汾河中游河川径流变化趋势分析

2020-10-24

山西水利科技 2020年3期

（山西省水利水电科学研究院山西太原030002）

0 引言

地表水资源是维系区域生态平衡和促进经济社会发展的制约性要素[1]，河川径流是地表水资源的主要形式，变化环境下河川径流及地表水资源量的变化将对区域水资源管理带来严峻挑战[2-3]。汾河是山西省内最大河流，流域面积39 826 km2，水资源量约占全省水资源总量的27.2%左右。2018年汾河流域人口占全省总人口的比例为42.35%，GDP 占全省42.55%，是全省人口与社会生产力布局最为集中的地区，对全省社会经济发展至关重要。近年来，受气候等多重因素的影响，汾河流域的水循环格局和水资源情势发生了显著变化，引发了汾河干流年径流量减少、流域地下水位降低等一系列不良后果[4]，加剧了汾河流域的水资源供需矛盾。河川径流及地表水资源的变化及其演变特征是流域管理者关注和科技工作者研究的核心内容[5-7]。本文旨在分析汾河流域中游河川径流年内与年际间变化规律，并深入分析这种变化的持续性，研究结果可为汾河水资源的合理开发及资源利用方案的制定提供科学支撑。

1 资料与方法

本研究以汾河二坝站与义棠站1980—2015年实测年径流量资料为基础，采用累计距平法、Mann-Kendall 趋势检验法及R/S 分析法对汾河中游河川径流演变特性进行了分析。

1）距平累计法

为更明显地显现或分辨径流年际变化的阶段性，本文采用“距平累积法”，即先计算每年的径流量距平，然后按年序累加，得到距平累积序列，即：

式中：LPi——第i年的距平累积值；

Ri——第i年的径流量。

根据距平有正有负的特点，当距平累积持续增大时，表明该时段内径流量距平持续为正；当距平累积持续不变时，表明该时段径流量距平持续为零即保持平均；当距平累积持续减小时，表明该时段径流量距平持续为负。

2）Mann-Kendall 趋势检验

Mann-kendal 趋势检验是一种非参数检验方法，其具有无需要样本规律分布、不受异常值干扰等优点，可用于对如降水、径流、气温等非正态分布序列的变化趋势进行分析和检验。其原理为：设（x1，x2，…xn）是n 个独立、随机样本，统计量S 为：

其中sign（）为符号函数。当（xi-xj）小于、等于或大于零时，sign（xi-xj）分别等于-1、0 和1。M-K 统计量公式分别为：

Z 为正表示趋势增加，反之表示减小。当|Z| ≥1.28、|Z| ≥1.64、|Z| ≥2.32 时，分别表示序列趋势通过了信度为90%、95%、99%的显著性检验，说明序列趋势显著上升或下降。

3）R/S 法持续性分析

R/S 分析是非线性时间序列分析方法，通常用于分析时间序列的分形特征和长期记忆过程[8]。给定一个水文序列，计算其差分、极差R 和标准差S，并求出R/S 的比值。如果该比值随时滞而呈现出幂律分布的趋势，则幂指数就是Hurst 指数，且0≤H≤1。当0≤H<0.5 时，表示水文序列具有反持续性，当0.5

对于给定的时间序列x1，x2，…xn，其均值、累计离差、极差和标准差分别为：

2 结果分析

2.1 河川径流量年内变化特征

山西省地处中纬度地带的内陆，属温带大陆性季风气候，降水主要来源于夏季风带来的暖湿气流，降水较为集中，70%以上的降水量集中在每年的6-9月。由汾河二坝站与义棠站的河川径流量年内分配（图1）可知，汾河中游河川径流量年内分配极不均匀，二坝站河川径流量最枯时段出现在每年的2月份，为136 万m3，义棠站最枯水量出现在每年的3月份，为440 万m3，但基本从6月份开始，河川径流量会随着降雨量的增加迅速攀升，8月前后达到一年中的极大值，汾河二坝站为4 249 万m3，义棠站为7 836 万m3，之后河川径流量又开始逐渐衰退，河川径流量的最大值和最小值出现时间与夏雨丰枯时间基本同步。由表1可知，无论是年内还是年际间，汾河二坝站河川径流量丰枯变化都比义棠站要剧烈。

2.2 河川径流量年际变化趋势

汾河二坝站和义棠站历年径流累计距平曲线见图2。由图2可以看出，汾河二坝站和义棠站年径流量在整个上世纪80年代为波动起伏状态，但波动不剧烈，从1997年开始，汾河中游河川径流量开始持续减少，特别是1998-2007年的10年间，地表径流大幅度减少。究其原因，一方面，山西省特殊的地理环境和气候条件造成了山西恶劣的水资源条件，“十年九旱”成为山西省最显著的气候特性，其年降水量明显低于周边的河南省、河北省和陕西省[11]，特别是进入上世纪80年代后，黄河流域的气温开始显著升高，年降水量呈缓慢下降趋势，山西省多年平均降水量也出现下降趋势，下降幅度显著高于全国水平[12]，导致山西省境内地表径流量减少。另一方面，随着山西省经济的快速发展，各行业对水资源的需求量急剧增加，在大规模开采地下水和采煤对水资源破坏的双重作用下，使河川径流量对地下水的侧渗补给量增加，地下水对地表水形成了袭夺，特别是在岩溶地区、山区和河滩内，开采地下水实际上就等于是取用地表水，这也是造成地表径流减少的一个重要原因。2007年之后，山西省开始实施兴水战略，2008-2011年山西省共建成了35项应急水源工程，启动了大水网建设工程及引黄北干线工程，针对地下水超采区采取了关井压采、水源置换、渠道节水改造、严控审批新井、置换引黄水、煤炭限采等一系列措施，地下水超采局面初步得到控制，同时，2010年后，山西省降水量也进入了相对丰水期，两者共同作用下使汾河中游的河川径流量又恢复为上升趋势。

图1 二坝站和义棠站径流量年内分配

图2 二坝站和义棠站径流量距平累计图

根据汾河二坝站和义棠站Mann-Kendall 趋势检验结果（表2），汾河中游河川径流量在1980-2015年的36年间虽然有波动，但总体上仍呈增加趋势，其中，汾河二坝站河川径流量在观测时段内呈上升趋势，但趋势不显著，义棠站河川径流量在观测时段内也呈上升趋势，且这种趋势通过了0.01 的显著性检验，说明义棠站河川径流量在观测期内上升趋势非常显著。

表2 汾河二坝站和义棠站Mann-Kendall 趋势检验结果

2.3 河川径流量持续性分析

应用R/S 分析法分别对汾河二坝站和义棠站年径流量时序分形特征和长期记忆过程进行分析，结果如图3所示。根据计算结果，汾河二坝站Hurst 指数为0.458 8，义棠站Hurst 指数为0.433 2，两水文站的Hurst指数均为0≤H<0.5。由Mann-Kendall 趋势检验结果，汾河二坝站和义棠站年河川径流量在1980-2015年间整体呈上升趋势，由此可以推断出，未来汾河二坝站及义棠站的河川径流量将呈现反持续性，即汾河中游河川径流量的这种上升趋势没有持续性，在未来的某一时段会走向相反的方向，演变为下降的趋势。