大夏河流域年径流量序列变异诊断

刘清琴 张钰 申雄达 邬壕 张汉林 刁羽丰

摘要：为进一步探究大夏河流域的水文变异特性，给流域管理提供更丰富的数据支持，對1956～2018年大夏河流域上、中、下游（夏河、双城、折桥）3个水文站的实测径流量序列进行变异诊断。诊断结果表明：3个水文站年径流量均显示跳跃变异显著，主要原因为水能开发利用等人类活动的影响，并且变异年份分别为1968，1968，1986年，在未来有持续减小的趋势，有可能存在供水不足危险，因此未来需进一步对大夏河流域水资源的开发利用、管理、配置进行合理优化。

关键词：水文变异诊断; 年径流量; 趋势检验;跳跃检验; 大夏河流域

中图法分类号：P333 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.006

文章编号：1006 - 0081（2022）06 - 0030 - 05

0 引 言

随着人类活动的日益加剧，世界上许多河川径流均发生了显著变化[1]，可能导致流域水资源可利用量发生变化并使生态环境恶化，水资源问题更加突出[2-3]。因此，分析径流量的趋势、跳跃以及发生变化的原因变得越来越重要。径流量作为水文时间序列的要素之一，是一定时期内气候变化、人类活动等因素的综合产物，数据本身也反映了这些因素对其的影响。目前有多种关于径流量趋势、跳跃的检验方法[4-7]，但由于各个方法的特点和适用范围的差异，得出的结论也不尽相同。因此，谢平等[7]提出了水文变异诊断系统，用于海河流域5座大型水库的入库径流量变异分析和潮白河45 a的径流量变异分析等。如果水文时间序列的分布形式、参数在序列的时间范围中保持不变，则统计规律具有一致性;反之，在物理成因方面发生变化，则发生了水文变异[8-9]。

大夏河作为黄河的一级支流，河段比降大，落差集中，干流具有建设电站的地形地质条件，故对大夏河干流进行了相关的梯级电站水能规划。研究大夏河流域径流量的变异特性，对梯级电站的规划设计与管理具有一定指导作用。此前对大夏河流域径流量的趋势性和突变性已有相关研究[10-12]，但由于大夏河为中型河流，相比其他流域研究还相对较少，而且一般是采用单一方法直接得出结论。因此，本文针对单一检验方法有时不可靠的问题[9]，应用水文变异诊断系统，从数理统计角度多方法地探究大夏河流域年径流量的变异特性，旨在为大夏河流域规划设计和管理提供更多的技术和理论支持。

1 研究区概况、数据来源与方法

大夏河地处甘肃省中部，经度为102°02′～103°23′，纬度为31°52′ ～35°48′，是黄河上游右岸的一级支流，属大陆温带半干旱气候。大夏河发源于甘南高原甘、青交界处，主要流经夏河县、临夏县、临夏市、东乡县，最后在东乡县康家湾村注入黄河刘家峡水库，全长203 km，流域面积7 152 km2，从上游至下游依次设有夏河站、双城站、折桥站3个水文测站，流域水系图和水文站点位置见图1。本文收集了大夏河流域1956～2018年共63 a的逐日径流量实测资料，数据来源于甘肃省水文站和洮河水文水资源勘测局。采用水文变异诊断系统对大夏河上游夏河站、中游双城站、下游折桥站的实测年径流量序列进行变异诊断。水文变异诊断可分为3个部分：初步诊断、详细诊断、综合诊断。

1.1 初步诊断

采用过程线法、5 a和10 a滑动平均曲线、Hurst系数法[13]对大夏河流域径流量进行水文变异初步诊断[8]。分别根据过程线的趋势、滑动平均的趋势、Hurst系数所在区间来判断是否发生变异以及变异程度。Hurst系数判别法见表1。

1.2 详细诊断

趋势诊断采用线性趋势相关系数检验法、Kendall秩次相关检验法[14]、Spearman秩次相关检验法[15]。通过将水文时间序列的相关系数[r]、检验统计量[U]、检验统计量[T]分别与查临界表得到的[rα]，[Uα2]，[Tα2]（[α]为显著性水平，一般取0.05）进行比较，若前者大于后者，则拒绝原假设，认为水文时间序列中趋势成分显著。

