西辽河流域典型河流径流变化趋势及突变分析

2023-08-17张宇吴计生刘洪超杜俊鹏王九九

中国水土保持 2023年8期

张宇　吴计生　刘洪超　杜俊鹏　王九九

［关键词］径流特征；Mann-Kendall检验法；变化趋势；突变分析；西辽河流域

［摘要］分析河川径流的变化规律对区域经济社会生态发展具有重要意义。应用线性趋势分析法、累积距平曲线法和Mann-Kendall检验法开展西辽河流域典型河流径流变化趋势及突变分析，结果表明：西辽河流域典型河流径流的空间分布具有明显的地区性差异，干流来水以西拉木伦河为主；径流时间序列具有趋势性及突变性，北源西拉木伦河、南源老哈河、西辽河干流及其主要支流乌力吉木仁河年径流量均呈下降趋势，出现变化的拐点时间分别为2000、1975、2013、2004年;流域多年平均水资源总量1980—2016年较1956—2016年减少近5.60%，主要原因为山区地下水开采袭夺地表水、降水減少及下垫面改变;另外，2021年度洪水流量过程线分析表明，通过实施水利工程联合调度，洪水在传播过程中经河道调蓄及沿程渗漏，洪峰及洪量沿程削减严重，但随着河道下垫面含水量的不断提升，洪量沿程衰减量将逐渐减少。

［中图分类号］ TV121［文献标识码］ A［文章编号］ 1000－0941（2023）08－0043－05

河川径流是水循环的重要环节，也是水量平衡的基本要素。河川径流的变化趋势及突变集中反映了一个区域的自然地理特征和人为影响程度。科学评估河川径流对气候变化和人类活动的敏感程度，对有效调控人类活动和科学管理人类水文干扰行为具有重要意义。西辽河流域是我国重要的粮食主产区，近年来，流域水资源供需矛盾日益尖锐，生态用水面临较大压力。为落实内蒙古西辽河流域量水而行、以水定需的发展战略，本研究探究了西辽河流域典型河流径流演变规律，并研判了其变化原因。

国内外专家学者对不同区域不同类型的河川径流变化趋势开展了研究，有的按径流时段特征，即日、月、季、年等不同时间尺度；有的按河川所在区域气候类型特征，即湿润区、半干旱区、干旱区、高寒区等；有的按研究方法，即滑动平均法、时间序列分析法、归因分析法、拐点分析法等[1]。本研究基于西辽河流域典型河流主要水文站实测径流系列，对其径流变化趋势进行分析，同时运用Mann-Kendall检验法，对年径流量时间序列进行突变分析，以助于了解西辽河流域典型河流水生态环境状况、存在的主要问题及其成因，为恢复河湖生态环境、合理解决上下游地区之间的用水矛盾提供支撑。

1研究区概况

西辽河为辽河干流右岸的一级支流，位于我国东北地区西南部，行政区划涉及河北省、辽宁省、内蒙古自治区和吉林省，长829 km，流域面积13.83万km2。依据西辽河干支流特点和现阶段西辽河流域水资源管理要求，本研究选取流域面积在1万km2以上的4条典型河流作为分析对象，即北源西拉木伦河、南源老哈河、西辽河干流及其主要支流乌力吉木仁河。

2数据来源

选取西拉木伦河巴林桥（三）、台河口（西五），老哈河甸子（二），乌力吉木仁河梅林庙（二）和西辽河干流郑家屯（六）5个典型水文站实测径流系列，资料来源于内蒙古自治区第三次全国水资源调查评价成果及辽河流域水文年鉴。

3研究方法

年径流量时间序列具有趋势性和突变性特点[2]，本研究运用线性趋势分析法及累积距平曲线法对西辽河流域典型河流60多a径流量时间序列的趋势性进行分析，再结合Mann-Kendall检验法进行年径流量突变年份检验，并探讨流域降水量与人类活动对西辽河流域河川径流变化的影响。

3.1距平及累积距平

一组数据的某一个数xi与均值x之间的差就是距平，即xi－x。累积距平是一种常用的由曲线直观判断数据变化趋势的方法，对于序列x某一时刻t的累积距平表示为

将n个时刻的累积距平全部算出，即可绘出累积距平曲线进行趋势分析[3]。

3.2Mann-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。在M-K检验中，原假设H0为时间序列数据（x1，x2，…，xn），是n个独立、随机变量分布的样本；备选假设H1是双边检验，对于所有的时间序列数据，当i，j≤n，且i≠j时，xi和xj的分布是不同的，检验的统计量S为

