白龙江舟曲-武都区间干支流径流变化特征关系

马亚丽, 李 新, 孙栋元, 白祖晖

(1.甘肃农业大学 水利水电工程学院, 兰州 730070; 2.甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司, 兰州 730000)

在气候变化和人类活动的共同作用下，河川径流作为最为直接和敏感的环境要素已经或正在发生着变化[1]，极端灾害事件频发，干旱区域河川径流在明显减少，湿润地区洪涝事件增多增强[2]，河流水文情势的变化必将给区域生态平衡和水资源管理带来严峻挑战[3]，因此，判别水文情势的变化特征特点对于确保区域生态平衡和水资源安全具有重要意义，尤其在水资源普遍缺乏的西北干旱、半干旱地区，河川径流作为水资源的重要组成部分，对于其径流变化特征研究更具有现实意义及国家战略性。近些年来，许多学者针对包括流量、气温、降雨等水文气象要素的变化特征、相互关系及其驱动因子进行研究，已经取得一定研究成果。研究表明黄羊河流域径流的多年变化是相对稳定的，气候变化与人类活动对径流减少的贡献率分别为46.24%和53.76%[4]。辽河实测径流量自20世纪70年代以来减少明显[5]。在气候变化和人类活动的双重影响下，黄河的水文过程发生了剧烈变化，河川径流量显著变化，且不同河段河川径流量变化规律也有所不同[6-7]。泾河年径流量、汛期径流量与非汛期径流量均呈现出显著减少趋势，其Hurst指数均大于0.5，表明未来与当前趋势有一定持续性，预测未来将呈现持续减少趋势[8]。近年来随着资源、环境被越来越多专家和学者关注，对于白龙江相关的研究重点集中在流域生态环境、地质灾害预测与防治、气候变化、河川径流等方面。巩杰等[9]基于遥感数据，运用GIS和InVEST模型分析了甘肃白龙江流域生境质量时空分异特征，认为生境质量总体表现出先降低后缓慢增加的趋势。陈宗良等[10]以白龙江流域中上游第四纪沉积物为研究对象，认为其灾害效应主要表现为崩滑效应和对泥石流的补给效应。魏宏庆等[11]剖析了白龙江中游干旱河谷地理环境与水土流失作用关系，并配置水土保持防治措施体系，为建立综合治理模式提供有效参考。张晓晓等[12]以1961—2010年白龙江上游径流与降水资料为基础，表明上游径流呈极显著减少趋势，且1990年以后人类活动逐渐成为影响径流变化的主要因素。以往对于白龙江河川径流的研究多集中于河流干流的一个或多个水文站的径流变化特征分析研究，缺乏对于干流与支流变化特征关系的探讨研究，本文以白龙江舟曲—武都区间段干支流的径流变化特征关系为研究对象，采用干流2个水文站及支流3个水文站1981—2015年35 a的同期逐月径流资料对白龙江干支流径流变化特征进行研究，从多角度揭示径流变化趋势、突变特点及干支流之间的关系，以期为水资源的开发利用及河流治理与保护提供科学依据。

1 研究区概况

白龙江是长江左岸嘉陵江上游的最大支流，即长江的二级支流，嘉陵江的一级支流。发源于甘肃省甘南州与四川省交界的郎木寺，流经甘肃省东南部的迭部县、舟曲县、宕昌县、武都区和文县，经碧口镇流出甘肃省省界，最终在四川省广元市昭化县宝轮镇附近汇入嘉陵江。地理坐标东经102°30′—105°40′，北纬32°20′—34°10′，甘肃省段长475 km，流域面积为1.84×104km2。地势西北高、东南低，主要表现为山地地貌、河谷地貌。流域地处暖温带与亚热带过渡地段，夏季高温多雨，冬季温暖少雨，年均温6～14.9℃，年降水量约400～850 mm，且主要集中在5—10月[13]，旱雨季明显，年降水由南向北呈现递减趋势，东南多于西北，相对湿度60%，日照时间1 800 h，蒸发量达2 500 mm[11]。