跳跃诊断采用滑动游程检验法、滑动秩和检验法、Brown-Forsythe检验法、滑动T检验法、有序聚类法、滑动F检验法、M-K检验法、R/S相关分析法。研究方法步骤参照王孝礼等的研究[16]。其中，滑动游程检验法、滑动秩和检验法、滑动T检验法、滑动F检验法均是针对传统方法只能检验变异点显著性而不能检验出具体变异点而提出的，通过逐点检验并选出变异显著性最大的点作为水文序列跳跃变异点。

采用两类详细诊断方法分别对大夏河流域3个水文站的径流量进行计算，并分析趋势是否显著以及具体的跳跃点。

1.3 综合诊断

若采用某一方法检测到趋势变异显著，则该方法趋势权重+1;反之，记为-1。跳跃变异亦然。但由于各个跳跃诊断法得到的变异点不尽相同，故通过统计实验并采用相似度原理得到了各方法的权重[8]，如表2所示。

得到趋势变异和跳跃变异的显著性后，采用效率系数[8]判断趋势和跳跃成分的拟合程度，从而确定水文序列的变异形式：

若只有趋势显著或者跳跃显著，则直接得到结论。若两种方法均显著，则选择趋势和跳跃效率系数中的最大者作为大夏河流域年径流量水文序列的最终变异形式。

2 结果分析

2.1 初步诊断

通过绘制1956～2018年大夏河流域夏河站、双城站、折桥站的年径流量过程线、5 a滑动平均和10 a滑动平均曲线（图2）可知：夏河站、双城站、折桥站的年径流量过程线分别在1990，1980，1980年之后基本位于均值线下方，并且3个水文站的5 a和10 a滑动平均曲线均呈现下降趋势。因此，可初步诊断大夏河流域年径流量存在趋势变异或跳跃变异。同时，根据基于Hurst系数的水文变异诊断法[13]，取第一、第二显著性水平分别为α=0.05，β=0.01，对应的Hurst系数分别为Hα=0.660，Hβ=0.702，再计算得到夏河站、双城站、折桥站3个水文站的Hurst系数分别为：0.808，0.711，0.802，可知3个水文站Hurst系数均位于[Hβ，0.839]，均属于中变异。

2.2 详细诊断

利用3种趋势诊断方法和8种跳跃诊断方法，在顯著性水平[α=0.05]的情况下，得到表3的结果，可以看出：夏河、折桥站趋势变异显著，综合显著性为3;双城站虽有下降趋势，但是不满足0.05显著性水平，综合显著性-3;3个水文站均存在不同年份的变异点，其中夏河站1968年、双城站1968年、折桥站1986年分别被3种、4种、3种方法诊断为变异点，且都是在8种跳跃诊断方法中被诊断出最多次数的年份。

2.3 综合诊断

对3个水文站年径流量序列进行综合诊断得到表4可知：双城站趋势变异不显著，因此直接发现双城站1968年跳跃变异显著。夏河站、折桥站两种形式变异均显著，趋势变异效率系数分别为0.105，0.110，跳跃变异效率系数分别为0.225，0.157，所以综合判定为跳跃变异显著，且跳跃年份分别为1968，1986年。

3 分析与讨论

大夏河流域上、中、下游3个水文站的径流量均发生减小趋势变异，且上游夏河站和下游折桥站变异显著，主要原因是人类活动引起的流域下垫面条件发生变化，例如根据大夏河干流河段特点，已对大夏河干流进行的全面梯级电站规划，梯级开发后形成了多个季节性减水段，随着电站的运行，枯季减水段的减水情况突出，导致径流量呈现减小趋势;其次是全球气候变暖、降水量减少的影响。而下游比上游趋势变异更显著是因为下游受上游来水的影响，年径流量减少更为明显。