在双边趋势检验中，若给定Z一个显著性水平α，则Z1－α/2的值在正态分布表中可以查出。当Z>Z1－α/2时，说明这个时间序列在给定的显著性水平α下，其变化趋势是显著的[4]。本研究α取0.05，对应的信度水平为±1.96。

4径流变化特征分析

4.1趋势性分析

西辽河流域典型河流径流变化的总趋势采用线性趋势分析法及累积距平曲线法进行分析，其主要水文站年径流量变化趋势见图1，年径流量累积距平曲线（左）和距平值（右）见图2。

由图1、图2可知：

1）从巴林桥（三）和台河口（西五）水文站的年径流量变化趋势可以看出，60多a间西拉木伦河年径流量总体上呈下降趋势，且降幅明显；从距平值和累积距平曲线来看，巴林桥（三）和台河口（西五）水文站的年径流量变化规律基本一致，在丰枯周期变化上，台河口（西五）除20世纪七八十年代年径流量变化出现小范围波动外，总体上西拉木伦河经历了明显的丰水期（距平值为正）后进入连续的枯水期（距平值为负），且持续时间较长（自2000年持续至今），可能与天然来水减少及水资源的不合理开发利用有关。

2）甸子（二）水文站位于老哈河上游，除20世纪五六十年代水量相对较为丰沛外，自20世纪80年代至今年径流量虽稍有波动，但总体呈持续下降态势，除受天然来水减少的影响外，还受农业灌溉及支流黑里河水利工程设施建设的影响。

3）乌力吉木仁河梅林庙（二）水文站和西辽河干流下游郑家屯（六）水文站的年径流量变化相对剧烈，波动明显。在丰枯周期变化上，梅林庙（二）在20世纪70年代经历了明显的枯水期后进入下一个丰水期，之后自2000年至今进入连续的枯水期。其中1998年的洪水对梅林庙（二）及郑家屯（六）径流贡献很大，资料[5]显示，1998年8月洪水通过梅林庙（二）水文站时的洪水总量为12.78亿m3。郑家屯（六）水文站受乌力吉木仁河汇入影响，丰枯周期变化上同样较为明显，统计年间经历了2次丰枯周期，自2000年后进入连续的枯水期，期间大部分时间处于断流状态。

4.2突变性分析

采用M-K检验法分析西辽河流域典型河流主要水文站年径流量变化，并将计算结果绘制成曲线，见图3。由图3可以看出，西辽河流域典型河流主要水文站年径流量总体呈显著减少趋势。以巴林桥（三）水文站为例，过去60多a西拉木伦河年径流量整体呈下降的趋势，通过了α=0.05置信检验，突变是显著的。在两条信度线之间，UF、UB曲线的交点所对应的时刻为突变开始的时间，即1999年，这一结论也通过了上述年径流量累积距平曲线分析的检验。总体来看，巴林桥（三）与台河口（西五）水文站基本反映西拉木伦河年径流量减少拐点时间为2000年前后，甸子（二）水文站反映老哈河上游年径流量减少拐点时间为1975年前后，梅林庙（二）水文站反映乌力吉木仁河年径流量减少拐点时间为2013年，郑家屯（六）水文站反映西辽河干流下游年径流量减少拐点时间为2004年。

5径流对流域降水量及人类活动的响应

5.1对流域降水量的响应

从西辽河流域历年降水量变化情况（见图4）可以看出，流域内年降水量波动幅度较大，最少年份2009年仅为268.8 mm，最多年份1998年为531.3 mm，相差近1倍。60多a间流域内年降水量呈略微下降的趋势，下降幅度不大（-1.7 mm/10 a）。20世纪80年代和90年代中期两时段降水较为丰沛，2000年以来，除个别年份（2010、2012、2016、2021年）降水较多外，其余年份降水偏少。流域1980—2016年37 a系列多年平均水资源总量比1956—2016年61 a系列减少了近5.60%，主要是山区地下水开采袭夺地表水、降水减少及下垫面改变所致。

