汤河流域降水径流变化趋势分析

2020-10-09吕乐婷韩月驰高晓琴

辽宁师范大学学报（自然科学版） 2020年3期

吕乐婷, 韩月驰, 高晓琴

(辽宁师范大学地理科学学院，辽宁大连 116029)

降水径流关系及变化趋势是国内外水文学界的研究热点[1-3].降水能够引起洪涝和干旱等灾害，是径流的主要补给来源之一，径流则因气候条件、流域下垫面综合作用而变化，此外人类活动影响着降水径流在机理上的线性变化关系[4]，所以降水径流演变过程存在规律性，同时也存在随机性.近几十年来，人类活动的加剧、科学技术的发展、水库等工程的建立，使得各流域的水量调控发生了良好的改变，洪涝干旱等自然灾害得到有效控制，但全球变暖等问题也日益加重，因此探明受人类活动影响的降水径流关系意义重大.

目前关于降水径流变化规律的研究较多，如刘锦绣等[5]对近56 a的降水量数据进行分析，发现全球陆地降水量和年降水量呈显著减少的趋势；乌仁娜[6]对新疆艾比湖的降水径流变化特征分析，发现该区域近55 a来降水增加，径流则无明显上升趋势，水资源的利用日益合理；李锁锁等[7]利用南水北调西线一期工程引水区和黄河上游地区近40 a的降水和径流观测资料，计算获得降水径流相关系数达到0.80；Durowoju O S等[8]对Lagos地区的降水径流变化规律及关系进行研究，从而为该地区的可持续发展提供了方案，以创建弹性和生态友好的城市.上述研究探讨降水径流年际及年内变化趋势的同时，也关注了人类活动对降水径流的影响，为合理调控水资源提供一定理论依据.

汤河是辽宁太子河24条主要支流中最大的一支，其流域内的汤河水库是太子河流域主要控制性工程之一，提供防洪、供水等功能服务，担负着辽阳、鞍山两大城市的饮用水的供应任务[9].目前对于汤河流域降水径流的研究较少.本研究对汤河流域降水径流的年际、年内变化趋势、两者相互关系以及降水空间分布特征进行了探索，结果可为汤河流域的水资源管理、调控及可持续发展提供科学依据.

1 研究区概况

汤河位于我国辽宁省辽阳市弓长岭区，是太子河最大的支流.汤河上游分东西两大支流，在汤河水库汇流后，经安平、耿家屯，于小屯镇西双庙村汇入太子河，河长90.7 km，流域面积1 466 km2(图1).汤河流域属温带季风性气候区，气温约-17～29 ℃，年降水量约710 mm.其中，汤河水库位于其干流上，是一座以防洪、供水为主，兼顾灌溉、养鱼、发电等综合利用的大(Ⅱ)型水利枢纽工程.总库容达到7.23亿m3，是太子河流域主要控制性工程之一[10].

图1 研究区概况

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

选取汤河流域内7个雨量站：二道河子、郝家店、红花沟门、隆昌、算盘峪(上麻屯)、吉洞峪、韩家村的月降水数据，及二道河子、郝家店的月径流数据对流域降雨径流时空变化进行分析.数据来源于地区水文年鉴及辽宁省水文年鉴.

2.2 研究方法

2.2.1 趋势及相关性分析

采用线性倾向法[11]、滑动平均法以及累积距平法[12-14]，对汤河流域45 a间的降水径流的变化趋势进行分析；利用相关分析法对流域年际、年内降水与径流关系进行分析.

2.2.2 突变分析

采用M-K突变检验法检验汤河流域降水、径流的突变年份，并结合累积距平法对突变年份进行确认[15].M-K非参数检验法具有检测范围宽、定量化程度高的特点，对检测时间序列变化单调趋势以及突变点大体位置具有一定有效性，目前该方法在气象、水文等领域广泛应用[16-20].该方法通过构造一秩序列：

(1)

其中，

(2)

定义统计变量：

(3)

式中:

E(Sk)=k(K+1)/4,

(4)

Vαr(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72.

(5)

UFk为标准正态分布，给定显著性水平α，若|UFk|>Uα/2，则表明序列存在明显的趋势变化，将时间序列x按逆序排列，再按照上式计算，同时使

(6)

通过分析统计序列UFk和UBk可以进一步分析序列x的趋势变化，而且可以明确突变的时间，指出突变的区域.若UFk值大于0，则表明序列呈上升趋势；小于0则表明呈下降趋势：当它们超过临界直线时，表明上升或下降趋势显著.如果UFk和UBk这两条曲线出现交点，且交点再临界直线之间，那么交点对应的时刻就是突变开始的时刻[21].

2.2.3 不均匀系数

(7)

Pk=max {Pj,j=1,2,…,k},

(8)

(9)

3 结果与分析

3.1 汤河流域降水与径流变化趋势

3.1.1 汤河流域45 a年际变化

45 a来，汤河流域年均降水量为709.66 mm，年均径流量为1 232.13亿m3，流域多年降水量、径流量变化趋势如图2所示.可见，年降水量和年径流量在45 a间年际变化显著，两者的最小值均出现在1989年，其值分别为497.70 mm，388.05亿m3；两者最大值分别出现在2012年、1986年，其值分别为1 087.33 mm、3 224.97亿m3.45 a来，流域降水量有轻微下降趋势，其速率为11.48 mm/(10 a)，年径流量也呈轻微下降趋势，速率为45.26 m3/(10 a)，但两者皆未达显著性水平(P>0.05)，从年降水量与年径流量的滑动平均值曲线可以看出，两者变化趋势十分相似.

