北洛河流域径流变化特征分析

王 囡

（陕西水环境工程勘测设计研究院,陕西 西安 710018）

0 引言

全球变暖导致降水发生明显变化,极端气候事件发生频率明显增加[1]。正确认识变化环境下降水及径流的演变规律,受到水科学界的广泛关注。近年来,关于流域径流变化特征及其归因分析的相关研究越来越多[2-4]。比如,马瑞婷[2]等以秦岭北麓典型流域为研究对象,采用M-K检验法和有序聚类分析法,阐述了该地区1955年～2010年的年径流变化特征和年径流序列突变特性。郭巧玲[3]等应用M-K秩相关系数、R/S分析、降水径流双累积曲线法等多种数值模型方法,分析了窟野河径流变化特征及规律,探讨了影响径流变化的相关因素。研究发现人类活动增加的是影响窟野河径流量下降的最大因素。北洛河作为渭河第二大支流,承载着流域内脆弱的生态环境和经济社会发展。因此,研究径流变化特征和影响因素,促使人们清晰认识北洛河流域的降水径态势,为北洛河流域水资源的开发利用、统筹安排等提供依据。

本文根据北洛河流域1961年～2015年降水和径流数据,采用M-K非参数检验法和双累积曲线法得到北洛河流域径流量的突变年和基准期年,探讨人类活动因素及气候变化因素对区域径流变化的影响程度。

1 数据与方法

1.1 研究区域

北洛河为渭河第二大支流,发源于白于山南麓,河长680 km,流域面积2.69万km2。流域地处黄河中游地区,地形地貌复杂,属大陆性季风气候,年平均降水量510 mm～560 mm。降水与径流年际变化大,年内分配不均,降水和径流主要集中于7月～10月,降水占全年的50%～70%,径流占全年的61%左右。

1.2 数据来源

本文收集整理北洛河流域1960年～2015年间的降雨径流数据,其中径流数据来源于历年水文年鉴数据,降水数据来源于国家气象信息中心。数据资料从来源、测验和整编方法等方面都是可靠的。

1.3 研究方法

（1）Mann-Kendall检验

Mann-Kendall检验法是水文气象常用的突变点检验法,该方法通过时间序列X（共含n个子序列）构造一个统计变量：

式中：

在时间序列为随机的假设下,定义统计量：

UFk为标准正态分布,UBk是时间序列X的逆序 （xn,xn-1,…,x-1）,重复上述过程。若UFk曲线和UBk曲线的交点出现在临界线范围内,突变点则为此交点对应的时刻。

（2）双累积曲线法

双累积曲线法通过绘制年降水-径流的双累积曲线图,找到两者关系的突变点,具体是将首个突变点以前时段确定为基准期。建立以基准期时段内年累积降水量为自变量,以年累积径流深为因变量的线性函数R=b+aY,将突变点后年累积降水量作为代入值,通过此线性函数可计算出基准期外的年累积径流深,进一步求得年径流深。采用双累积曲线确定气候变化和人类活动对径流影响的贡献率。两者对径流影响的贡献率计算公式如下：

式中：ΔR为径流变化量；R1为基准期天然径流深；R'1为突变后实测径流深；ΔR1为人类活动对径流的影响量；ΔR2为气候变化对径流的影响量；R'2为突变后的模拟径流深；η1、η2分别为人类活动和气候变化对径流变化的贡献率。

2 结果与分析

2.1 北洛河流域降水径流变化特点

由统计资料计算北洛河流域1961年～2015年降水量特征值,见表1。

表1 北洛河流域降水量年际变化

结果表明,最大降水量为841.84 mm,为最小降水量的2.14倍,最小降水量为392.57 mm,为多年降雨量均值的0.7倍,说明北洛河流域降水的年际变化较大,丰枯悬殊,降水时空分布不均。

根据北洛河流域状头站1961年～2015 年径流资料,计算状头站径流量特征值,见表2。

表2 北洛河径流年际变化

由表2可知,最大年径流量是最小的5.40倍,最小年径流量仅是多年平均的0.47倍,可以得出状头水文站控制断面径流的年际变化较大,丰枯悬殊。

2.2 北洛河流域径流突变点分析

采用Mann-Kendall非参数检验方法对径流量突变点进行分析,如图1所示,检验所得突变点为1998年,|Z|=|-3.578|＞U0.01/2=2.576,通过了置信度为99%的显著性检验。

