降水與人類活動對小清河上游徑流量的影響

朱 琳, 韓 美

(山東師范大學 地理與環境學院，山東 濟南 250014)

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降水與人類活動對小清河上游徑流量的影響

朱 琳, 韓 美

(山東師范大學 地理與環境學院，山東 濟南 250014)

根據小清河流域黃臺橋水文站1965～2013年徑流序列資料以及黃臺橋雨量站的降水量數據，采用5a滑動平均法和Mann-Kendall非參數檢驗法，分析了小清河上游徑流量和降水量的變化特征；在此基礎上，利用徑流量與降水量的雙累積曲線對降水-徑流序列進行了突變點分析，并對突變點前后徑流量與降水量的Pearson相關系數進行了分析與檢驗。結果表明：小清河上游徑流量與降水量均呈現增加趨勢，但徑流量較降水量的增加趨勢顯著。將小清河上游徑流演變過程分為1965～1974年，1975～2003年和2004～2013年3個階段，1965～1974年為天然徑流階段，1975-2013年為受人類活動影響顯著階段。在徑流變化過程中，徑流量與降水量的Peason相關系數逐漸減小，而人類通過排污、引水等活動加大了對徑流量的影響程度，成為影響徑流變化的決定性因素。科學地區分降水與人類活動對徑流變化的影響，可以為研究流域水文循環過程提供借鑒，對實現水資源可持續利用也具有現實意義。

徑流變化；降水；人類活動；小清河

1 引言

隨著全球氣候變化和人類活動的加劇，河川徑流發生了顯著變化。徑流不僅對氣候波動響應敏感，而且受人類活動強度影響顯著[1]。實測徑流不僅包括天然徑流，還包括人類活動影響下的徑流。眾多學者已經對黃河、長江等大江大河及其支流徑流量的變化規律以及影響因素做了大量的研究[2～7]。目前，評估氣候變化對徑流影響的方法主要有流域對比法、時間序列對比法以及流域水文模型3種[8]。流域對比方法是選擇氣候相似的研究流域，對比分析氣候變化或人類活動的干擾。張永勇[9]等對比分析了氣候變化對三江源地區徑流變化的影響。時間序列對比法應用統計方法分析水文氣象數據，即建立降水徑流相關曲線，分析其相關關系。孫衛國等[10～12]采用交叉小波變換方法，討論了黃河源區徑流與區域氣候變化之間的多時間尺度相關。曹建廷[13,14]等采用Mann-Kendall趨勢檢驗法演示了長江、黃河源區的徑流變化過程。流域水文模型既對流域內發生的水文過程進行模擬計算建立起的數學模型。劉潔等[15～18]通過建立流域降雨-徑流模型分析了降雨和人類活動對流域徑流的影響。隨著濟南市的發展，小清河流域社會經濟活動越發頻繁。在人類活動干擾下，小清河徑流量整體上呈現出增加趨勢。本文利用小清河流域1965～2013年的長時間序列資料(圖1)進行了對比分析，以評估降水對徑流量的影響，從而區分出人類活動對小清河上游的影響程度。

圖1 小清河黃臺橋以上流域水系

2 研究區域

小清河源于濟南西郊睦里閘，干流流經濟南市槐蔭區、天橋區、歷城區，于章丘出市境，流向濱州市的鄒平，又經高青、桓臺、博興、廣饒，由壽光市的羊角溝注入渤海。小清河濟南市河段長70.5 km，流域面積2792 km2，是濟南及沿岸地區的唯一排洪河道，擔負著濟南市承瀉洪水的重要任務[19]。黃臺橋水文站位于小清河上游，控制流域面積351 km2，流域內的主要支流有南太平河、北太平河、興濟河、工商河、西濼河、東濼河、柳行河、全福河。支流主要分布于主河道南岸，多屬雨源型山溪河流。小清河流域屬溫帶季風氣候，降水變率大，約70%的降水集中在6～9月[20]。均在黃臺橋水文站以上流入小清河主河道。本文主要研究黃臺橋以上流域。

3 研究方法和數據來源

3.1 研究方法

3.1.1 滑動平均法

滑動平均法是趨勢擬合技術最基礎的方法，相當于低波過濾器[21]。用確定時間序列的平滑值來表示變化趨勢。樣本量為n的時間序列x的滑動平均序列可表示為：

(1)

式中k為滑動長度，選擇合適的k可以較好地反應時間序列的變化趨勢。

3.1.2 Mann-Kendall非參數趨勢檢驗

用Mann-Kendall[16]非參數趨勢檢驗法檢測徑流序列變化趨勢，該統計檢驗方法的優點是不需樣本服從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，被廣泛應用于氣象、水文要素等時間序列的趨勢和突變分析。 對于具有n個樣本量的時間序列x1，x2,…,xn構造一秩序列：

