降水和下垫面对北峪河流域径流影响的定量研究

杨亚军

(甘肃省陇南水文站，甘肃 成县 742500)

1 研究背景

气候变化在过去几十年内对我国水文水资源产生了很大影响，近50年来甘肃省平均气温升高了1.1℃，河东地区平均升高了0.9℃，河西平均升高了1.4℃，升温幅度高于全国平均水平；甘肃省降水量逐年减少，平均每10年减少5.7mm[1]。王玉洁等[2]、李紫妍[3]、王少丽等[4]的研究表明，气候变化和人类活动是影响流域水文循环过程和水资源演变规律的驱动因素，其带来的水文效应受到各国学者[5-6]的广泛关注。在西北内陆，远离海洋，处于干旱半干旱季风气候区，降水径流在逐年减少，尤其一些中小河流，由于年内降水不均匀，导致河流断流的情况经常发生，给水文监测及资料序列连续性等带来诸多挑战。近几年，社会经济的快速发展，基础设施的大力建设，给流域产汇流造成很大的影响，很多河流径流量已经不是天然径流量，含有诸多影响因素。李彤等[7]的研究表明人类活动已经成为影响河川径流的主要驱动因素。北峪河属于西北半干旱区典型的小流域，地质条件差，植被稀少，流域内人类活动较频繁，几十年来，下垫面条件发生很大变化，对流域水文特性造成很大影响，主要表现在径流量、输沙量的变化方面，从而影响流域水资源规划与管理。杨环等[8]采用小波分析、累积距平曲线与Mann-Kendall法对降水与径流序列进行趋势分析，并对其影响因素采用双累积曲线法和敏感性系数法作了定量分析。沙作菊等[9]根据北峪河流域的实测水文资料,分析了流域水沙的年内和年际变化规律，结果表明：降水量、径流量呈逐年减少趋势，年内分配极不均匀，主要集中在5—10月。哈文舸[10]通过分析计算北峪河流域水沙变化特征，为流域水土保持提供了重要的技术指导，对当地在防洪减灾方面发挥了巨大作用。曹红武[11]利用水文、水利、气象、水保、环保、经济、人口等统计资料,科学分析了北峪河小流域水资源特点。对北峪河流域水文特征变化研究的学者较多，在流域径流影响成因上有很多研究，但多数学者在因素定量分析方面稍有欠缺，为了能更加准确地掌握气候变化、人类活动对流域径流量的影响，本文在前述学者研究的基础上，采用北峪河马街站的实测水文资料，分析降水量和下垫面变化对流域径流量的影响。为当地在掌握河流特性、河湖管理、水资源优化配置及监管方面提供有力的数据支持及技术指导，也为以后水文测验工作提供主要的参考依据，对当地经济社会发展、水利工程规划建设，具有重要意义。

2 区域概况

北峪河位于甘肃省陇南市武都区境内，属白龙江一级支流，嘉陵江二级支流，发源于武都区鱼龙镇境内的米仓山，源地海拔3100m，流域总面积432km2；干流长29km，流域平均比降18‰，于武都区西南汇入白龙江，流域平均宽度9.8km，属山区性地貌。平均气温14.5℃,年均无霜期200天，年均降水量450mm。流域内植被覆盖率低，地质多为黄土或砂土，水土流失严重[12-20]。北峪河流域气候属副热带气候区，降水分布极不均匀，多集中在5—10月。北峪河下游设有马街水文站，位于东经104°57′22″，北纬33°27′53″，距离河口13km，积水面积278km2，占流域面积的65%，基本能控制流域水文情势的变化。测验项目有水位、流量、悬移质泥沙、降水、蒸发等。

