清源河流域径流长期演变规律及趋势分析

刘永国

(甘肃省定西水文站，甘肃 定西 743000)

水资源短缺已成为当今社会区域经济发展的主要约束因素，怎样合理配置及优化水资源，达到最大限度的利用至关重要。特定的区域具有特定的水资源空间分布特征[1-5]，从而决定了区域水资源配置。位于黄河流域中部的渭河水系水资源极为短缺，其水资源配置不足，对区域内社会经济发展约束较大，因此需对其径流的演变规律及趋势进行分析研究。

对渭河径流演变的分析成果较多，其中王维等[6]利用年径流量和年连续最大7d、最大30d、最大90d流量代表渭河的径流量特征,研究了渭河上游土地利用和径流量的响应关系；祁芯[7]在渭河流域19处水文站实测资料的基础上，对渭河流域的水资源分布情况进行了研究；李斌等[8]对1956—2015年渭河流域的径流分配特征进行了分析；杨勇[9]对渭河流域水文要素变异作了诊断与影响分析，得出径流演变呈减少趋势，且趋势显著。以上专家学者对渭河流域较大范围内的水文特性进行了研究，虽然取得了很多成果及进步，但是对渭河上游区的小流域水文特性研究较少。因此，本文在前人的研究基础上，对渭河支流清源河(渭河源区)流域的径流演变规律及时序变化作了细致的研究与分析，为流域内水资源合理规划及利用提供了有力的数据支持，对水资源优化配置及管理具有重要意义。

1 研究区域概况

1.1 流域概况

清源河是渭河上游区的支流，与锹峪河汇合后，称为渭河。清源河为渭河源，发源于渭源县五竹镇的豁豁山，发源地海拔3508m，由西南向东北流淌，河长约33.5km，流程较短，流域面积120km2，平均比降0.015，呈矩形分布，流域形状系数0.11，流经渭源县五竹镇、清源镇，于柯寨村注入渭河。降水量年内分配极不均匀，主要集中在6—9月，多年平均降水量为454.7mm。清源河流域位于西北半干旱区，具有典型的小流域特点。

1.2 测站概况

清源河干流设有渭源(三)水文站，始建于1979年8月1日，原名渭源水文站，2007年渭源县人民政府组织在该站测验河段内建设1～4号翻板闸坝工程，原监测断面上迁1.2km，更名为渭源(二)水文站，并于 2009年1月1日开展水文监测工作；2013年受渭源县县城总体规划建设影响，原监测断面上迁2.5km，更名为渭源(三)水文站，并于2014年1月1日开展水文监测工作，属小河站。清源河流域水系及站点位置见图1。

图1 清源河流域水系及测站位置分布情况

2 资料与方法

2.1 资料收集

清源河流域设有渭源(三)水文站，该站位于清源河下游的清源镇，对流域内流量的变化控制较好。建站以来，采用在站驻测方式测量，资料序列无间断、漏测，连续性较好，并通过三性审查，资料可靠。因此采用1980—2016年的逐月、逐年实测径流资料进行研究。

2.2 研究方法

本文研究采用比较常规的数理统计法、现代水文学分析方法。径流的年内分配特性采用集中度、集中期进行分析，年际径流变化趋势采用滑动平均法，变化趋势显著性检验采用坎德尔(Mann-Kendall)秩次相关法、线性回归法、斯波曼秩次相关法，年际径流跳跃年份采用时序累计值法及Mann-Whitney法，径流的丰枯变化采用差积曲线法进行分析。

2.2.1 集中度、集中期

集中度、集中期是反映年内径流量集中程度的重要指标[10-11]，集中度能够表征径流的分布不均匀性，而集中期表征了径流分配的时间和方位。集中度、集中期是指将径流量分成水平分量、垂直分量，分别用x和y表示，按照二者所占的比例来衡量径流的分配集中程度。通过计算，分别得出方位角为0°、30°、60°、…、330°[12]的径流分布情况，按照下列计量公式进行集中度、集中期估算：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2.2.2 Mann-Kendall法

趋势分析有参数法和非参数法[13]，坎德尔(Mann-Kendall)秩次相关法是一种非参数检验法[13-14]，Mann-Kendall法不依赖于数据的分布，检验更具优越性。可以按照下式进行趋势分析：

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：t为时间序列；N为资料系列长度；X(t)为第t年的水文要素；X(t′)为水文要素多年平均值；S为非参数统计值；T为检验值；Var(S)为计算式。

2.2.3 Mann-Whitney法

Conover(1971，1980)和Salas(1993)提出了Mann-Whitney检验[13]，最早用于统计学，用来检验两段时间序列的平均值是否存在显著不同。也就是说，对于一段长度为N的时间序列从小到大排列，第i个观测值的排序为Ri，将整个时间序列分成前部分和后部分，1-n1为前部分，剩下的序列n2=N-n1为后部分，构造第一部分的排列顺序及检验统计量为

(10)

(11)

