1956-2016年沣河径流量变化特征分析

欧阳卫， 王 筱， 周维博

(1.长安大学 水利与环境学院， 陕西 西安 710054； 2.长安大学 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室， 陕西 西安 710054)

1 研究背景

江河径流是地表水资源的重要组成部分，直接关系到自然生态和人类社会。江河径流量的显著变化一直是水文学者和流域管理者的关注重点[1-4]。近年来，国内外许多学者做了大量关于流域径流量变化的研究。如张建云等[5]初步分析了中国江河近60年的径流演变趋势以及中国十大水资源区的地表水演变特征；田晶等[6]通过模拟汉江流域未来的径流变化，探究了径流变化的主因；王国庆等[7]通过归因识别对中国南北方江河径流量变化成因进行了分析；Yang等[8]建立了一种更为灵活的改良布迪克互补关系，可以将长序列径流资料合理划分为不同的组分，便于分析径流量变化成因；Awotwi等[9]的研究表明，人类活动对加纳南部森林径流量变化的贡献率达82.2%。观测资料和已有研究表明[10-13]，江河径流量在过去几十年发生了不同程度的变化，因此科学分析流域内径流量的演变和趋势显著性可以为流域内防洪减灾、合理开发水资源等提供支撑。

沣河，“西安八水”之一，作为沣东新城和沣西新城的“城中河”，在城市防洪和海绵城市建设过程中起着至关重要的作用；同时作为陕西省斗门水库的引水源之一，其径流量变化和斗门水库的运行息息相关[14]。本文基于秦渡镇水文站1956-2016年共计61 a的逐月径流量实测数据，利用集中度和不均匀性分析、M-K检验、滑动t检验等方法研究沣河径流量的年内分配情况、年际变化幅度及3个时期(年际、丰水期、枯水期)的突变特征、突变时间和突变前后年内径流分配变化情况，旨在揭示沣河近60年来径流量的演变规律和突变特征。

2 资料来源与研究方法

2.1 研究区概况

沣河地处西安西部，源于秦岭北坡沣峪南研子沟[15]，系渭河一级支流，流域横跨东经108°69′～109°10′、北纬33°60′～34°15′，属暖温带半湿润季风气候，研究区水系分布及水文站位置见图1。

图1 研究区流域水系及水文站位置图

2.2 资料来源

沣河在中下游与沣潏河交汇口以下无水文观测站，流域内建有秦渡镇水文站、大峪水文站、高桥水文站[16]。秦渡镇水文站与其他两个站点相比，距沣西新城、沣东新城和陕西省斗门水库较近，更具代表性。沣河秦渡镇水文站以上取水量很小，且未修建大型水利工程，径流量未发生显著改变，因而不需要对年径流资料进行还原计算和一致性处理。故本文选取秦渡镇水文站1956-2016年共计61 a的逐月径流量资料。

2.3 研究方法

2.3.1 径流量年内分配分析方法 采用不均匀系数Cv[17]、完全调节系数Cr、集中度Cd[18]和相对变化幅度Cm[19]来描述径流量的年内分配情况。

Cm=arctan(Cmax/Cmin)

(1)

式中：Cmax和Cmin分别为月平均径流量与年径流量比值的最大值和最小值。

2.3.2 径流年际变化分析方法 本文先采用距平累积法、线性倾向估计法对年径流量的变化进行趋势分析[20]。M-K突变检验是基于时间序列秩次的一种统计检验方法，对数据分布形态没有特定要求，广泛应用于水文趋势研究[21]。

该方法将水文序列{X1，X2，…，Xn}假设为一秩序列[22-23]。定义dk为：

(2)

(3)

式中：k为计算年份；mi为秩序列中xi大于xj的样本积累数。

计算dk的均值E(dk)和方差Var(dk)，定义统计量：

(4)

再按逆序排列水文序列，重新计算，并使：

UBk=-UFk′(k=n+1-k′)

(5)

再联合滑动t验证UFk和UBk两线在显著趋势线之间的交点是否为突变开始时刻[24-25]。

3 结果与分析

3.1 径流量年内分配

鉴于研究区内水文站的实测径流资料较长，为便于分析，将1956-2016年以10 a分段进行计算[26]，结果见表1。绘制Cv、Cr及Cd曲线，见图2。多年月平均径流量见图3。