图2 降水径流线性变化趋势及滑动平均法

由累积距平结果(图3)可知，1970—2001年降水量的累积距平值为正，降水量较丰富，为多雨期，2002—2014年累积距平值为负，为少雨期.其中1972—1976、1983—1986、1989—1990、1994—1996、2010—2014累积距平呈上升趋势，说明降水增加；相反地，1977—1980、1990—1993、1997—2000、2002—2009年累积距平为负，则说明降水减少；同时也可以看出，年降水量与年径流量的累积距平值变化趋势十分相似.

图3 年降水和年径流累积距平

根据M-K突变检验结果可知，年降水量在1976年，1984年，1987年，2012年和2013年存在交点(UF与UB相交)(图4a)，年径流量同样在该5个年份存在交点(图4b)，且均位于置信水平的区间内(P<0.05).为确定突变年份准确性，结合累积距平法结果检验M-K突变检验的年份.可见，图4中UF与累积距平曲线(图3)变化趋势基本一致，且在1976年降水径流累积距平曲线均出现由增加至减少的变化趋势，证明了流域的降水和径流在1976年发生了突变，这与1976年汤河所在的辽阳，气温骤降，且在1976年前后出现过暴雨与旱灾相符.

图4 降水a径流b M-K检验

3.1.2 汤河流域降水径流年内分配特征及变化趋势

经统计，汤河流域45 a来春季(3—5月)平均降水量为109.10 mm，占45 a年均降水量的15.37%，夏季(6-8月)平均降水量为450.50 mm，占45 a年均降水量的63.48%，秋季(9—11月)平均降水量为17.59 mm，占45 a年均降水量的3.56%，冬季(12-次年2月)平均降水量为96.36 mm，占45 a年均降水量的13.58%.流域春、夏两季降水量占全年降水量的比例在45 a间呈上升趋势，上升速率分别为0.000 2%/a和0.001 7%/a(图5a～图5b)，秋、冬两季降水量呈微弱下降趋势，下降速率分别为0.001 6%/a和0.000 3%/a，但均未达到显著性水平(图5c～图5d).

图5 降水径流春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和冬季(d)变化趋势

在此影响之下，汤河流域45 a春季平均径流量为168.63亿m3，占45 a年均径流量的13.69%，夏季平均径流量为702.22亿m3，45 a年均径流量的57.00%，秋季平均径流量为273.62亿m3，占45 a年均径流量的22.21%，冬季平均径流量为87.52亿m3，占45a 年均径流量的7.10%.45 a来流域春季、夏季及冬季径流量占全年径流量的比例均呈微弱上升趋势，上升速率分别为0.000 8%/a、0.000 7%/a和0.000 05%/a(图5a、b、d)，而秋季呈微弱下降趋势，其速率为0.001 5%/a，同样均未达到显著性水平(图5c).

汤河流域45 a降水、径流不均匀系数及变化趋势如图6所示.降水不均匀系数多年平均值为0.43，高于平均值的年份共有24 a(图6a)，占总时间尺度的53%，说明大多数年份降水在年内分配偏于不均匀.径流量不均匀系数多年平均为0.36，稍低于降水.高于平均值的年份共有21 a(图6b)，占总时间尺度的47%，比例低于降水，说明径流年内分配不均匀程度要低于降水.降水的不均匀系数呈不显著上升趋势，上升速率为0.016/(10 a)，而径流不均匀系数呈不显著下降趋势，下降速率为0.001/(10 a).

图6 降水(a)径流(b)不均匀系数

3.2 汤河流域降水径流关系分析

3.2.1 汤河流域降水径流的年际变化关系

汤河流域45 a年降水量与年径流量相关系数为0.916(P<0.01)，呈显著相关.流域年内月降水径流相关分析结果如图7所示.流域年内月降水径流相关系数均值为0.650.其中,2012年相关系数最大，为0.923；1998年相关系数最小，为0.245.45 a来月降水径流相关系数呈微弱下降趋势，但未达显著性水平，速率为0.001 2/a，从一定程度上说明从人类活动的日益频繁对降水径流自然过程影响加剧.

图7 降水径流年际相关系数变化趋势

3.2.2 汤河流域降水径流年内变化关系

据统计，1970—2014年汤河流域年内径流量最大月与降水量最大月重合率达到56%，最小月重合率仅为20%，说明径流的变化仍旧受降水影响较大，同时流域水库闸坝等工程对旱季径流调控也起到了一定作用.流域45 a月降水与月径流的相关性结果如表1所示.可见，3—11月降水径流相关系数较高，说明流域春夏两季降水径流相关性较密切，其中，夏季月降水径流相关性最高，春季降水径流相关性略低.且降水对次月径流也有一定的影响，如夏季，7月的降水量与8月的径流量相关系数达到0.49(P<0.01)，8月降水量与9月径流量相关系数达到0.66(P<0.01)，春季，3月的降水量与4月的径流量相关系数略低，为0.42(P<0.01).这说明降水对径流的影响具有一定的延迟性.

表1 月降水与月径流的相关系数

图8 各季节(a,b,c,d)与全年(e)降水量的空间分布

3.3 汤河降水量空间分布特征

利用ArcGIS进行空间分析获得了1970—2014年汤河流域降水量空间分布状况，结果如图8所示.流域多年平均降水量在春、秋和冬季皆呈现北多南少，四周高中间低的分布趋势；春季降雨量在0～220 mm之间，秋季流域整体降水量较春季高，在0～262 mm之间，冬季降水量最低，在0～85 mm之间.夏季，降水量受地理位置和季风的影响[24]，呈现南多北少，东多西少的特征，降水量在361～551 mm之间，最大降水量551 mm左右，出现于流域东南角.流域全年降水量呈北多南少分布，高值区域位于流域西北侧及东北侧，降水量达1 006 mm，低值区域位于流域中部及南部，南部降水量最低，约为340 mm.