1956-2016 年大夏河流域径流变化特征分析

2021-05-30史伟明申雄达刘清琴

甘肃科技 2021年6期

史伟明，申雄达，刘清琴，邬壕，张钰

（兰州大学资源环境学院，甘肃兰州 730000）

河川径流作为最易开发利用的水资源，在人类生产生活中发挥越来越重要的作用[1]。近几十年来，随着社会经济不断发展，气候变化和人类活动的日益加剧，河川径流发生了显著的时空变化[2,3]，径流变化直接影响到水文循环和水资源管理利用等方面，进而影响到区域社会经济发展。研究河川径流的变化规律及演变趋势等，对掌握流域水文循环过程、合理开发利用水资源等方面具有重要的意义[4,5]。

近年来，国内河川径流演变的研究主要集中在大江大河干流和较大支流上，如对黄河流域径流变化特征的研究，主要集中在黄河干流及渭河、泾河等13 条较大支流上，对大夏河、庄浪河等较小支流的研究相对欠缺[6～8]。本文收集了大夏河夏河、双城和折桥水文站1956～2016 年实测径流资料，运用滑动平均、距平累计曲线、小波分析和Mann-Kendall（M-K）检验等方法，分析大夏河流域径流年内年际变化及趋势，为大夏河流域水资源开发利用及综合治理提供参考。

1 研究区概况

大夏河位于甘肃省中部地区，地理位置102°02′～103°22′E，34°52′～35°48′N 之间，是黄河上游右岸一级支流。河源由夏河和咯河两条支流组成，夏河发源于不大勒赫卡，海拔4280m，咯河发源于腊力大山，海拔3805m，两条支流于完尕滩汇合后称大夏河[9,10]，其主要支流从上游至下游分别为：铁龙沟、清水沟、老鸭关河、槐树关河、牛津河、洪水河、黑水河。大夏河流经甘南藏族自治州夏河县、合作县和临夏回族自治州临夏县、临夏市区，于东乡县康家湾汇入刘家峡水库，流域多年平均径流量9.56 亿m3，主沟道长194km，流域集水面积7154km2，河道平均坡度9.6‰[11]。选取夏河站、双城站、折桥站作为流域控制站点（见表1），流域水系图如图1 所示。

表1 大夏河流域水文站信息表

图1 大夏河流域水系图

大夏河流域属于温带半干旱性气候，远离海洋，日照比较丰富，气温年差大，降水多集中于6～10月，多年平均气温2.7℃，多年平均降雨量545.6mm。上游地处甘南高原北部和黄土高原过渡带，地势较高，植被覆盖较好，河流的侵蚀切割作用微弱；下游属于陇西黄土高原边缘区，多为草地和耕地。在双城站以下被黄土覆盖，河流的侵蚀切割作用明显，地表呈阶梯状起伏，河流含沙量较大。全流域水力资源理论蕴藏量平均功率392.03MW，其中干流平均功率267.8MW，水力资源比较丰富[12,13]。

2 研究资料与分析方法

2.1 研究资料

本次主要研究大夏河流域径流变化特征，根据水文站布设情况，从甘肃省水文水资源局和洮河水文水资源勘测局收集到夏河、双城和折桥（冯家台）水文站长系列实测径流数据，其中折桥水文站设立于1979 年初，冯家台水文站于1979 年底撤销，两站控制集水面积相差8km2，故将两站水文资料合并，统称折桥站。对夏河站数据插补延长，使资料序列统一为1956～2016 年。经检验，资料具有良好的代表性和可靠性。

2.2 分析方法

2.2.1 年际变化及趋势分析

文章采用线性回归法、滑动平均法和距平累计曲线法分析大夏河流域径流年际变化趋势。线性回归法是一种数理统计方法，常用来确定一个变量或多个变量与因变量之间的关系。滑动平均法是利用资料序列的滑动均值变化情况反映研究对象的变化趋势，能有效消除奇异点的干扰。绘制距平累计曲线法，可直接判断研究对象持续性变化趋势。