由表1和图2可以看出：沣河径流量的Cv值偏大且呈波动下降，说明年内分配较为集中，2006年以后Cv值较小，年内分配较为均匀；Cd与Cr在各年代之间的变化大致相同，Cd值偏大意味着年内径流分配集中，且由径流量合成向量方位角得出，最大年内月径流量峰值在9月20日左右，这与图3中实际多年月平均流量最大为9月相一致；Cm值在20世纪70年代和80年代都较大，表明该时段径流量分配不均。结果表明：(1)9月为年内径流峰值月份，达4 287×104m3，占全年径流量的18.2%，2月最小，为293×104m3，占全年径流量的1.2%。其中，7-9月径流量全年占比最大，达43.87%，12-翌年2月占比最小，为4.9%。(2)沣河径流量在70年代和80年代个别年份Cm较大，年内径流分配集中。

表1 1956-2016年不同时段沣河径流量年内分配统计结果

图2 1956-2016年沣河径流年内分配参数曲线 图3 1956-2016年沣河多年月平均径流量

3.2 径流年际变化

3.2.1 趋势分析 采用距平累积法分析沣河1956-2016年的径流量资料，绘制出沣河年径流量距平累积曲线，见图4；年径流量过程线及径流量线性趋势线见图5。

由图4可得，沣河多年径流量呈现明显的4阶段特征，即增加—波动—增加—减少的变化。由图5中可看出，年径流量曲线起伏较大，沣河径流量在研究时段内整体呈减少趋势，下降率为175.71×104m3/a。研究时段内年径流量平均为23 567×104 m3，其中，26 a的径流量高于平均水平，35 a低于平均水平。沣河径流量在序列前期均偏丰，在1983年达到最大值，为53 800×104m3。近30年来，径流量明显偏小。1956-1969年和1970-1989年的平均径流量分别为28 131×104、25 713×104m3，均高于多年平均年径流量，而1990-2016年平均径流量为19 612×104m3，低于平均径流量。体现了在不同年代之间，沣河径流量呈现减小趋势。

图4 1956-2016年沣河年径流量距平累积曲线 图5 1956-2016年沣河年径流量过程及变化趋势线

3.2.2 突变分析

(1)M-K突变检验。本文从3个时期对沣河的年径流量进行突变分析，分别为年际、丰水期(7-9月)和枯水期(12-翌年1月)，为了更直观地找到突变点，绘制其径流量突变图，见图6。显著水平取0.05，临界值U0.05=±1.96。

由图6(a)可以看出，沣河年际径流量在20世纪70年代末以前，统计曲线UF呈波动下降，表明径流量呈现减少趋势。80年代统计曲线UF转为上升状态。从90年代初至今，统计曲线UF呈下降状态，表明径流量呈减少趋势。特别是1990年以后，曲线下降至显著性水平的临界线下，表明20世纪末，沣河径流量减少趋势十分明显。两条统计曲线UF、UB分别在1977、1982、1985、1990年相交。

图6 1956-2016年沣河径流量M-K检验图

由图6(b)可得，20世纪60年代以前，曲线波动上升，在60年代到80年代，沣河丰水期径流量统计曲线UF为波动下降状态；80年代至90年代，统计曲线UF为上升状态并逐渐大于0，表明径流由减小趋势转为增加趋势；90年代至21世纪初，统计曲线UF下降，表明径流呈减少趋势；进入21世纪以后，统计曲线UF为上升状态；在1957、1959、1963、1964、1977、1985、2007、2008年处，两条统计曲线UF、UB相交。

由图6(c)分析得，在70年代中期以前，沣河枯水期径流量统计曲线UF为上升状态，表明径流在此时段呈增加趋势；70年代以后，统计曲线UF大体为下降状态，在个别年份有所上升，表明径流在70年代后呈减少趋势；1990年至今，统计曲线UF持续上升，且超过0.05显著水平线。在2001年两条统计曲线出现交叉。

