滦河流域近59年径流变化分析研究

2020-01-16付博超

水利科技与经济 2019年12期

付博超

(河北省秦皇岛水文水资源勘测局，河北秦皇岛 066000)

0 引言

受气候、流域特征和人类活动的影响，流域水文循环是一个复杂的过程。水量短缺以及水灾害发生频率越来越高[1]。在过去的几十年里，许多河流的年径流量显著减少，带来了一些水资源问题，特别是在干旱和半干旱地区，河流径流受到气候变化和人类活动的强烈影响，导致产径流量发生显著变化[2]。河流径流变化的驱动因素因河而异，并随着时间而变化[3]。为了更有效地管理水资源，有必要了解在变化环境下径流的产生和变化。此外，定量评价不同因素对径流的相对影响对区域水资源评价和开采具有重要意义。

气候是径流变化的主要驱动因素，同时包括降水、温度、蒸散发以及人类活动[4]。人类活动对中国北方径流的影响通常是通过计算它们对水量平衡方程各组成部分的影响来评估的。因供水和用水条件复杂且变化迅速，所以该种分析方法较为困难。其他分析方法如回归分析、敏感性分析和水文模型模拟法最近被用来解决这个问题。敏感性分析[5]是一个广泛采用的方法，其用于评估年径流对降水量和蒸散量变化的响应。滦河作为中国河北地区的一条大河，其为1亿人口提供淡水。滦河流域的经济和农业相对发达，由于土壤的高肥力，被称为中国国家农林生产基地[6-7]。目前，对小流域径流变化的研究只是简单地分析支流和整个流域年径流趋势的变化，很少有研究介绍季节性和月径流的变化以及径流的其他特征，如高径流量(Q5)、低径流量(Q95)和中径流量(Q50)的变化。因此，鉴于流域内人类活动影响的加剧，有必要量化气候变化和人类活动对径流变化的相对影响，以便更好地管理水资源。

本文以滦河流域为研究区，采用1953-2011年间近59年的径流资料，研究目的如下:①研究年、季、月尺度上径流的变化；②确定年径流变化的转折点(即突变点)，将整个径流时期划分为基准参考期(自然期)和人类影响期，通过比较人类影响期和自然期的结果，采用水文敏感性分析方法量化降水、蒸散和人类活动对径流变化的相对影响；探讨人类活动对径流变化的主要影响方式。本文的研究结果可为未来滦河流域水资源管理提供重要参考。

1 研究区概况

滦河位于海河流域北部，是天津、唐山和承德市最重要的水源地。滦河发源于河北省和内蒙古交界处，全长888 km，在乐亭县与渤海汇合，有8条主要支流流入该河，其年平均径流量为2.45×109m3。滦河流域的土地利用类型主要包括森林、农业、草原和城区。潘家口和大黑汀水库是天津和唐山的主要饮用水源地[8]。

2 数据处理和研究方法

2.1 数据质量控制

本文采用滦河流域内及附近均匀分布的11个气象站以及6个水文站，时间长度为1953-2011年，数据来自国家气象局气象数据共享服务网[9]。为了确保数据准确，首先将数据中的异常值去掉；其次，当数据中存在大于5年的数据缺失时，该站点的数据将被去除。当数据存在缺失时，采用距离该站点最近且数据的相关性R2较好的站点向其插值。研究区的平均降水量、平均温度、平均潜在蒸散发量(E0)采用泰森多边形法计算[10]。流域内年划分为4个时期：1-3月、4-6月、7-9月、10-12月份。日径流量的长度为1953-2011年。各站之间数据的相关性均大于0.6，表现出良好的相关性。1980、2000和2010年的土地利用数据以及NDVI数据来自AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer)[11]，NDVI数据长度为1982-2011年，数据从地理科学数据云平台获得。本文采用Arcgis对NDVI处理上述数据。河北省的统计数据包括人口、GDP、农田灌溉面积、粮食产量，数据长度为1953-2011年，来自国家统计局。