式中：i为时间序列；N为样本序列长度；n1、n2为样本序列分解的长度；Ri为第i年年径流量；S为样本年径流量之和；T为检验统计值。

3 径流演变规律及趋势分析

3.1 年内分配集中期分析

对渭源站的实测径流资料进行分组，以5年为一组，计算可得1980—1984年、1985—1989年、1990—1994年、1995—1999年、2000—2004年、2005—2009年、2010—2016年的月平均径流量，绘制每组逐月平均径流量分布情况，见图2。

图2 清源河流域径流量年内分布情况

从图2中可以看出，每年1—4月径流量趋于平缓，5月缓慢上升，最大流量出现在每年的6—9月。1980—1984年这5年的径流量在10月以后急剧下降，主要是由于该时期处于平水期，流域内降水量较多，造成径流最大值出现月份延后。其余各年份在11—12月的径流量表现出和1—4月相同的趋势，但相比1—4月，11—12月径流量要偏丰一些。受降水量分布不均匀性影响，径流年内分配极不均匀。

3.2 年内分配不均匀性计算

采用集中度、集中期计算公式，对各月份的径流量Cv值进行计算，Cv值越大，说明该数据变化幅度越大，Cv值越小，变化幅度就越小。通过计算，绘制每年径流量的年内Cv值变化曲线，见图3。由图3可以看出，Cv值在平均值上下跳动，但在2000年之前，Cv值大多高于平均值，2000年之后，大多低于平均值，出现该差异的主要原因是受极端天气影响，流域内3处雨量站均显示出降水量严重分配不均的情况；1981年、1987年、1991年、1996年、1999年的Cv值明显偏大，说明这几年的径流年内分配极不均匀；Cv平均值为0.92，最大值出现在1999年，为1.71，最小值出现在2009年，为0.30，比值为5.7，说明年内分配差距较大。从整体看，各年内Cv值偏大，说明分布不均匀，从线性回归方程可以看出，Cv值呈现逐年减小趋势。

图3 清源河流域径流量年内分配Cv值变化曲线

3.3 年际演变规律分析

对年际径流变化作线性趋势分析，绘制年际径流变化曲线，见图4。由图4可以看出，最大年径流量出现在1984年，为0.443亿m3；最小年径流出现在1997年，为0.045亿m3；多年平均径流量为0.200亿m3，极值比为9.84；径流量整体呈减小趋势。计算的年际径流量变差系数Cv值为0.41，Cv值偏大，说明径流量年际变化幅度大。由图4中绘制的年径流5年滑动平均曲线可以看出，从建站到1984年，径流整体呈增大趋势，1985—2002年整体呈减小趋势，2003—2008年呈现增大趋势，2009—2011年呈减小趋势，2012年至今为增大趋势。

图4 清源河流域年际径流变化曲线

采用坎德尔(Mann-Kendall)秩次相关法、线性回归法、斯波曼秩次相关法对径流的演变趋势、变化显著性进行分析，计算在a=0.05显著性水平下的检验参数，结果统计见表1。由表1可知，3种检验结果均整体呈减小趋势，且减小趋势为显著。

表1 年径流变化趋势及显著性检验结果统计

3.4 丰枯变化分析

采用差积曲线法对径流的丰枯变化进行分析，当差积曲线上升时，表明该河流处于丰水期；差积曲线持平时，处于平水期；差积曲线下降时，处于枯水期。计算径流量年际变化模比系数及模比系数与1的差值，将各差值累积，绘制差积曲线，见图5。由图5可以看出，1980—1982年处于平水期，1994—2011年、2015—2016年处于枯水期，1983—1993年、2012—2014年处于丰水期。

图5 年际径流差积曲线

3.5 径流突变及趋势检验

采用时序累计值法和Mann-Whitney法对径流的突变年份进行识别，绘制年际径流时序单累积曲线，见图6、图7。由图6可以看出，径流整体平稳，但在1985年、1997年、2012年前后出现波动较小的突变。为了能够准确地识别跳跃年份及其变化显著性，继续使用Mann-Whitney法对径流量的跳跃年份进行识别，Mann-Whitney法计算得到|T|=0.0023

图6 年际径流时序单累积曲线

图7 年际径流Mann-Whitney法突变检验曲线

4 结 语

本文通过对清源河流域径流量进行分析，可得出以下结论：清源河径流量年内分配极不均匀，主要集中在6—9月；年际Cv值为0.41，说明年际变化幅度较大；径流突变年份出现在1994年，突变不显著；径流多年变化呈减小趋势，减小趋势显著。

通过分析可以确定清源河的变化同渭河流域变化基本一致，径流量受气候变化和人类活动的影响逐年减少，且年内分配极不均匀，造成区域水资源开发利用难度较大，因此需通过河湖连通、调水工程等水利措施来稳定径流变化，为区域经济发展水资源配置提供安全保障。本文对变化现象进行了分析，但未进行其变化归因研究，今后还需其他专家学者进行进一步的深入研究。