白龙江干流各区间径流变化特征分析

白祖晖，李 新，马亚丽

(1. 甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730030；2. 甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070)

在气候变化和人类活动的共同作用下，在过去的50～60年间，河川径流已经或正在发生着变化，河川径流作为地表水资源的主要形式，其变化必将对区域水资源管理带来严峻挑战，因此，准确评估河流的径流量变化特征对于确保水资源安全具有重要意义。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[1- 2]。已有研究结果表明，海河实测径流量1970—2010年较1950—1969 年减少30%—70%，且人类活动的影响贡献率达到60%以上[3]。贾昊等[4]研究认为黄河上中游1950—2018年径流量呈极显著性减少趋势，GM(1，1)模型预测未来20年的径流量变化为113.38亿～210.35亿m3，并持续减少趋于稳定。宁学鹏[5]认为近50 年来石羊河流域降水量呈愈加集中的趋势。张欣然[6]研究表明辽东暴雨洪水易发区枯水季节集中度更高，降水集中期不同季节变化较为明显。张恒铭[7]发现张掖市近63年径流量呈减少趋势。吴安琪[8]基于SWAT模型分析温度及降雨变化对淮河径流的影响，认为径流随气温的升高而减少，随降雨的增多而增大，且降雨影响更大。张晓晓等[9- 10]以武都水文站1961—2010 年径流资料为基础，表明白龙江上游气温显著上升，降水微弱减少，径流显著减少，变化率为-3.942×108m3/10a。

综上所述，目前关于河川径流变化特征及其成因研究报道虽然较多，但是研究成果主要基于一个或多个水文站实测水文气象资料，研究分析站点以上流域或水文站点径流变化特征及归因分析，而针对站点之间的区间径流变化特征的研究相对较少，区间径流反映河流分段径流变化规律，对区域水资源变化产生直接影响，同时，考虑到研究区径流资料时间序列的长短、时效性、地域研究程度高低差异，因此，本文选取白龙江近58年干流区间径流为研究对象。与此同时，白龙江流域因其特有的水文地质、地形地貌特点，泥石流等地质灾害发生频率及分布密度均居甘肃之首，在人类活动及极端气候变化背景下，地质灾害发生潜在可能增大，因此，以白龙江干流3个水文站1958—2015年近58年的逐月径流资料为基础，进行白龙江干流径流区间变化特征研究，从年际、年内、季节性、阶段性等多角度揭示白龙江干流径流变化趋势及突变特点，不仅可以为水资源的开发利用及河流治理与保护提供科学依据，也可以从一定程度上预测并防治地质灾害的发生，对区域经济社会健康发展具有重要的现实意义。

1 研究区概况

白龙江是长江左岸嘉陵江上游的最大支流，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。地理位置为东经102°30′～105°40′，北纬32°20′～34°10′之间，甘肃省段长475km，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400～850mm，且主要集中在5—10月[11]，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1800h，蒸发量达2500mm[12]。

2 资料与方法

2.1 水文观测数据

采用1958—2015年间白龙江流域(舟曲站、武都站、碧口站)3个水文站58年逐月径流数据资料，所用数据均来自甘肃省水文水资源勘测局。具体见表1。根据流域不同区域的特点以及干流水文站的分布情况，本文将舟曲水文站实测径流量作为白龙江干流舟曲以上区间的来水量，将舟曲站与武都站径流量的差值作为舟曲—武都区间来水量，将武都站与碧口站径流量之差作为武都—碧口区间来水量。在季节划分上，按春季为3—5月、夏季为6—8月、秋季为9—11月、冬季为12月—次年2月。

表1 水文测站基本信息

2.2 研究方法

2.2.1累积距平法

利用累积距平曲线反映变化趋势，若累积距平曲线呈上升趋势，则径流累积距平值增加，若呈下降趋势，则径流累积距平值减少，同时可判断发生突变时间[13]。当累积距平不断增大，径流量大于平均值时，这一时期称为丰水期；当累积距平不断减小，径流小于平均值，为枯水期；当距平累积增减幅度不大，为平水期[14]。

累积距平值表示为：

(1)

2.2.2Mann-Kendall 趋势检验

Mann-Kendall趋势检验是一种非参数统计检验法[15]，在时间序列突变检测和长期趋势分析中有着广泛的应用[16]。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计算公式为：

(2)

其中

(3)

确定方差V和标准正态系统变量U计算公式为：

(4)

(5)

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[17- 19]。

2.2.3Mann-Kendall突变检验

首先构建时间序列的秩序为：

(6)

其中

(7)

定义统计量：

(8)

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

(9)

(10)

