆 鑫

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000）

在全球变化和人类活动影响背景下，流域水循环系统发生了巨大改变，降水径流响应关系呈现出更为复杂的特性，洪水预报和水资源演变预测更为困难。变化环境下水文水资源响应，以及对水灾害、水环境以及水循环的影响，这些都是区域水风险管理和安全评价等重大科学应用的需求和实践基础，也是当前全球研究水资源的前沿问题和核心科学内容[1～2]。

近几十年来，中国黄土高原地区主要河流的径流量明显减少。已有研究表明，径流减少的主要原因是土地利用变化和气候波动[3]。降水是流域径流的主要气象因子，也是主要的来源，河川径流的变化直接受到这一因素的营销。在对气象变化环境下分析流域径流和区域用水安全受降水影响时，要对降水-径流关系进行深入了解和定量评价，做好相关的预测和解释。

泾河流域属于半干旱半湿润典型区，区域受自然条件影响，产流能力较弱，降水径流系数相对较低，且降水径流关系极不稳定，流域自身土壤、植被、降水时空分布差异较大，径流变化的主要影响因素和过程存在很大的时空变异性。目前，在长期水文观测资料的基础上，针对泾河流域水文气象要素和下垫面演变规律开展了一系列研究。从年、月不同尺度层面分析研究区域降水径流关系演变特征。

1 研究区概况

发源于宁夏六盘山的泾河，跨越了宁、甘、陕三个省、自治区，是渭河的一级支流，黄河的二级支流，从陕西省高陵县处于渭河汇合。泾河流域面积为45421 km2，全长455.1 km。张家山水文站为流域把口站（图1），其控制流域面积为43216 km2，占流域总面积的95.15%。流域地处内陆，为典型温带大陆性气候，降水由东南向西北递减，且南北差距较大。流域内地势西北高、东南低，总体是东北西三面向东南倾斜。

图1 泾河流域张家山水文站与雨量站地理位置

2 资料与方法

2.1 资料选取

泾河流域地形地貌复杂，且下垫面条件空间分布差异较大，上、中、下游的植被、土壤、气候以及不同的社会经济条件，从流域径流的主要影响过程和因素来看，存在许多差异；同时降水径流关系在不同时间尺度也呈现不同特点。利用流域出口张家山站1956年～2010年径流资料和降雨资料作为本文的基础数据来展开相关探讨。

2.2 研究方法

Mann-Kendall检验方法中所选取的样本的分布规律没有硬性要求，是一种非参数检验方法，样本中的少数异常值也不会对结果造成影响，在水文变量分析中有着较好的适应性。

时间序列x的长度为n，通过Mann-Kendal检验时，首先构造一秩序列Sk：

在时间序列中，假设其具备随机独立特性，对统计量进行定义：

式中：UF1=0，E(sk)、Var(sk)分别为秩序列 sk的均值和方差，由下式计算：

标准正态分布，给定显著性水平 α，若|UFk|＞Uα/2，这显示了序列有显著趋势。在以上计算公式的基础上，按逆序来排列时间序列：

UFk和UBk'能对时间序列突变点和趋势进行有效识别。在UFk＞0的情况下，表现为上升趋势；UFk＜0的情况下，序列表现为下降趋势。UFk和UBk'如果存在曲线交点，其位置应该在临界区间内，突变发生的时刻就是交点位置。

3 结果分析

3.1 年尺度降水径流关系变化

张家山站多年径流量为14.34亿m3（1956年～2010年），总体呈现显著减少趋势，下降速率分别为8.9 mm/10 a（图2）。用Mann-Kendall秩次相关检验法对张家山站径流变化趋势分析判断，结果显示：径流量秩相关系数（-3.88）为0.01信度（2.58）的显著性水平，从秩相关系数数值为负可以看到，净流量会在时间的推移下显著性减小。利用M-K方法进行突变检验，结果显示：站点有明显的突变点，突变发生在1997年，突变在0.05水平的置信区间；不同时间长度的资料计算结果是一致的[4]。

多年平均降水量为519 mm，呈现一定幅度的减少趋势，多年平均降水变化率为-4.9 mm/10 a，并未通过显著性检验，年降水量及径流过程见图2。由图可知，1980年以后降水和径流变化趋势出现了改变，呈现明显的不同步性，年径流变化幅度显著大于年降水量变化幅度。

图2 张家山控制站点降水、径流变化趋势图

图3 张家山径流量MK突变检验图

选取张家山站1950年和2000年后年均降水量基本相同两个年代的径流特征分析，由图3可以看出，尽管2000年后年均降水量高出多年平均值，其年均径流深并未增加，反而比多年平均值下降50%，其年均径流系数在所有年代中成为最低的。

3.2 月尺度上降水径流变化

泾河流域径流多分布在汛期。张家山（7月～10月）径流量占全年比例为0.32～0.92，多年平均为0.63；非汛期（9月～次年6月）比例为0.08～0.68，多年平均为0.37。汛期径流比例呈现增加的趋势，非汛期比例呈现减少的趋势，其中，汛期径流量变化率为-3.18 mm/10 a；非汛期径流量变化率-2.27 mm/10 a（图4）。在年径流量不断减少的背景下，非汛期比例的减少增加了枯水期的缺水情况。

图4 张家山汛期（7月～10月）和非汛期（11月～6月）径流比例

与年尺度的降水径流关系分析结果相似，降水过程和径流变化明显呈现不一致（图5）。在枯水季，降水稀少，甚至观测的月降水为0，但由于地下水或融雪补给，河道里观测到的来水大于0，这使得月尺度的降水径流关系比较差。因此，在讨论月尺度降水径流关系时，只讨论汛期月降水径流关系（7月～10月）。

图5 张家山月降水径流变化过程

图6 张家山月降水径流系数变化

由图6可以分析得出：张家山站以上汛期多年平均月径流系数为0.05，呈减少趋势，1997年之后减少比率更大。1998年～2010年月径流系数分别为0.03，低于多年平均值40%。

4 结论

利用泾河流域长序列水文气象资料，采用Mann-Kendall进行突变点检测，分析了流域过去近50年来降水、年径流、场次洪水的变化过程，揭示了不同时间尺度上降水径流关系演变特征。可得出以下结论：多年平均降水量均呈现一定幅度的减少趋势，多年平均降水变化率为-4.9 mm/10 a。1980 s以后降水和径流变化趋势出现了改变，呈现明显的不同步性，年径流变化幅度显著大于年降水量变化幅度。2000年后年均降水量高出多年平均值，其年均径流深并未增加，其年均径流系数在所有年代中成为最低的。汛期多年平均月径流系数为0.05，呈减少趋势，1997年之后减少比率更大。径流的减少幅度要大于降水减少幅度。1998年～2010年月径流系数分别为0.03，低于多年平均值40%。结果可为流域水资源规划管理、水生态保护等提供理论支撑。