2.2.2 小波分析

小波分析是一种窗口大小固定不变，而形状可以变化的时频（时间-频率）局部分析方法。其特点是：在低频部分频率分辨率较高、时间分辨率较低；反之，在高频部分频率分辨率较低、而时间分辨率较高[14,15]。选取Morlet 小波对大夏河流域径流资料进行周期性分析，通过小波变换得到小波变化系数，提取小波系数实部，绘制等值线图，从图中识别大夏河径流变化的周期性特征，并绘制小波方差图对主周期进行检验。

2.2.3 Mann-Kendall 检验

Mann-Kendall（M-K）检验是一种常用的非参数检验方法，在水文气象序列变化趋势研究方面有较为广泛的应用，并且不受样本分布形态的约束和少数奇异值的干扰，具有检验范围广、定量化程度高的特点。利用M-K 统计值（UF 和UB）进行序列变化趋势显著性分析时，通常选取显著性水平α=0.05，临界值U0.051.96。当M-K 统计值大于临界检验值时，则表示变化趋势显著，反之，则变化趋势不显著；M-K 统计值的正负分别代表序列的上升和下降趋势；利用UF 和UB 两条曲线是否在临界线U0.05 区域内有交点，判断突变是否发生并识别突变开始发生的时刻[16,17]。

3 结果与分析

3.1 径流年内变化特征

绘制夏河站、双城站和折桥站径流年内分配曲线（如图2 所示）。由图2 可知，三站径流量年内分配特征基本一致，均为：夏季径流量最大，冬季径流量最小；汛期（6 月-10 月）径流总量占全年径流量66%，非汛期（11 月至次年5 月）径流量占全年径流量的34%。年内径流量最大月出现在9 月，最小月出现在2 月。可以看出大夏河流域径流量年内分配不均，其变化特征主要受大气降水的影响。

图2 夏河站、双城站和折桥站径流量年内变化曲线

3.2 径流年际变化特征与变化趋势

根据1956～2016 年夏河站、双城站和折桥站径流系列资料，计算得三站多年平均径流量分别为2.56m3、7.63m3和8.68m3；三站年最大径流量均出现在1967 年，分别为6.05m3、19.95m3和24.35m3；三站年最小径流量分别为0.96m3（2000 年）、4.00m3（1998年）和3.85m3（1991 年）；三站年径流量极值比分别为6.29、4.99、6.32，变差系数Cv 值分别为0.38、0.38、0.42。可以看出大夏河流域年径流量年际变化幅度较大。

1985 年以后，大夏河开始修建水利工程，其中干流规划修建梯级水电站25 座，主要分布在夏河站～折桥站之间。以1985 年为分界点，1956 年～1985年，三站年平均径流量分别为2.95m3、8.54m3和10.29m3；1985～2016 年，三站年平均径流量分别为2.18m3、6.75m3和7.13m3。分界点前后，三站平均径流量分别减少了26.03%、20.90%和30.65%，可以看出，1985 年以后，大夏河流域径流量明显减少。

绘制三站年径流变化过程线，包括逐年径流量过程线和连续5 年滑动平均变化过程线（如图3 所示）。由图3 可知，三站年径流过程线比较相似，均呈下降趋势；三站年径流过程趋势线斜率k 分别为-0.022、-0.047 和-0.081，从上游至下游，|k|值逐渐增大，由此可见，近几十年来，大夏河流域年径流量有下降的趋势，且减少的趋势随着流域面积的增加而增加。由图3 中三站连续5 年滑动平均变化过程线可知，大夏河流域上、中、下游年径流量变化趋势相似，尤其是1985 年之前，丰、平、枯水年基本对应。

图3 夏河站、双城站和折桥站年径流量过程线和5a平均滑动平均曲线

通过计算三站年径流序列距平累计值，绘制夏河站、双城站和折桥站年径流量序列距平累积曲线（如图4 所示）。由图4 可知，三站年径流量距平累积曲线变化趋势基本一致，其中夏河站变化趋势相对较平缓。1957～1968 年和1975～1979 年三站的年径流量累积距平值基本保持逐年递增，表明该时间段大夏河流域处于丰水年份；1968～1974 年和1991～2016 年三站的年径流量累积距平值基本保持逐年递减，表明该时间段大夏河流域处于枯水年份；1980～1990 年三站的年径流量累积距平值变化幅度较小，表明该时间段大夏河流域处于平水年份。