3 资料及方法

本次研究采用流域内马街水文站的实测降水量、径流量等长系列资料，资料系列为1956—2016年，资料系列有展延，资料在全国第三次水资源评价中得到很大程度的应用，可靠度较高。资料系列包括流域内安坪、马街、安化及周边雨量站甘泉、申家集的年降水资料；马街站实测径流资料。采用GIS软件对降水量站资料做泰森多边形计算，按照雨量站面积权重得出流域内平均雨量，采用线性回归法、时序累积值法(双累积曲线)、Mann-Kendall秩次相关法(M-K)法对降水量、径流量的变化趋势及突变点进行识别，以序列突变点以前序列为基准期，采用斜率变化率法[21]对降水量和下垫面条件对径流量的影响贡献率进行计算。

3.1 GIS泰森多边形构建方法

在地图上将雨量站互相关联，构成n个三角形，形成边长重合的三角网，然后对每个三角形各边做垂直平分线，用这些垂直平分线构成以每个雨量站为中心的多边形[22]。在此假设每个雨量站控制面积为多边形的面积，则有面雨量计算公式：

P=(a1p1+a2p2+…+anpn)/A

(1)

式中：a1,a2,…,an为每一个雨量站的控制面积，km2；p1,p2,…,pn为个雨量站的同期降水量，mm，A为流域总面积，km2；P为流域平均降水量，mm。也可以将式(1)换算为

P=w1p1+w2p2+…+wnpn

(2)

式中：wi=ai/A为各雨量站控制面积与流域总面积的比值，又称为各雨量站的权重系数。

3.2 Mann-Kendall检验法

Mann-Kendall检验法简称M-K检验法，是一种非参数统计检验方法[22-23]，对于具有样本容量的时间序列，构造秩序列[1]，公式如下：

(3)

计算时假设时间序列独立，构造统计量：

(4)

式中：UF1=0;E(Sk)是Sk的均值，Var(Sk)是方差，假设x1,x2,…,xn连续分布且相互独立，构造统计量：

(5)

(6)

分析给出的UFk和UBk曲线图，若UFk或UBk>0，则表明需序列呈上升趋势，反之，则趋势下降，超过临界值时，趋势显著。当超过显著性临界值时，说明序列发生了突变。

3.3 累积斜率变化率法

王随继等[24]提出了累积斜率变化率法，在气候变化、人类活动对水文序列影响的定量分析中得到广泛应用。该法可用于定量评估人类活动与气候变化对河川径流的贡献程度，计算原理是以序列突变前的水文序列为基准期，将序列划分为几个突变后的序列，计算降水及人类活动对径流的贡献量，构造统计量：

(SRa-SRb)/|SRb|

(7)

(Spa-Spb)/|Spb|

(8)

(9)

CH=100-Cp

(10)

式中，SRa为径流量基准期斜率；SRb为径流发生突变后的斜率；Spa为降水量基准期斜率；Spb为出现突变后序列的斜率。

4 流域降水量及径流量变化特征

采用前述提到的GIS构建泰森多边形，采用式(1)计算流域多年平均降水量，得到1956—2016年的流域平均降水量序列，多年平均降水量为452mm，多年平均径流深为63.58mm。用GIS计算的各雨量站控制面积及所占比例见表1。

表1 流域及周边雨量站控制面积统计

点绘降水量及径流深的年际变化曲线，见图1和图2。从图中看出，流域平均降水量、天然径流深均呈逐年减少趋势。天然径流深的减少趋势较降水量大。从图2可以看出，1997年以后，径流深处于较稳定状态，该流域处于枯水期，流量较平稳。1993年以后径流深的减少趋势比1992年以前明显。为了分析降水量、径流量的趋势显著性，进一步使用M-K检验得知，降水量U值为2.87，大于a=0.05显著性水平的界值1.96，减少趋势显著；径流量统计量U值为3.89，大于a=0.05显著性水平的界值1.96，说明减少趋势显著。

图1 流域平均降水量变化曲线

图2 流域天然径流深变化曲线

气候变化、下垫面条件的改变，导致径流序列严重失真。继续对上述序列采用M-K法进行序列突变检验，其统计结果见图3～图4。从图3看出，降水量UF值在1956—1993年、2002—2005年、2007年、2011年均小于0，且在1956—1965年、1968年、1973年、1978年、1981年UF值均低于a=0.05显著性水平的界值1.96，在这些时间段降水量出现显著性减少趋势。降水量序列在1976年、1984年、1986年、1987年、1993年等年份出现突变。