通过上述分析得出：沣河年径流量在研究时段内发生4次突变，分别在1977、1982、1985、1990年；丰水期径流量在1957、1963(相邻交点以年份靠前的为突变年份)、1977、1985、2007年发生突变；枯水期在2001年发生突变。上述突变点中，个别可能是杂点，所以需要联合滑动t检验法验证突变点的可信度。

(2)滑动t检验。为了对M-K突变检验的突变点可进行信度检验，本文依据滑动t检验法对上述3个时期的突变点进行检验，绘制径流量突变图，见图7，显著水平取±2.306。

分析图7(a)可得，沣河年际流量在研究时段前期呈波动上升的状态，随后下降，在1982年，沣河径流量年际变化突破临界值，说明此处可能发生了突变，对比之前的M-K突变分析结果，由此可得沣河年际径流量在1982年发生了1次突变。由图7(b)可得，研究时间序列内沣河丰水期径流量有3次变化突破临界值，对比M-K突变分析结果，得沣河丰水期径流量在1977和1985年有突变点。由图7(c)可以看到，沣河枯水期时径流量有6次变化突破临界值，说明在这期间径流量变化较为剧烈，其中2001年处的变化点与M-K检验结果吻合，由二者联合分析可得，沣河枯水期的径流量在2001年发生了1次突变。

图7 1956-2016年沣河径流量滑动t检验

(3)突变前后的径流年内分配变化。由于枯水期径流较小以及丰水期2个突变点离得较近，所以选择年际突变点和丰水期突变点中较为明显的点位1977年分析。绘制突变前后的年内径流变化图，如图8所示。

图8 1956-2016年沣河径流量突变前后的年内径流量变化

与图3的多年月平均流量相比，当沣河径流量发生年际突变时，径流量峰值后移，各月径流占比变化较大，其中以9和10月变化较大，9月径流量全年占比从31.7%降低至18.6%，10月径流量全年占比从10.9%增加至23.1%；当沣河径流量发生丰水期突变时，7-9月的径流量全年占比从15.2%增加到64.4%。

3.3 讨 论

将本文所得突变结果与文献[27]进行对比，如表2所示。

表2 沣河径流量不同时段突变点对比分析

从表2中可以看出，本文与文献[27]的结果差异较大，这是因为文献[27]只是对M-K检验图分析，没有排除杂点，本文将M-K检验与滑动t检验联合，得出1982年为年径流量突变点，突变前后差值为29 066×104m3。从图4中可以看出，1987年后径流量开始下降，但是下降幅度相对较小，不足以定为突变点。本文与文献[27]在丰水期突变点的差异主要在于研究时间序列和丰水期的界定不同，本文时间序列为1956-2016年，将7-9月作为丰水期，而文献[27]时间序列为1956-2006年，将7-10月作为丰水期；本文与文献[27]在枯水期的结果较为一致。本文突变分析是采用M-K突变检验分析资料，滑动t检验验证结果既说明了突变时间，又确定了结果的准确性。因而所得结果得到了充分的验证，求得的突变点均为有效突变点。

4 结 论

本文根据沣河内秦渡镇水文站1956-2016年逐月径流量资料，采用集中度和不均匀性分析、M-K检验、滑动t检验等方法，分析沣河径流年内分配情况并从年际、枯水期、丰水期3个时期对沣河径流量进行突变分析，用滑动t检验进行可信度检验。结果表明：

(1)沣河径流量在20世纪70、80年代中，大部分年份年内分配较为集中，2006年以后分配较为均匀，且Cd与Cr在各年代之间变化大致相同，沣河主要径流集中在7-9月，年内最大月径流量一般出现在9月。

(2)研究区年际径流量在1956-2016年呈增加—波动—增加—减少4阶段变化，整体为减少趋势，1956-2016年平均年径流量为23 567×104m3，其中，有26 a大于平均年径流量，有35 a小于平均年径流量。

(3)对沣河径流量的突变分析表明：研究区年际流量在1982年发生了1次突变，突变前后差值为29 066×104m3，年内径流分配变化主要集中在9-10月，9月径流量全年占比从31.7%降低至18.6%，10月径流量全年占比从10.9%增加至23.1%；研究区丰水期径流量在1977年和1985年各发生了1次突变，其中1977年突变较为明显，7-9月径流量全年占比从15.2%增加到64.4%；枯水期径流量在2001年发生了1次突变。