大夏河流域上游、中游均在1968年发生显著跳跃变异，可能是因为1966年夏河站集水面积发生了变化，以及20世纪60年代大夏河流域开始了水能开发应用。下游在1986年发生了显著跳跃变异，原因可能为：① 1983年上游修建了桑科引水式电站，会随时启闭闸门调蓄水量进行发电，所以会导致由人为造成短时间内水位陡涨陡落的现象;② 下游径流变化具有滞后性。

史伟明等[8]对大夏河流域夏河站、双城站、折桥站年径流量分别进行分析，得到突变年份为1970，1978，1980年，其中夏河站、折桥站突变年份与此次变异年份接近;杨林等[10]对大夏河流域下游折桥站径流进行分析得到突变年份为1985年，与本文分析基本一致。王汉卿等[9]通过趋势演变和灰色拓扑预测模型表明大夏河流域年径流量从1968年开始减少，1988年开始衰减相对严重，这与本次分析结果基本一致。上述学者均认为人类活动是导致大夏河流域多年径流量呈减小趋势的主要影响因素，此次水文变异诊断相较于前者，利用了多种方法进行分析，同时计算了各个方法的权重以便计算水文变异的综合显著性，得到了上、中、下游年径流量均发生减小趋势，以及下游折桥站年径流量在1986年发生显著跳跃变异的结果，更具有说服力和可信力。

夏河站、双城站、折桥站均跳跃变异显著，跳跃年份分别为1968，1968，1986年，这表明在变异点前的序列均值大于变异点后的序列均值，年径流量水文序列发生向下跳跃，呈减少态势。同时由3个水文站的Hurst系数均大于0.5可知，大夏河流域年径流量在未来一段时间内将仍然保持下降趋势，不利于大夏河流域的供水安全。因此，建议在大夏河流域内进行水资源开发利用时应当尊重客观规律，统筹考虑大夏河水资源优化配置和节约保护，最大限度提高水资源的总体利用率，使有限的水资源发挥最大的经济效益、社会效益和环境效益;进行水能梯级规划时，应综合考虑大夏河流域径流量的变化趋势和特点，合理规划和选址，处理好资源利用和环境保护的关系。

4 结 论

（1） 基于大夏河流域年径流量，通过水文变异诊断系统，得到大夏河流域上、中、下游均为中变异并有减小趋势，且跳跃变异显著，年份分别为1968，1968，1986年，在未来一段时间内会持续减小。

（2） 在大夏河流域进行的梯级电站建设等人类活动是年径流量减小的主要原因，日后应结合年径流量的变异特性对水资源进行合理开发利用。

（3） 下一步可采用多种年径流量预测方法，对大夏河流域年径流量未来趋势进行定量预测。

致谢：

感谢甘肃省水文站和洮河水文水资源勘测局的数据支持，以及甘肃省水利科学试验研究及技术推广项目《讨赖河干流生态水资源补偿机制研究》的支持，在此深表谢意。

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Alteration diagnosis of annual runoff series in Daxia River Basin

LIU Qingqin，ZHANG Yu，SHEN Xiongda，WU Hao，ZHANG Hanlin，DIAO Yufeng

（College of Earth and Environmental Sciences，Lanzhou University， Lanzhou 730000， China）

Abstract：In order to further explore the hydrological alteration of the Daxia River basin and provide more abundant data support for the watershed management， annual runoff series from 1956 to 2018 in the Daxia River Basin was collected to study the hydrological alteration characteristics. Runoff series was gauged by three hydrological stations（Xiahe， Shuangcheng， Zheqiao hydrological station）at the upper， middle and lower reaches of the Daxia River Basin. The results showed that significant alteration of the runoff series happened in 1968， 1968， 1986 respectively，which was affected by hydropower development and utilization of human activities. And runoff series had a reducing trend continuously in the future. There may be a risk of insufficient water supply in the Daxia River basin， so it is necessary to optimize the development， utilization， management and allocation of water resources inthe  Daxia River Basin.

Key words：hydrological alteration diagnosis; annual runoff;trend test;jump test;Daxia River Basin