西营河出山口径流变化规律及其影响因素分析

徐桂霞，郑自宽，黄维东，2，宋爱英，朱 咏

(1.甘肃省水文站，甘肃 兰州 730031；2.甘肃农业大学，甘肃 兰州 730070)

受气候变化和人类活动的影响，河流来水发生显著变化，使区域供水和生态用水安全面临挑战。地处西北内陆干旱区的石羊河流域因水资源短缺、用水矛盾突出、生态环境脆弱，备受国内外广泛关注[1-2]。自2001年以来，通过石羊河流域综合治理，采取总量控制、定额管理、节约用水、关井压田、生态调水等一系列措施，区域生态环境逐步改善，下游曾一度干涸的青土湖再现碧波荡漾。西营河是石羊河上游的8大支流之一，在2019年河道管理范围划定中，甘肃省水行政主管部门将西营河确定为石羊河的干流源头。2006—2020年从西营河直接向下游累积调水15.9亿m3，占下游调水控制断面蔡旗水文站总来水的37.2%，在完成石羊河流域综合治理生态调水任务中发挥了重要作用[3-4]。

近年来，研究石羊河流域水资源变化规律的文章较多，但分析研究西营河径流变化规律及其影响因素的较少。商玲[5]研究构建了基于HIMS系统的西营河流域分布式水文模型，当气温降低1℃、降水增加20%时，年径流量增加了23.41%。钟秀玲[6]对西营河九条岭水文站多年的实测径流资料进行了分析，实测径流资料呈丰、平、枯交替变化，径流年际变化小，年内分配不均，主要集中在6—9月。陈庭兴[7]等研究西营河九条岭水文站1972—2019年逐年洪水水文要素摘录表，得出山区径流受气候变化影响显著，增温变枯现象普遍。以上文献分别采用不同方法分析了西营河流域年径流变化规律，但未分析不同时间尺度下径流与气候因子的相关关系。

本文采用最新水文、气象监测数据，分析了西营河出山径流时空分布特征及其影响因素，建立了年、汛期、月等不同时间尺度的径流与气候因子相关关系，对精准掌握西营河出山口径流变化规律，为石羊河流域生态调水、水资源管理和生态环境保护具有十分重要的意义。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

西营河发源于祁连山冷龙岭北麓，是石羊河水系上游8条支流之一，研究区主要包括西营河出山口控制站九条岭水文站以上集水区域，河源高程4854m，流域面积1077km2。山区多年平均降水量450，水面蒸发量1050，多年平均气温6℃，全年无霜期176d；河谷盆地多年平均降水量179mm，水面蒸发量2000，多年平均气温7.5℃，全年无霜期210d。河流源头植被较好，中高山区有乔、灌林和草原覆盖，有林地4500hm2，草地8100hm2。西营河上游主要由宁昌河与水管河2条主要支流组成，最早于1955年1月设立了四沟咀水文站，控制流域面积1455km2，后因修建西营水库，水文监测受到影响，1972年1月上迁65km至九条岭，观测至今。九条岭水文站实测多年平均年径流量3.70亿m3，最大年径流量4.42亿m3(1989年)，最小年径流量2.12亿m3(1991年)，河流多年平均含沙量0.34kg/m3。

1.2 资料与方法

径流和洪水资料选取建站以来实测资料系列，对1972年以前四沟咀水文站资料采用水文比拟法，推算至九条岭测验断面；降水分析采用甘肃水文部门设立的九条岭雨量站1956—2016年观测资料，由于西营河流域雨量站稀少，除了九条岭站，又参照分析了邻近的东滩、水磨沟、洪沟等3个雨量站1956—2016年观测资料；气温资料采用乌鞘岭、古浪、九条岭3处气象站1956—2016年观测资料，对部分缺测资料采用相邻站点相关法进行了插补延长。以上资料均为水文、气象部门按照国家标准规范监测、整编成果，数据可靠，精度较高，满足分析计算需要。

分析水文气象要素历年变化时，主要通过绘制各要素历年变化过程线和差积曲线，根据变化趋势方程的斜率大小，判断其总体增减强度；以降水、气温为主要影响因子，分别建立了汛期、年、月等不同时间尺度的径流与气候因子相关关系[8]。