图3 降水量M-K法检验统计曲线

图4 径流量M-K法检验统计曲线

从图4得知，1956—1993年、2006—2012年径流量UF值长期低于0，且在1956—1969年、1971—1982年UF值低于a=0.05显著性水平下的1.96，但在降水量序列发生突变的1976年、1984年、1986年、1987年，对径流量序列未显示出影响。不论是降水量还是径流量，在1996年之前均显示出上升趋势。其中降水量在1956—1970年、1981—1984年、1989—1996年、2007—2009年、2011—2014年出现了上升趋势，表明这些时间段内，降水量由少变多；径流量在1960—1969年、1976—1996年、2011—2017年出现上升趋势，说明径流量呈增加趋势。可以看出，降水量与径流量之间影响关系并不是很明显，这就间接证明了下垫面条件变化对径流量造成影响。

5 降水量和下垫面变化对径流的影响分析

下垫面条件的变化程度表征着人类活动的频繁与否，大量学者[26-31]的研究表明，经济建设的加快，导致下垫面条件大面积改变，主要发生在20世纪80年代初。对于西北地区落后山区，虽然在这一时期有些滞后，但在后期，人类活动逐年加剧，对径流量的影响还是很大。采用M-K法检验，发现径流在1993年出现转折点。从《甘肃省第三次水资源评价成果》[25]来看，甘肃省大部分河川径流转折出现在1993年。这间接证明了甘肃省下垫面条件变化起步于1993年前后。点绘降水量、径流量双累积曲线，见图5。从图5中可知，序列在1993年出现明显的突变点，1956—1992年间降水径流的相关性较1993年后弱，但不是很明显。将1993年后的降水量累积值代入1992年前的双累积线性回归方程中，重新计算出1993年后的径流序列，对1993年后的径流还原，序列值定义为R计算。点还原后的降水-径流量双累积曲线见图6。用还原后的径流量R计算减去还原前的径流量R实测，就是降水和下垫面条件影响的径流量。经计算，在1993—2016年，径流量累积变化了29.5亿m3，平均每年减小1.4亿m3，这个变化幅度对于西北干旱半干旱区中小河流是相当大的，对当地水资源量造成很大影响。

图5 降水-径流量双累积曲线

图6 点还原后的降水-径流量双累积曲线

为了进一步定量分析降水量、下垫面变化对径流量影响贡献率，利用式(7)～式(10)计算。以1992年前的降水量、径流量为基准期，计算得累积降水量斜率变化率为0.129，累积径流量斜率变化率为1.542，则降水量对径流的影响贡献率Cp值为8.36%，下垫面条件对径流的影响贡献率CH值为91.64%。按照前面计算的累积变化量，计算出降水量对径流量的影响量为2.46亿m3，下垫面的影响量为27.03亿m3。

6 结 语

本文通过采用GIS构建泰森多边形的方法，对北峪河流域年平均雨量做了加权计算，采用线性回归法、时序累积值法(双累积曲线法)、M-K检验法对降水量、径流量的变化趋势及突变点进行识别，采用累积斜率变化率法对降水量和下垫面对径流的影响作了定量研究，主要得出以下结论：

a.北峪河流域降水量、径流量整体上呈逐年递减趋势，径流量减小趋势较降水量显著。径流量在1997年后较平稳，长期处于枯水期。

b.以1956—1992年为基准期，计算了1993年后降水量、下垫面对径流量的影响程度。1993年后，该流域径流量累计减少29.5亿m3，平均每年减少1.4亿m3。其中，降水量对径流量的影响贡献率为8.36%，影响量为2.46亿m3；下垫面对径流量的影响贡献率为91.64%，影响量为27.03亿m3。

c.受限于资料系列、方法的不足，本文在定量分析方面还稍有欠缺。建议在以后的水文测验中，增加输沙量测验等对径流有影响的项目，再继续加以分析。