5.2对人类活动的响应

5.2.1水量调度情况

2021年3月26日（春汛期3—4月），内蒙古自治区对西辽河实施2021年第一次水量调度，下达了西辽河水量调度指令：海日苏灌区引水流量不超过12 m3/s，孟家段水库引水流量不超过10 m3/s，其他取水口实行全线闭口、集中下泄，保障西辽河干流下游过水，力争莫力庙水库进水。2021年8月9日（汛期7—8月），干涸了20多a的莫力庙水库进水闸，首次通过人工调度进水182.6万m3。同时，内蒙古自治区水利厅充分利用“引乌入通”工程，联合调度西拉木伦河和乌力吉木仁河，2021年成功将水引入莫力庙水库，实现全年生态补水1 506.06万m3。

5.2.2控制节点洪峰流量沿程变化趋势分析

根据西辽河2021年水量调度情况，选择西拉木伦河的海日苏、台河口（西五），西辽河干流的总办窝堡（莫二）、通辽（五）和郑家屯（六）等水文站，作为本次洪峰流量沿程变化趋势分析的控制节点。春汛期整个洪峰过程持续了近20 d，2021年3月26日水量调度后，各控制节点洪峰流量沿程变化趋势见图5（a）。由图5（a）知，海日苏控制断面最大洪峰流量出现时间为2021年3月28日（51.5 m3/s），台河口（西五）控制断面最大洪峰流量出现时间为2021年3月29日（7.74 m3/s），此次水頭未到达总办窝堡（莫二）、通辽（五）和郑家屯（六）控制断面。

汛期各控制节点洪峰流量沿程变化趋势见图5（b）。由图5（b）知，海日苏控制断面最大洪峰流量出现时间为2021年7月26日（98.9 m3/s），台河口（西五）控制断面最大洪峰流量出现时间为2021年7月26日（94.7 m3/s），而后两断面洪峰流量随时间的变化趋势基本一致，但台河口（西五）控制断面最大洪峰流量存在一定的滞后性，滞后期1 d；总办窝堡（莫二）控制断面实现来水，两次洪峰最大流量分别出现在2021年8月6日（8.04 m3/s）和2021年8月28日（8.38 m3/s）；此次水头未到达通辽（五）控制断面；郑家屯（六）控制断面来水与乌力吉木仁河有关。

综上，洪水在传播过程中经过河道调蓄及沿程渗漏，会发生“坦化”，洪峰被削减，洪量沿程衰减严重，但随着河道下垫面含水量的不断提高，洪量沿程衰减量将逐渐减少。西辽河支流老哈河无水汇入，乌力吉木仁河汛期有水汇入西辽河干流，西辽河干流水量主要来自西拉木伦河。

6结论

1）西辽河流域典型河流径流的空间分布具有明显的地区性差异，干流来水以西拉木伦河为主，主要水文站巴林桥（三）、台河口（西五）、甸子（二）、梅林庙（二）及郑家屯（六）年径流量在统计年间整体呈减少趋势。

2）年径流量时间序列具有趋势性及突变性，北源西拉木伦河、南源老哈河、西辽河干流及其主要支流乌力吉木仁河年径流量减少拐点时间分别为2000、1975、2013、2004年。

3）流域内年降水量呈略微下降的趋势，下降幅度不大（－1.7 mm/10 a）。流域多年平均水资源总量1980—2016年较1956—2016年减少近5.60%，主要原因为山区地下水开采袭夺地表水、降水量减少及下垫面改变。

4）通过实施水利工程联合调度，洪水在传播过程中经河道调蓄及沿程渗漏，洪峰及洪量沿程削减严重，但随着河道下垫面含水量的不断提升，洪量沿程衰减量将逐渐减少。

[参考文献]

[1] 康颖，张磊磊，张建云，等.近50 a来黄河源区降水、气温及径流变化分析[J].人民黄河，2015，37（7）：9-12.

[2] 汪雪格，胡俊，吕军，等.松花江流域1956—2014年径流量变化特征分析[J].中国水土保持，2017（10）：61-65.

[3] 任国玉，郭军，徐铭志，等.近50年中国地面气候变化基本特征[J].气象学报，2005，63（6）：942-956.

[4] 曹洁萍，迟道才，武立强，等.Mann-Kendall检验方法在降水趋势分析中的应用研究[J].农业科技与装备，2008（5）：35-37，40.

[5] 徐凤琴，年洪丽.辽河1998年暴雨洪水[J].东北水利水电，2000，18（3）：7.