2 资料与方法

2.1 水文观测数据

采用1981—2015年白龙江流域(舟曲站、武都站、宕昌站、黄鹿坝站、马街站)5个水文站35 a同期逐月径流数据资料，所用数据均来自甘肃省水文水资源勘测局。其中舟曲站、武都站位于白龙江干流，宕昌站、黄鹿坝站、马街站位于舟曲—武都区间段的一级支流，即岷江、拱坝河、北峪河。舟曲—武都区间干流径流量为舟曲站和武都站来水量之差；区间入流为5个水文站之间的来水量，即武都站与其他4站来水量之差；宕昌径流量为岷江宕昌以上流域来水量；黄鹿坝径流量为拱坝河黄鹿坝以上流域来水量；马街径流量为北峪河马街以上流域来水量。水文测站基本信息见表1。

2.2 研究方法

(1) 累积距平法。累积距平法利用累积距平曲线反映变化趋势，若累积距平曲线显示上升趋势，则累积距平值增加，距平值为正；若显示下降趋势，则累积距平值减少，距平值为负；同时可判断发生突变时间。

表1 水文测站基本信息

累积距平值表示为：

(1)

(2) Mann-Kendall趋势检验。假定H0={x1，x2，…，xn}为时间序列，n为时间序列的长度，xk，xj分别为第k，j年的流量值，在满足零假设(H0)即数据序列没有趋势时，定义统计量S

(2)

确定方差V和标准正态系统变量U

(3)

(4)

式中:U>0,序列呈增加(上升)趋势;U<0为减少(下降)趋势;若|U|越大,表示序列趋势变化越显著,当显著水平α给定时，|U|大于置信区间临界值1.28,1.96,2.58时,分别表示通过了信度90%,95%,99%的显著性检验;H0数据无趋势的假设被拒绝[14-17]。

(3) Mann-Kendall突变检验。首先构建时间序列的秩序列为：

(5)

(6)

式中:E(Sk)和Var(Sk)为Sk的数学期望和方差,其不偏估计量表达式为

(7)

(8)

将原有时间序列进行逆序，对逆时间序列计算，获得UBk=-UFk。根据UFk大于0或小于0，判断序列上升或下降趋势，若UFk和UBk序列点在置信范围内存在交点，则说明该交点是突变点[14-17]。

(4) 双累积曲线。双累积曲线是在直角坐标系中两个不同变量同期内连续累加值所构建的关系曲线，常用于水文气象要素长期演变趋势及一致性的检验分析[18]。干流径流量与支流径流量及各支流径流量所构建的双累积曲线可利用关系曲线斜率表征水文变量的阶段性特征，从而探究河川径流演变趋势过程，并依据回归分析曲线构建的两变量关系式，进一步量化分析各支流对径流情势演变过程的影响程度[19-20]。

3 结果与分析

3.1 干支流径流量年际变化及趋势

舟曲—武都区间白龙江干流多年平均径流量为14.13亿m3/a，该区间上的3条支流，岷江宕昌站、拱坝河黄鹿坝站、北峪河马街站多年平均径流量依次为3.14亿m3/a，4.84亿m3/a，0.14亿m3/a，干流区间入流6.01亿m3/a，占比分别为22.22%，34.22%，0.99%，42.56%，区间入流量最大，北峪河支流径流量最小，不足1%。径流量与不同站点的集水面积大小及气候条件、地形地貌有关，降雨量、集水面积、坡度越大，其径流量也相应越大。各站年径流量整体呈现下降趋势，其中1981—1993年径流量均值大于多年平均水平，为丰水期，1994—2015年径流量均值小于多年平均值，为枯水期，具体见图1；各站累积距平曲线均呈现先上升后下降趋势，以1993年为分界点，1993年前高于多年均值，1993年后低于多年均值，具体见图2。各站径流量线性倾向变化率不同，舟曲—武都区间干流线性倾向变化率最大，为-2.16亿m3/10 a，35 a减少量达到7.56亿m3，其次黄鹿坝站为-0.84亿m3/10 a，宕昌站为-0.56亿m3/10 a，马街变化率最小，仅为-0.05亿m3/10 a，35 a减少量达到0.18亿m3。相比区间干流减少量，支流拱坝河占比38.89%，支流岷江占比25.93%，北峪河占比2%，区间入流占比32.8%，可见支流拱坝河和区间入流对于区间干流的变化有明显影响。白龙江流域自20世纪50年代以来，特别是90年代以来，由于气候变化和大肆砍伐森林等人类活动的影响，降雨量总体上呈现显著下降趋势，并且降水是白龙江流域径流的主要补给来源，舟曲—武都区间降雨量的显著减少趋势是导致径流显著性下降的主要原因，径流变化趋势与降雨量总体趋势相一致。