图1 北洛河流域径流量突变分析

根据北洛河流域降水和径流时间序列绘制降水径流双累计曲线图,见图1。其中1961年～1969、1970年～1974、1975年～1997、1998年～2002、2003年～2015年,累积降水与累积径流量线性变化的相关系数分别为0.9964、0.99688、0.99912、0.99973、0.99557。根据降水～径流量双累积曲线图,得到突变点对应的时间分别是1970年、1974年、1998年和2003年,各个分突变区间内线性关系的相关度均在0.9以上。综合分析两种方法的结果,得到状头站突变点为1970年和1998年,确定1961年～1969年为北洛河流域的基准期年。

2.3 北洛河流域径流变化影响因素分析

突变点分析表明北洛河流域年径流量的存在多个突变点,本文以突变年份1970年为准,将渭河支流北洛河流域径流基准年定为1961年～1969年,用另外几个突变点划分时间序列,为4个时段（1970～1974、1975～1997、1998～2002、2003～2015）。根据双累计曲线法的具体计算步骤,得到拟合函数为y=0.07177 x-21.93（y为年累积降水量,x为年累计径流深）,相关系数R=0.99,将上述四个时段上的年累积降水代入线性函数中,得到模拟径流量值,进一步通过径流还原法计算人类活动和气候变化对径流变化的影响量和贡献率,结果见表3。

表3 气候变化和人类活动对北洛河流域径流量变化的贡献率

由表3可知：北洛河流域径流变化是人类活动和气候变化共同作用的结果,且人类活动对径流量的影响所占比重较大。1961年～1969年间的平均降水量和平均径流量较1970年～1974年相差较大,是丰水年向枯水年的转变。相对于基准期天然径流量而言,模拟径流量自1969年后有减小态势,这说明一定程度上是由于气候要素变化引起的,1970年～1974年、1975年～1997年、1998年～2002年、2003年～2015年分别减少4.55 mm、1.66 mm、2.73 mm、0.63 mm,其贡献率分别为29.59%、25.21%、16.47%、3.47%。1970年以来的实测径流量较模拟径流量的减少程度也很明显,1970年～1974年、1975年～1997年、1998年～2002年、2003年～2015年分别减少10.82 mm、4.92 mm、13.74 mm、17.59 mm,其贡献率分别为70.41%、74.79%、83.43%、96.53%。从多年均值的角度分析,1961年～2015年间人类活动及气候变化使径流量平均减小14.16 mm,模拟径流量和实测径流量较基准期天然径流量分别减少2.39 mm、11.77 mm,人类活动使径流明显减少,其贡献率到达81.29%。近几十年来,北洛河流域人类活动频繁,由大跃进时期的毁林垦荒到当前的修建梯田、退耕还林、护林育林、修建库坝和能源化工、城镇化快速发展使水资源的大量使用,影响径流量的程度日益加深,其中,流域仅陕西境内已建成的水库有40余座,大量的工业用水,挤占了生态环境用水,导致下游断流严重,水环境污染加剧。

3 结论

（1）北洛河流域降水量及径流量在研究时间段内均呈下降趋势,且1970年以前北洛河流域降水量和径流量的增减趋势几乎一致,1970年以后两者相互关系不再明显。北洛河流域的年际变化较大,最大年降水量为841.84 mm,最小年降水量为392.57 mm,最大年降水量是最小年径流量的2.14倍,最大年径流量为20.13亿m3,最小年径流量为3.73亿m3,最大年径流量是最小年径流量的5.4倍,丰枯悬殊,水资源分布不均衡。北洛河流域最大年降水量出现年份和最大年径流量出现年份均为1964年。

（2）通过Mann-Kendall非参数检验方法及双累积曲线法,可得到北洛河流域径流突变节点时间为1970年、1998年、基准期为1961年～1969年。在1961年～2015年间,气候变化对径流量的影响呈逐时段减少趋势,其中2003年～2015年间气候变化对径流变化的贡献率仅为3.47%。人类活动和气候变化导致径流减小量均值分别为14.16 mm、2.39 mm,人类活动对径流量的影响程度是气候变化的6 倍。

（3）北洛河流域径流减少的主要原因是人类活动,次要原因是气候变化。退耕还林、水土保持、修建库坝和能源化工、城镇化快速发展等是人类活动影响径流变化的主要方面。基于本文的后期研究中,可结合“数字-信息-流域”时代特征优势,探索开发北洛河流域三维可视化水资源信息管理平台,打破传统信息难以交互的壁垒,通过信息管理系统,实现降水和径流等数据的高效组织和管理,为管理部门对流域内信息的全面把控和出台一系列操作性措施提供科学依据。