丹河流域径流量变化特征分析
2022-09-21张建兴张敬尧
张建兴,张敬尧,李 鹏
(晋城市水务局,山西 晋城 048000)
0 引言
大规模的煤炭资源开发利用,不仅改变了土地下垫面结构,也对地表水和地下水资源的赋存和循环产生了严重影响,尤其是在黄河流域生态环境脆弱地区。国内学者对产煤区河流径流量的变化进行了很多分析[1-6],尤以陕北地区为重点,但是对高产煤区——晋东南地区的径流变化特征的研究较少。晋东南地区地处黄河中游,境内沁河、丹河为黄河流域重要支流;该区沁水煤田是中国目前产煤最多的大型石炭三叠纪煤田,煤炭资源埋藏深,矿井一般在500 m以上,经常是水、煤、气资源共存,结构更为复杂。以晋城市丹河流域为例,分析其径流变化趋势和变异特征,为当地水资源开发利用与保护提供参考。
1 研究区概况
晋城市是全国重要的无烟煤基地,探明储量为273亿t,占全国的1/4多,山西的1/2多。无烟煤年产量约8 000万t,占全国总产量的近50%。境内丹河是黄河一级支流沁河的最大支流,发源于山西省晋城高平市赵庄丹朱岭,流经高平市、泽州县和河南省焦作市、沁阳市。丹河被誉为晋城人民的“母亲河”,在晋城市境内长129 km,流域面积2 945 km2,控制点山路平水文站多年平均径流量2.22亿m3。
2 资料和方法
2.1 资料
丹河径流量资料选取丹河控制性水文站山路平站1953—2018年实测资料,数据来源于《晋城市水资源评价报告》(第三次)和《晋城市水资源公报》(2011—2018年),见表1。
表1 丹河流域年径流资料 单位:亿m3
2.2 趋势分析方法
Mann-Kendall为一种非参数趋势检验,该方法的变量可以不具有正态分布特征,因此适用于水文变量的趋势检验[7]。方法为:假定有X1,X2,X3,…Xn的时间序列变量,n为时间序列的长度,定义统计量S:
式中,xj,xk分别为j,k年相应的测量值,且j>k。然后计算
式中:ZS是一个正态分布的统计量,正值表明有上升趋势,负值表示有下降趋势;同时定义了显著性水平α,α=0.05时的ZS=±1.96。
2.3 变异特征分析方法
有序聚类法[8]是对有序样本进行分析时,以样本本段内部各样本间的差异最小、段与段间的差异最大为客观最优原则。方法为:设可能分割点为τ,则分割前后样本离差平方和表示为:
满足最优二次分割条件的τ记为τ0,以此作为最优分割点。
3 丹河流域径流变化趋势分析
3.1 径流量的年内分配
丹河流域山路平水文站各月径流年内分配如图1所示。
图1 丹河流域各月径流年内分配
可以看出,丹河全年径流主要集中在7~8月份。两个月的径流量占年径流量的30%以上,其他月份径流量相对比较平均。
3.2 年际变化趋势
丹河流域年径流量年际变化如图2所示。
图2 丹河流域年径流量年际变化曲线
可以看出,丹河流域年径流量呈现下降趋势。尤其是2013年以前,呈现明显的单边下降趋势;2013年以后波动比较剧烈。根据Mann-Kendall检验,丹河流域径流量系列的ZS=-2.01,其减少趋势通过了置信度水平α=0.05的检验。
3.3 丰枯变化情况
丹河流域年径流量距平曲线如图3所示。
图3 丹河流域年径流量距平曲线
可以看出,丹河流域径流量在20世纪70年以前基本处于丰水期;70年代末至80年代初,丰枯交替出现,为平水期;80年代至2018年大多处于枯水期(2011、2016年降水量偏多,这两年径流量较丰)。
3.4 变异性分析
应用有序聚类法对丹河流域年径流量进行变异分析,见图4。
由图4可看出,丹河流域年径流量总离差平方和在1979年最小,1979年应为丹河流域年径流量的变异年份。与丹河流域年径流量丰枯情况进行比较,发现其径流基本在20世纪70年度末由丰转枯,变异性分析的可靠性得到印证。
图4 丹河流域年径流量有序聚类分析
4 结论
通过以上分析,可以得出以下结论:
(1)丹河流域径流量主要集中在每年7—9月份;20世纪70年代以前处于丰水期,以后开始偏枯,20世纪80年代后处于枯水期。
(2)丹河流域年径流量呈现显著减少趋势,并于1979年发生变异。