2.2 研究方法

为了分析年径流量和季节径流量，本文采用以下统计变量:①平均径流量；②径流量百分位阈值:Q5、Q50和Q95；③低径流量和高径流量之间的变化率为:Q95:Q50和Q5:Q50，其中Q50表示年或季度径流量的中位数。

2.2.1 趋势分析

Mann-Kendall非参数检验[12-14]被广泛用于检测气象要素时间序列的趋势变化及是否发生显著性变化。其计算方法如下：

定义统计量S：

(1)

(2)

趋势计算公式为：

(3)

(4)

Z值被用于判断时间序列的变化趋势，当Z大于0时，表明序列具有增加趋势；当Z小于0时，表明序列具有减少趋势。在显著性水平α下，当|Z|≥Z1-α/2时，表明时间序列存在显著性变化趋势。本文趋势Z的大小即斜率采用Sen法[15]计算。该方法对趋势变化幅度的估计较为可靠，已被广泛用于识别水文和气候时间序列中趋势线的斜率。其计算方法如下：

(5)

式中：1

2.2.2 突变点分析

突变点分析采用Pettitt检验[16]，对于待检验样本x1,…,xt和xt+1,…,xN，统计量P的计算方法如下：

(6)

当(Xt-Xj)>0, sgn(Xt-Xj)=1

当(Xt-Xj)=0 , sgn(Xt-Xj)=0

当(Xt-Xj)<0 , sgn(Xt-Xj)=-1

(7)

KN=max1≤t≤N|Ut,N|

(8)

P≅2*exp{-6(KN)2/(N3+N2)}

(9)

2.2.3 水文敏感性分析方法

对于一个给定的流域，假设其年径流变化的计算公式为：

(10)

考虑气候变化和其他因素影响下，年径流变化总量的计算公式如下：

(11)

(12)

φP=(1+2x+3ωx)/(1+x+wx2)2

(13)

φE0=(1+2ωx)/(1+x+wx2)2

(14)

式中：ΔP，ΔE0为降水和潜在蒸散发量的变化，E0采用FAP推荐的Penman-Monteith公式计算；φP，φE0为径流对于P和E0的敏感性系数；x为干燥指数，其为E0和P的拟合函数；ω为0.39。

(15)

(16)

3 结果分析

3.1 径流年内和年际间变化

图1给出不同时间尺度滦河流域径流量的M-K趋势Z和Sen斜率求解结果。由图1可知，在1953-2011年，年径流量表现出显著性下降趋势(P<0.001)，其斜率为-1.458 m3·s-1/年，Z值为-3.54，径流的最大值和最小值出现在1954和2003年，其数值分别为294.7和11.3 m3/s。除了1-3月份，其他季度的径流量均表现出显著性下降的趋势(P<0.001)，其斜率的最大值出现在7-9月份，为-3.998 m3·s-1/年，对应的Z值为-3.53。季度径流量的最大值出现在50年代，其最小值出现在1980-1985年和2000-2005年。1-3月份表现出现出下降趋势，其斜率值最小为-0.051 m3·s-1/年，其Z值为-1.15 m3/s。

图1 1953-2011年滦河流域径流量的M-K和Sen斜率值

图2给出滦河流域不同时间尺度Pettitt突变点统计量KN值的结果，水平线代表不同的显著性水平，当KN的最大值和最小值出现在水平线包围的范围以外时，表明该点为显著性突变点。由图2可以看出，各时间尺度均无显著性突变点，其年径流量的突变点和累积距平曲线保持一致，其在1964、1984和1998年以后分别表现出下降、增加和减小的趋势。因此，这个年径流量可以分为4个时期：1953-1964、1965-1984、1985-1998和1999-2011。在1953-1964年，年径流量的平均值最大为159.6 m3/s，在1965-1984、1985-1998和1999-2011年，年径流量的平均值分别为55.9，119.2和51.2 m3/s，均小于1953-1964年。4个时段内径流在年际间的变化较为相似。不同季度年径流量的突变点分别为1964、1985和1998。在4-6月份其第一个突变点即1964年表现不显著，因此其只存在两个突变点。