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[17- 19]。

2.2.4周期变化

小波分析法的基本原理是用一簇小波函数系来逼近某一函数，在时域和频域两个方面都具着良好的局部性[20- 21]，通过伸缩、平移等运算对信号逐步地多尺度地细化，获取不同条件下的变化周期[22- 23]。本文选取的小波函数为：

(11)

式中，ψ(t) —基小波函数。通过在时间轴上进行缩放和平移，形成一簇函数系：

(12)

式中，ψa，b(t) —子小波；a—尺度因子，表示小波的周期长度；b—平移因子，表示时间上的平移。

根据上式选取的子小波函数ψa，b(t)，以及给定的有限信号f(t)∈L2(R)，可得出其连续小波变换：

(13)

将小波系数的平方值积分在b域上，便可得到小波方差，计算公式为：

(14)

小波方差图显示了小波方差随伸缩尺度的变化过程，确定信号中不同种尺度扰动的相对强度和主要时间尺度，即主周期。

3 结果与讨论

3.1 径流量年际变化特征

1958—2015年各区间径流整体呈减少趋势，线性拟合倾向变化率舟曲以上区间为-0.871亿m3/10a、舟曲—武都区间-1.592亿m3/10a、武都—碧口区间-2.724亿m3/10a，由上游到下游区间径流倾向变化率呈增大的趋势，如图2所示。依据Mann-Kendall 趋势检验计算结果，U值依次为-1.78、-4.15、-3.81，分别达到了0.1、0.01、0.01显著性水平，尤其以舟曲—武都显著性水平最高，且均为负值，呈下降趋势，具体见表2。与张晓晓[9- 10]关于1961—2010 年白龙江上游径流呈显著减少趋势，变化速率偏小的结论一致。径流变化受气候和人类活动双重因素影响，径流与降水呈正相关性，而近50年来降水整体呈不显著下降趋势，且白龙江年均温呈显著上升趋势[9]，气温升高导致区域蒸散发量增加，导致径流减少；同时1990s年代以来人类活动影响作用增强，大量兴建水利工程，改变土地利用方式等也促使径流大幅度减少[10]。白龙江干流三区间多年平均径流量由上游到下游分别为24.00亿、15.83亿、39.95亿m3/a，计算结果与牛最荣[24]1956—2013年平均径流量基本一致。武都—碧口区间多年平均径流量最大，是洪水多发地带，也是水利防治工程措施重点布控地带，舟曲—武都区间多年平均径流量最小，各区间多年平均径流量大小与区间流域面积大小及降雨、蒸发等气候条件有关。

图2 白龙江干流各区间径流阶段特征变化

表2 白龙江干流各区间径流量变化趋势检验

各区间径流年际变化过程具有突变特点，在满足95%的置信水平条件下，由上游到下游3区间的突变点分别为1986、1988、1995年，称为突变年份。舟曲以上区间1961—1972年UFk大于0，呈上升趋势；1973—1993年起伏变化不大，UFk接近为0，呈平稳状态；1994年UFk小于0，后呈下降趋势。舟曲—武都区间1970—1982年UFk小于0，呈下降趋势；1983—1986年UFk大于0，呈上升趋势；1987—1990年变化不大，UFk接近为0，呈平稳状态；1991年后UFk小于0，呈下降趋势。武都—碧口区间1961—1969年UFk大于0，呈上升趋势；1970—1976年UFk小于0，呈下降趋势；1977—1994年UFk接近为0，呈平稳状态；1995年后呈显著下降趋势。具体如图1所示。

图1 白龙江干流各区间径流趋势变化及突变检验

3.2 径流量年内变化特征

从各区间多年平均月径流变化过程看，径流量年内分配不均匀，集中于5—10月，均达到70%以上，舟曲以上区间5—10各月占比分别为9.10%、11.18%、14.54%、13.07%、14.19%、12.48%，总值占比74.56%；7—10月占比54.28%，最大月份出现在7月，为3.49亿m3，最小月份出现在2月，为0.69亿m3。舟曲—武都区间5—10月各月份分别为10.79%、10.59%、12.81%、12.20%、12.66%、12.65%，总值占71.7%；7—10月占比50.31%，最大月份出现在7月，为2.03亿m3，最小月份出现在2月，为0.48亿m3。武都—碧口区间5—10月分别为9.42%、10.57%、14.54%、13.06%、12.85%、10.42%，总值占70.85%；7—10月占比50.86%，最大月份出现在7月，为5.81亿m3，最小月份出现在2月，为1.35亿m3。与田黎明等[24- 25]1958—2010年内逐月平均径流计算结果吻合。