图1 干支流径流量年际变化过程

图2 干支流径流量累积距平

采用M-K法对各水文站的年径流系列进行趋势检验，将计算结果与显著性水平分别为0.1，0.05，0.01的置信区间临界值±1.28，±1.96，±2.58对比，可以看出宕昌、黄鹿坝检验统计量U均小于-2.58，达到了0.01的显著性水平，马街、舟曲—武都干流区间检验统计量U均小于-1.96，达到了0.05的显著性水平，且统计量U全部为负值，可见，年径流变化趋势呈现显著下降趋势，显著性水平均在0.05以上。对比图1中干支流径流量年际变化过程，计算结果与年际变化趋势一致。径流变化趋势检验结果见表2。

3.2 干支流径流量变化突变分析

白龙江支流岷江上的宕昌站统计量UFk除1984年外，均小于0，呈现下降趋势，与M-K趋势检验结果一致，显著性水平0.01，在95%的置信水平条件下，年径流突变的临界年份为1986年。支流拱坝河上黄鹿坝站UFk除1983—1986年、1990年大于0，呈现上升趋势，其他年份均小于0，为下降趋势，显著性水平0.01，突变年份为1994年。支流北峪河上马街站UFk除1984—1985年、1992—1994年大于0，呈现上升趋势，其他年份均小于0，为下降趋势，显著性水平0.05，突变年份为1991年。舟曲—武都区间白龙江干流UFk除1985外，其他年份均小于0，为下降趋势，显著性水平0.05，突变年份为1986年，具体见图3。径流突变主要源于降雨等气象因素存在显著的变化，径流突变的临界年份前后均值变化明显，径流的形成除受流域气候因素的影响，还与下垫面等因素密切相关。各支流具有空间异质性，地形地貌、气象、地质、植被等各方面存在差异，地势西北高东南低，为典型的高、中山峡谷区，气候分布不均匀，自西北向东南由亚热带湿润气候过渡到高寒湿润气候，降水自上游至中游逐渐减小，多方面因素共同作用造成各支流突变年份并不完全一致。

表2 白龙江干支流径流量变化趋势检验

图3 干支流径流量M-K突变检验

各站以突变点划分前后时段为基准期与变化期，统计不同时段的径流特征参数值，见表3。各站年径流量均呈下降趋势，宕昌站由基准期4.37亿m3/a降至变化期2.89亿m3/a，较基准期减少33.87%；黄鹿坝站由基准期5.94亿m3/a降至变化期4.10亿m3/a，减少率30.98%；马街站由基准期0.22亿m3/a降至变化期0.10亿m3/a，减少率54.55%；舟曲—武都区间干流由基准期20.16亿m3/a降至变化期12.88亿m3/a，减少率36.11%，尽管年径流量最小，突变年份前后马街减少率最大，其次为舟曲—武都区间干流。各站各时期变差系数与极值比存在差异，表明各站径流年际波动变化明显。宕昌1986年前后由特丰水年变为平水年，黄鹿坝1994年前后由特丰水年变为偏枯水年，马街1991年前后由特丰水年变为特枯水年，舟曲—武都区间干流1986年前后由特丰水年变为平水年。突变年份前后各时期呈现不同的年景分布，与各支流的地形地貌、气象、植被覆盖等气候及下垫面条件差异有关。