图4 夏河站、双城站和折桥站年径流量序列距平累积曲线

3.3 年径流周期性分析

采用Morlet 小波分析，对夏河站、双城站和折桥站年径流量进行周期性分析和小波方程检验。

夏河站年径流量小波分析如图5 所示。夏河站年径流量存在明显的周期性变化，其震荡周期有3a、5a、10a 和25a，其中25a 径流序列出现最大峰值，表明25a 的周期振荡最强，为夏河站径流量序列的第一主周期，10a、3a 对应为第二和第三主周期。在25a 尺度下经历了正-负-正-负-正交替变化，对应年径流量经历偏多-偏少循环交替；2016 年夏河站年径流量等值线图为正相位，且未闭合，按25a 的第一主周期推算，夏河站年径流量将保持增加的趋势到2021 年。

图5 夏河站年径流量小波分析与小波方差图

双城站年径流量小波分析如图6 所示。双城站年径流量存在3a、10a、14a 和22a 左右的震荡周期，其中22a 时径流序列出现最大峰值，表明22a 为双城站径流量序列的第一主周期，10a、3a 对应为第二和第三主周期。在22a 尺度上经历了负-正-负-正-负-正-负7 个变化期，1956～1958 年、1970～1980年、1992～2004 年和2014～2016 年为偏少期，1959～1969 年、1981～1991 年和2005～2013 年为偏多期；2016 年双城站年径流量等值线图为负相位，且未闭合，按22a 的第一主周期推算，双城站年径流量将保持减少的趋势到2024 年。

图6 双城站年径流量小波分析与小波方差图

折桥站年径流量小波分析如图7 所示。双城站年径流量存在3a、9a、15a 和22a 左右的震荡周期，其中径流序列最大峰值出现在9a，表明折桥站径流量序列的第一主周期为9a，3a、15a 对应为第二和第三主周期。在9a 尺度上，1956～1957 年、1962～1967年、1971～1975 年、1980～1985 年、1989～1993 年、2000～2004 年和2009～2012 年为偏少期，1958～1961年、1968～1970 年、1976～1979 年、1986～1988 年、1994～1999 年、2005～2008 年和2013～2016 年为偏多期，共经历了14 个负-正循环交替的变化期。

图7 折桥年径流量小波分析与小波方差图

3.4 年径流突变型检验

假定大夏河年径流量序列相互独立且连续，选取显著性水平α=0.05，临界值U0.05±1.96，运用Mann-Kendall 检验对大夏河夏河站、双城站和折桥站年径流量进行突变性检验，结果如图8 所示。

图8 夏河站、双城站和折桥站年径流量M-K 检验

从图8 中（a）夏河站UF 曲线可以看出，1957～1969 年UF 均大于0，表明夏河站年径流量呈上升趋势，因1958 年、1960 年、1962 年和1964 年UF 均大于临界值1.96，则这4 年夏河站年径流量上升显著；1969 年之后，UF 均基本小于0，且1997～2016 年UF 均小于临界值-1.96，表明夏河站年径流量在1969 年之后保持连续下降的趋势，且1997 年之后下降趋势显著；夏河站UF 和UB 曲线在置信区间内的交点出现在1985 年，说明夏河站年径流量突变发生在1985 年。

图8 中（b）双城站UF 曲线在1957～1970 年均大于0，在1971～2016 年均小于0，其中1998～2007年小于临界值-1.96，表明双城站年径流量在1957～1970 年呈上升趋势，在1971 年之后呈下降趋势，且1997～2007 年期间下降趋势显著；双城站UF 和UB曲线的交点置信区间内，年径流量的突变发生在1979 年。

图8 中（c）折桥站UF 曲线在1957～1970 年和1978～1979 年均大于0，在1971～1978 年和1980～2016 年均小于0，其中1997 年之后均小于临界值-1.96，表明折桥站年径流量在1957～1970 年和1978～1979 呈上升趋势，在1971～1978 年和1980～2016 年呈下降趋势，且1997 年之后下降趋势显著；折桥站UF 和UB 曲线的交点置信区间内，折桥站年径流量在1985 年突变发生。