(1)水文比拟法

水文比拟法是以流域间的气候和下垫面因素相似性为基础，将相似流域的水文资料移用至研究流域的一种简便方法。本次研究将下游四沟咀水文站1956—1971年径流资料推算至九条岭水文站，采用公式为：

(1)

式中，W研、W参—研究站和参证站的径流量，亿m3；F研、F参—研究站和参证站的集水面积，km2。

(2)径流趋势显著性检验

采用kendall相关法、spearman相关法、线性趋势法等3种方法对九条岭站径流变化趋势进行显著性检验，显著性水平α=0.05，统计量临界值|U|=1.96，|T|=1.64；采用有序聚类法、Lee-Heghinan法对九条岭站径流量序列跳跃点进行显著性检验，显著性水平α=0.05，统计量临界值|T|=1.64。以上方法为非参数统计检验方法，能够很好地对变量进行变化趋势和突变检验分析，已广泛应用于气温、降水、径流等水文和气象要素的分析[9]。

(3)相关分析法

相关分析是研究2个或2个以上处于同等地位的随机变量间的相关关系的统计分析方法。在河西内陆河流域，河流径流的多少主要受降水和气温的影响，一般通过建立径流与气候因子的相关关系，以相关系数及其显著性来判断径流对气候因子的响应，计算公式如下：

W=f(P)，W=f(T)，W=f(T，P)

(2)

式中，W—径流量；T—平均气温；P—降水量。

2 径流变化

2.1 径流年际变化

点绘九条岭水文站1956—2016年径流过程及差积曲线如图1所示，历年径流过程总体呈丰、平、枯交替变化，其中1956—1961年持续增加，1962—1990年基本持平小有波动，1991—2002年持续减少，2003—2007年持续增加，2008—2016年又有减少趋势。历年径流总体上略有减少。

图1 九条岭站历年径流变化过程线图

采用kendall相关法、spearman相关法、线性趋势法等3种方法对九条岭站年径流量趋势性进行检验，结果见表1，年径流量趋势均呈不显著减少趋势。采用有序聚类法、Lee-Heghinan法对九条岭站年径流量序列跳跃点显著性进行检验，结果见表2，年径流量序列主要出现3个跳跃年份，分别为1961、1990、2002年，与年径流变化过程线一致。1962—1990年径流量比1956—1961年减少0.42亿m3，减少了11.6%；1991—2002年径流量比1962—1990年减少0.50亿m3，减少了15.6%；2003—2016年径流量比1991—2002年增加0.68亿m3，增加了25.1%。

表1 九条岭站年径流量趋势性检验结果

表2 九条岭站年径流量序列跳跃点显著性检验结果

2.2 径流年内分配

九条岭水文站多年平均月径流量年内分配如图2(a)所示，径流主要集中在5—9月，占全年径流量的80.0%，10—4月仅占20.0%。各年代汛期与非汛期径流占全年的百分比变化如图2(b)所示，可见在20世纪90年代以前，汛期径流占比一直在增加，非汛期占比在减小，90年代后，汛期径流占比逐渐减小，非汛期占比在增加，径流年内分配趋于均匀。

图2 九条岭站径流年内分配图

2.3 洪水过程分析

汛期暴雨产生的洪水是西营河径流的主要组成部分，选取九条岭站4场次典型洪水过程分析洪水的特点如图3所示。西营河几次洪水过程均为复式洪峰，即连续出现3～5个洪峰，主要是由近到远不同区域暴雨形成的洪水过程。较大的2场洪水先出现小的洪峰、后出现大的洪峰，这主要是全流域发生降水，暴雨中心偏于上游，下游区域降水相对较少，先形成较小的洪水，接着上游洪水叠加进来形成更大的洪峰，如图3(a)(b)所示；较小的2场洪水首先出现最大的洪峰、后出现小的洪峰，这主要是暴雨中心偏于下游，下游先形成最大洪水，接着降水量较小的上游小洪水才延迟到达出口断面，如图3(c)(d)所示。可见汛期洪水过程主要受流域降水的时空分布影响。