表3 干支流径流量时段变化特征

3.3 干支流变化特征关系

根据舟曲—武都区间干流M-K突变检验，突变点为1986年，以1986年为界，1981—1986年为基准期，1987—2015年为变化期，利用累积量斜率变化率(SCRCQ法)探讨舟曲—武都区间3条支流对于白龙江干流的影响，计算得到各支流和区间入流对舟曲—武都区间干流1986年前后出现变化的影响率大小，是变化期对比基准期斜率变化的反映，从各部分径流1986年前后变化率的角度得到各部分的影响率。具体见表4。

表4 支流径流对干流径流影响影响率

根据舟曲—武都区间的白龙江干流累积径流量—年份曲线(图4)，基准期斜率为19.83，变化期斜率12.19，变化期较基准期的变化率-38.55%。依据舟曲—武都干流累积径流量—支流各站累积径流量曲线(图5)，支流岷江宕昌站基准期斜率由4.82变为变化期斜率4.52，变化率-6.28%，对舟曲—武都干流径流变化影响率为16.29%；支流拱坝河黄鹿坝站基准期斜率由3.29变为变化期斜率2.72，变化率-17.34%，对舟曲—武都干流径流变化影响率为44.97%；支流北峪河为一条径流量较小的支流，多年平均径流量仅为0.14亿m3/a，占舟曲—武都干流多年径流量的0.99%，比重不足1%，对于舟曲—武都区间干流影响十分有限，这里考虑其影响率为1%；与三条支流影响率做差，剩余的干流区间入流影响率为37.74%。可见，对于舟曲—武都区间白龙江干流径流变化，拱坝河支流变化影响最大，其次是干流区间入流变化、岷江支流变化，最后是北峪河小支流的影响。影响率大小除与各支流的径流量大小有关，也与其径流变化率相关，北峪河马街站径流量占比不足1%，影响率最小，虽然区间入流径流量大于拱坝河黄鹿坝径流量，但因拱坝河径流变化率较大，其影响率最大。

图4 舟曲-武都累积径流-年份曲线

图5 宕昌站和黄鹿坝站径流双累积曲线

4 结 论

(1) 1981—2015年35 a舟曲—武都区间白龙江干流多年平均径流量14.13亿m3/a，岷江宕昌站、拱坝河黄鹿坝站、北峪河马街站、舟曲—武都干流区间入流分别为3.14亿m3/a，4.84亿m3/a，0.14亿m3/a，6.01亿m3/a，舟曲—武都干流区间入流占比最大为42.56%，其次支流拱坝河34.22%，支流北峪河占比最小为0.99%，可见就径流量而言，区间入流量明显高于支流径流量。各站径流年际变化整体呈现显著下降趋势，且显著性水平达到0.05以上。

(2) 各站径流量线性倾向变化率不同，线性倾向变化率舟曲—武都区间干流最大，为-2.16亿m3/10 a，35 a减少量高达7.56亿m3，其次黄鹿坝和宕昌-0.84亿m3/10 a、-0.56亿m3/10 a，减少量分别为2.94亿m3,1.96亿m3，马街变化率最小为-0.05亿m3/10 a，减少量0.18亿m3，相比区间干流减少量，支流拱坝河占比38.89%，支流岷江占比25.93%，北峪河占比2%，区间入流占比32.8%，可见支流拱坝河和区间入流对于区间干流的变化有明显影响。

(3) 在95%的置信水平条件下，舟曲—武都区间白龙江干流、白龙江支流岷江上的宕昌站、白龙江支流拱坝河上黄鹿坝站、白龙江支流北峪河上马街站突变年份依次为1986年、1986年、1994年、1991年，突变年份前后年景分别为特丰水年—平水年、特丰水年—平水年、特丰水年—偏枯水年、特丰水年—特枯水年。各站统计量UFk除个别年份外，大部分年份均小于0，呈现下降趋势，与M-K趋势检验结果一致。

(4) 对于舟曲—武都区间白龙江干流径流变化，舟曲—武都区间干流变化期较基准期的变化率-38.55%、支流岷江宕昌站变化率-6.28%、支流拱坝河黄鹿坝站变化率-17.34%，1986年前后拱坝河变化大于岷江，拱坝河支流变化影响最大，为44.97%，其次是干流区间入流变化，影响率为37.74%，再其次为岷江支流变化，影响率16.29%，最后是北峪河小支流的影响，影响率为1%。