3.3 径流量季节变化特征

各区间多年平均季径流变化见表3，各区间径流量各季节分配不均匀，集中夏季和秋季，占比均达到30%以上，夏秋两季合计60%以上，为径流量集中季节。除舟曲以上区间冬季倾向变化率为正值，其他各区间径流各季节均为负值，即呈现下降趋势。三区间各季节季径流大小为，武都—碧口>舟曲以上区间>舟曲—武都；夏、秋倾向变化率均高于春、冬两季，且武都—碧口区间夏秋两季下降趋势最大，其次为舟曲—武都区间，舟曲以上区间夏秋两季下降趋势最小。舟曲以上区间春、夏、秋、冬季径流多年均值分别为4.06亿、9.31亿、8.00亿、2.63亿m3，占比16.92%、38.78%、33.33%、10.97%，秋季倾向变化率最大，为-0.54亿m3/10a，春季、夏季、秋季均呈现下降趋势，冬季略有上升，倾向变化率为0.01亿m3/10a。舟曲—武都区间春、夏、秋、冬季径流多年均值分别为3.13亿、5.63亿、5.21亿、1.85亿m3，占比19.81%、35.60%、32.89%、11.70%，夏季倾向变化率最大，为-0.55亿m3/10a，四季均呈现下降趋势，冬季倾向变化率最小，为-0.26亿m3/10a。武都—碧口区间春、夏、秋、冬季径流多年均值分别为7.74亿、15.25亿、11.99亿、4.97亿m3，占比19.37%、38.17%、30.02%、12.44%，秋季倾向变化率最大，为-1.51亿m3/10a，四季均呈现下降趋势，冬季倾向变化率最小，为0.10亿m3/10a。

表3 白龙江干流各区间季节径流量变化

3.4 径流量阶段性变化特征

各区间具有显著的丰、平、枯等阶段特征，依据GB/T22482—2008《水文情报预报规范》中的距平百分率P作为划分径流丰平枯的标准，其中P=(年径流量-多年平均径流量)/多年平均径流量×100%，特丰水年P>20%，偏丰水年10%

表4 白龙江干流各区间径流量变化阶段性特征

3.5 径流年际周期变化分析

通过Morlet小波系数及小波方差对白龙江干流各区间58 年年径流量的周期演变规律进行分析，得到小波系数实部等值线和小波方差图(如图3所示)。当小波系数实部为正数时，表示为丰水期；实部为负代表枯水期；实部为0 意味着为丰枯转折点。

根据图3可知，白龙江年径流演变过程中存在多时间尺度变化，年径流序列变化过程存在着5～6年、8～9年、15～16年 的振荡周期，其中15～16年时间尺度上出现“枯-丰”两次交替震荡，出现两个偏丰中心与两个偏枯中心。依据小波方差图可以看出年径流演化过程中的主周期变化过程，舟曲以上干流径流时间序列存在2个较为明显的方差极值，依次对应着8、15 年的时间尺度，年径流变化的第1 主周期为15年，第2 主周期为8年；舟曲—武都干流区间径流时间序列存在3个较为明显的方差极值，依次对应着6、9、16年的时间尺度，年径流变化的第1 主周期为16年，第2、第3 主周期为9、6年；武都—碧口干流区间径流时间序列存在3个较为明显的方差极值，依次对应着6、9、15 年的时间尺度，年径流变化的第1 主周期为15年，第2、第3 主周期为9、6年。由此可见，白龙江干流区间径流第一主周期15年左右，第二主周期9年左右，第三主周期6年。结论与张晓晓[9]关于1961—2010年白龙江上游径流有7年和13年准周期大体一致，存在差异考虑可能由于研究时段长短、单个水文站时间序列和区间径流时间序列差异造成，单个水文站径流序列包括站点断面以上流域径流量，区间径流包括两个站点断面间流域的径流量。

图3 各区间径流小波系数实部时频分布及小波方差变化

4 结论与建议

白龙江干流3区间多年平均径流量大小不同，其中武都—碧口区间多年平均径流量最大，舟曲—武都区间多年平均径流量最小，各区间径流整体呈减少趋势，这对做好流域水资源规划、管理、保护等工作提出更高的要求，特别是在枯水年份，科学预测与评估径流变化具有重要现实意义。各区间径流量年内各月分配不均匀，集中于5—10月，均达到70%以上，径流量分布不均匀，导致洪水发生，容易出现滑坡、泥石流等地质灾害，加大流域地质灾害发生的风险。考虑白龙江各区间径流周期性变化规律，精准规划，加强水库调节与调度，充分减轻工农业用水、生态用水与经济发展之间的矛盾。