瀑河流域降水径流趋势分析

王 红

（河北省承德水文勘测研究中心，河北 承德 067000）

河川径流量是进行水资源优化配置、 水量分配及合理开发利用的重要依据，近年来，在气候条件和人类活动的共同影响下， 洪涝和干旱灾害交替频繁发生， 对流域经济社会发展和水安全构成了严重威胁［1］。降水径流序列的改变，会影响水文序列的一致性。 如果水文预报继续使用以一致性样本为基础的预测及分析方法，会对水利工程设计造成影响。徐宗学等［2］利用M-K 检验法，分析了海河全流域及二级区的降水及地表径流数据的变化趋势， 得到其时空分布特征。张文［3］对蚁蚂吐河流域的降水径流关系变化进行分析，结果表明，汛期降水量减少、流域植被变化及水土保持工程的增加导致下垫面条件改变，降水径流关系发生变化。

这些研究中，降水径流的趋势研究较为成熟，但针对瀑河流域的研究还是空白。 本文对瀑河流域降水径流趋势进行分析， 为今后流域水文水资源的合理开发利用、水文预报精准化、流域内橡胶坝的防洪调度提供依据。

1 流域概况

1.1 地理位置

瀑河属于滦河的一级支流， 其主流发源于平泉县卧龙镇石拉哈沟川的安杖子村， 支流发源于卧龙镇瓦房店村，两流汇合后向南流入平泉市城区，与发源于王土房乡车轮桥村七老图山南麓的支源汇合，构成了瀑河上游， 流经宽城县境内， 此段为瀑河中游，宽城以下为其下游，在宽城满族自治县塌山乡境内汇入干流滦河潘家口水库。

1.2 水文气象

瀑河流域气候属于暖温带半湿润、 半干旱的大陆性季风性燕山山地气候， 多年平均气温8～10 ℃，多年平均降水量662.2 mm， 降雨主要集中在汛期的6—9 月份，占全年降水总量的70%～80%，其中主汛期7、8 两个月降雨量约占全年降水量的60%。

2 研究数据来源与方法

2.1 数据来源

本次研究收集了上游平泉水文站和下游宽城水文站1960—2018 年共59 年的实测年径流量序列，以及流域内6 个主要控制雨量站的降水量数据，分别为沙坨子、平泉、南五十家子、党坝、宽城、大桑园。流域面雨量采用算数平均法法计算得出。

2.2 研究方法

2.2.1 滑动平均法

滑动平均法是根据时间序列资料逐项推移，依次计算一定时间内序列的平均值来反应长期的趋势，弱化径流序列中一些短期的不规则变化，发现较长时间的变化趋势。计算公式为：

式中y^t为t 点的滑动平均值；l 为单侧平滑时距，当l等于1，2…t 时， y^t分别对应3 点滑动平均y^3，5 点滑动平均y^5，2t+1 点滑动平均y^2t+1， 若l=2 则称为5 点滑动平均。

2.2.2 线性趋势回归法

线性趋势回归分析法能直观反映出序列变化，常用于水文序列的分析中。假设水文序列包括趋势性成分Pt和随机性成分εt，那么变量Xt可表示为：

式中a 为常数；b1，b2……bn为回归系数。

2.2.3 Mann-Kendall 检验法

Mann-Kendall 检验法是一种非参数的检验方法，能有效提取序列的趋势变化，其优点是样本不需遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，检验范围较为广泛，计算方便［4-5］。

2.2.4 双累积曲线法

双累积曲线法是目前广泛应用于水文气象要素一致性或长期演变趋势分析的一种方法， 可根据斜率变化程度，判断趋势性变化强弱。拐点出现的时间点即是降水径流关系发生突变的时间点。

3 研究结果

3.1 降水变化特征

通过5a 滑动平均法得到两站的年降水量变化趋势图，由图1 可看出，平泉站年际降水量基本稳定在均值附近；宽城站年际降水量呈不显著的下降趋势。

图1 年降水量5a 滑动平均曲线

通过线性回归法进一步分析瀑河流域年降水量的变化趋势，取显著性水平α=0.05，平泉站|T|=0.02＜tα/2=0.2546，宽城站|T|=0.132＜tα/2=0.2546，表明该流域降水量整体呈不显著的下降趋势。

3.2 径流变化特征

通过对实测年径流序列的分析， 年径流序列趋势如图2， 两站年径流序列均呈现明显的下降趋势。通过线性回归分析， 取显著性水平α=0.05， 平泉站|T|=0.467＞tα/2=0.2546，宽城站|T|=0.325＞tα/2=0.2546，均通过置信度99%的显著性检验， 说明该流域径流量呈显著下降趋势。

从M-K 趋势检验图3 中可看出，UF 和UB 的交点出现在1998 年， 即1998 年是年径流序列的突变点，1960—1998 年， 径流序列呈不显著的下降趋势；1998—2018 年，径流序列的UF 值小于0，且变化范围超出临界值±1.96 的范围，说明年径流序列呈显著下降趋势。

图3 平泉站、宽城站年径流量M-K 趋势检验

3 降水径流变化相关性分析

对年降水数据和年径流数据进行对照分析，二者相关性并不明显。以平泉站1975 年为例，年降水量436.9 mm，年径流量0.319 亿m3，到20 世纪90 年代，同等量级的降水，径流量大幅减少，年均径流量约0.034 亿m3，减少率为89.3%。相同时期，不同量级的年降水量对应的年径流量均有减少趋势。

从图4 可看出， 上游平泉站和下游宽城站降水径流关系均出现2 次较明显的改变。 整个时段分为1960—1978 年，1979—1995 年，1996—2018 年，各阶段的双累积曲线斜率均呈减小趋势， 表明径流对降水的响应逐渐减弱。

图4 降雨径流双累积曲线

4 人类活动影响分析

承德市平泉和宽城地区属于“七山一水二分田”的浅山区， 水土流失较为严重，20 世纪90 年代以来，响应国家号召，为改善生态环境，缓解水土流失，实施了京津冀风沙源治理工程水土保持综合治理项目。种植刺槐、山杏等树种，使降雨通过林草植被的吸收、阻流，削弱了降雨对土壤的侵蚀，林木根系生长发达，使得地表土质松散，增大了降雨入渗率，使得原本产生地表径流的一部分降雨变成地下潜流，达到减小地表径流、削减洪峰流量的作用。同时一部分水土保持工程，如鱼鳞坑、竹节壕等，相当于流域上的小型水库，蓄存部分暴雨降水量。瀑河流域多年降水量一致， 而径流量减少的主要原因是一系列的人类活动不同程度地改变了流域下垫面条件， 从而对径流形成产生一定影响。

5 结语

（1）1960—2018 年平泉站和宽城站的年降雨量一致性较好，无明显的趋势性变化，也未发生突变。

（2）平泉站和宽城站的年径流序列呈显著下降趋势，1998 年发生突变。 在今后的水文预报研究中，要考虑径流序列的非一致性， 以免影响预报结果的准确性。

（3）1960—2018 年降雨径流关系发生2 次明显改变，经调查收集资料，径流量变化的主要原因是水土保持措施改变了流域的下垫面条件， 进而导致产流条件发生改变，影响径流序列的一致性。对于水土保持措施对径流变化的定量影响， 还需在今后工作中进一步研究。