对于月径流量，1、2和5月份表现出上升的趋势，其Z值分别为0.58、0.93和3.31，斜率分别为0.015、0.020和1.039，只有5月份表现出显著性变化。其他月份均表现出减小的趋势，大部分月份均达到显著性水平，斜率的最大值和最小值出现在8和12月份，其斜率分别为-4.139 m3·s-1/年(P<0.01)和-0.127 m3·s-1/年(P<0.05)。

3.2 径流量变化特点

表1给出自然期和人类活动影响期年径流和月径流的特征比较结果，其中1953-1964为基准期或自然期，其他时间段为人类活动影响期。由表1可以看出，1953-1964年间的Q5、Q50和Q95大于人类活动影响期中的1965-1984年和1999-2011年。1953-1964和1965-1984相比，Q5在年和季节尺度上均表现出显著性减小，其变化范围为-55.6%～-77.9%，在年尺度上其最大减小比例为-77.9%。除4-6月份，Q95也表现出减小的趋势，其在7-9月份的下降比列最大为-74.6%。除7-9月份，Q5/Q95在年和季尺度上均表现出减小的趋势，最大下降比例为-59.3%。相反，Q95/Q50在不同时期均没有表现出明显的变化。1953-1964和1985-1998年相比，Q5表现出减小的趋势，其在年和季尺度上的减小比列分别为-1.3%和-51.4%，最大下降速率出现在1-3月份。除7-9月份，Q95表现出增加的趋势，在年尺度上其最大增加比例为75.8%。Q5/Q50在7-9月份表现出增加趋势，其增加比例为114.6%，在其他月份均表现出减小的趋势。

图2 Pettitt突变点及其显著性检验结果

表1 自然期和人类活动影响期年径流和月径流的特征比较 /m3·s-1

续表1

3.3 气候和非气候因素对径流变化的影响

3.3.1 气候变化对径流变化的影响

本文采用水文敏感性分析方法定量分析气候和人类活动对径流变化的影响，其结果见表2。由表2可以看出，气候变化和人类活动的相对贡献率在1965-1984年期间分别为43.4%和55.6%，在1985-1998年期间分别为28.3%和128.3%，在1999-2011年期间分别为24.1%和75.9%。在人类活动期间包括温度、降水和E0在内的气候变量的变化见图3。1953-2011年期间的年平均气温表现出显著的上升趋势，年平均气温的上升斜率为0.026℃/年(P<0.001)。最高和最低气温分别出现在1969和2007年，分别为5.5℃和8.8℃。在过去几十年中，年降水量表现出剧烈的变化和显著的下降趋势(P<0.05)，Sen斜率值为1.428 mm/年。与1953-1964年年平均降水量相比，1965-1984和1999-2011年间观测到的降水量分别减少51.8和97.2 mm。同时，1965-1982和1999-2011年期间的年E0分别比基准期上涨57.2和91.6 mm，这加剧了径流下降。在1985-1998年期间，径流表现出增加的趋势，与基准期相比，E0减少37.0 mm，其降雨量略有增加，增加了5.2 mm。

4个时期降雨量和径流深度的比较结果可知，K1953-1964(为0.29)>K1999-2011(为0.14)>K1985-1998(为0.13)>K1965-1984( 为0.03 )，表明流域的产流能力在基准期(1953-1964年)最大，在人类活动影响期(1965-1984年)最弱。

3.3.2 土地利用对径流变化的影响

1980-2010年间滦河流域土地利用变化量见表3。由表3可以看出，林地面积减少4.5%，耕地面积减少3.9%，草地面积增加3.8%，城市面积增加2.8%。这些变化主要原因是开垦和城市化快速建设导致林地和农田向草地和城市地区转化造成的。自20世纪80年代初以来，大规模的城市建设占用了林地和农田，导致林地退化并转化为草地。2000-2010年期间，草地(0.8%)和城市(0.9%)的土地利用略有变化，而其他土地利用类型的面积保持稳定。自1999年退耕还林工程开始以来，林地和草地得到保护，因此在2000-2010年期间，这些类型没有发生明显变化。城市面积略有增加，主要与大城市和郊区建设有关。