图3 九条岭站典型洪水过程

3 径流影响因素分析

3.1 影响径流的主要因素

内陆河流域地表径流主要由降水和冰雪融水补给，出山口以上河流水量的影响因素主要为降水和气温。西营河月年径流与降水、气温的单因子相关和复相关系数见表3，可见年径流与降水的相关关系最好，与降水、气温的复相关次之，与气温的相关关系较差，说明西营河的年径流总量主要受年降水的影响；6—9月径流与降水的相关性较好；3—4月径流与气温的相关性较好；5月和10月径流与降水、气温的复相关性较好；冬季枯水期(1—2月、11—12月)地表径流主要由地下水渗漏补给，与气温、降水的关系不大。

表3 西营河九条岭站径流与气候因子相关系数

3.2 气温变化

点绘乌鞘岭、古浪、九条岭站历年平均气温过程线，如图4(a)所示；其多年平均气温年内分布如图4(b)所示。各站历年气温总体呈上升趋势，每10年增加0.1～0.4℃。气温的年内分布，其中1—2月、11—12月各站气温均在零下，1月最低为-11.5～-8.8℃；乌鞘岭、九条岭3月气温在零下；4—10月气温在零上，7月最高为13.1～17.5℃。

图4 九条岭站气温年际年内变化

3.3 降水量变化

点绘4个代表站历年降水量过程线如图5(a)所示，其多年平均降水量年内分配图如图6(b)所示。历年降水量除洪沟站总体呈减少趋势，年均减少0.27mm外，其余3站均呈增加趋势，年均增加0.63～1.04mm。降水量的年内分配不均，主要集中在5—9月，占全年的77.8%～84.7%，10—次年4月仅占15.3%～22.2%。

图5 代表站降水量年际年内变化

3.4 径流与气温、降水关系分析

根据影响西营河九条岭站径流的气候因子建立相关关系，见表4。枯水期1—2月、11—12月径流量与上月径流量之间有很好的相依关系，相关系数达到0.880～0.924；年、汛期5—9月径流量与同期降水量相关系数分别为0.656和0.603；5月、10月径流量与同期平均气温、降水量的复相关系数分别为0.603和0.616；3月、4月径流量与同期平均气温相关系数分别为0.359和0.617；6—9月各月与同期降水量相关关系在0.489～0.683之间。置信水平α=0.05时，相关系数临界值r=0.456，各时段径流量与气候因子的相关系数均大于临界值，说明相关性显著。

表4 西营河九条岭站径流与气候因子相关公式表

4 结论

(1)西营河九条岭水文站历年径流总体呈不显著减少趋势，年径流量序列主要出现3个跳跃年份，1961年前后减少了11.6%，1990年前后减少了15.6%，2002年前后增加了25.1%。该站径流年内分配主要集中在5—9月，占全年径流量的80.0%，10—次年4月仅占20.0%。在20世纪90年代以前，汛期径流占比一直在增加，非汛期占比在减小；90年代后，汛期径流占比逐渐减小，非汛期占比在增加。

(2)西营河出山口以上径流的影响因素主要为降水和气温。各代表站历年气温总体呈上升趋势，每10年增加0.1～0.4℃；历年降水量总体呈增加趋势，除洪沟站呈减少趋势，年均减少0.27mm外，其余3站均呈增加趋势，年均增加0.63～1.04mm。

(3)在西营河向下游民勤生态调水中，实时掌握上游来水是制约调水成效的主要因素，通过枯水期11月—次年2月上月径流评估当月径流，采用气温、降水等气候预报因子评估3—10月径流，可为科学制定调水方案提供重要依据。

(4)内陆河的来水受降水过程、冰雪融水及地下水补给的影响，径流形成机理和演变过程十分复杂，受高山无人区气象和水文站点稀少、资料较少限制，本文只是通过出山口水文控制站观测资料，分析了不同时间尺度的径流变化规律及其与影响因子之间的关系，对于考虑不同地形地貌的空间变化、不同因子对径流形成机理的影响、冰雪洪水灾害防治和预报预警，是今后还需深入研究的方向。