(2)

其中

sk是時間序列中第i時刻的數值大于j時刻數值個數的累計數。

在時間序列隨機獨立的假定下，定義統計量

(3)

其中，E(sk)、var(sk)是累計數sk的均值和方差，可由下式算出：

(4)

按時間序列x逆序xn，xn-1，…，x1，再重復以上過程，可得UBk。

若UFk或者UBk的值大于0，則表明序列呈上升趨勢，小于0則表明呈下降趨勢。當它們超過臨界直線時，表明上升或下降趨勢顯著[21]。

3.1.3 雙累積曲線和累積距平法

雙積累曲線方法是目前用于水文氣象要素一致性或長期演變趨勢分析中最簡單、最直觀、最廣泛的方法[17]。當兩個變量累積值之間直線的斜率發生改變，那么斜率發生突變的年份就是兩個變量累積關系發生突變的時間[22]。

累積距平也是一種常用的、由曲線直觀判斷變化趨勢的方法。對于序列x,其某一時刻t的累積距平表示為:

(5)

累積距平曲線呈上升趨勢，表示距平值增加，曲線呈下降趨勢則表示距平值減小。從曲線的上下起伏，可以判斷序列長期顯著的演變趨勢及持續性變化[21]。

3.2 資料來源

小清河流域徑流量選用山東省水文局提供的黃臺橋水文站1965～2013年逐年實測徑流量資料，降水量選用山東省水文局提供的黃臺橋雨量站1965～2013年的逐年降水量。

4 結果分析

3.1 徑流量變化特征

根據1965～2013年小清河黃臺橋水文站的實測年徑流量資料，選取5a線性滑動平均法對小清河年徑流量變化情況進行統計，結果如圖2，小清河徑流量呈現出不規則的周期性波動。20世紀70年代和90年代前期徑流量呈增長趨勢，80年代和90年代后期徑流量呈減小趨勢。進入21世紀以來，小清河徑流量增長趨勢明顯，年均增長率為10.61%。統計資料顯示，1965～2013年的多年平均徑流總量3.03×108m3，最大年徑流量5.64×108m3(2012年)，最小年徑流量0.99×108m3(1968年)，極值比5.66。

圖2 小清河上游年徑流量變化及5年滑動平均

由Mann-Kendall趨勢檢驗可以看出(圖3)，1974年后小清河徑流量變化的整體趨勢是增加的，在20世紀70年代后期，UFk值超過顯著性水平0.05(u0.05=±1.96)趨勢線，表明在該時間段內，徑流量增長趨勢顯著。2005年后，UFk值甚至超過了顯著性水平0.001(u0.001=±2.56)趨勢線，徑流量的增長趨勢十分顯著。

圖3 小清河上游徑流量Mann-Kendall統計量曲線

4.2 降水量對徑流量的影響

4.2.1 降水量的變化趨勢

根據1965～2013年小清河黃臺橋雨量站的降水量資料，選取5a滑動平均對小清河降水量變化情況進行統計，結果見圖4。在研究時間序列內，降水量呈現不規則的周期性波動，降水量的最小值為297.5 mm(1968年)，最大值為1076.7 mm(2004年)。20世紀60、70年代，降水量增加趨勢顯著；80、90年代，降水量整體變化趨勢比較平穩。2004年后，降水量有下降趨勢。整體來講，小清河的降水量呈現不太顯著的增加趨勢。

4.2.2 降水量與徑流量相關性分析

由徑流量與降水量的距平百分率曲線可以看出(圖5)，二者的變化趨勢大體一致，但并非完全吻合。1974年以前，徑流量的年際波動幅度較大，1974～2003年二者年際波動幅度相差不大，2004年后徑流量的波動幅度大于降水量的波動幅度。可見，降水并非是影響徑流量的唯一因素，非降水因素也影響著小清河徑流量的變化。2004年后，徑流量距平百分率超過40%，而降水量在平均值附近波動，變化不大。表明在非降水因素的影響下，小清河上游的徑流量呈顯著的增加趨勢。

圖4 小清河上游降水量變化及5年滑動平均

圖5 降水量與徑流量距平百分率

采用Mann-Kendall非參數檢驗和雙累積曲線法識別徑流序列發生突變的臨界年份。Mann-Kendall檢驗結果如圖2，UFk與UFb兩條曲線的交點出現在1974年，表明徑流序列在1974年發生突變。由圖6可見，雙累積曲線的斜率在1974年、2003年發生明顯變化，且3個階段線性擬合趨勢線的斜率呈增加趨勢。3條趨勢線R2均超過0.99，線性擬合程度較高。因此，可將降水-徑流變化過程分為3個階段：1965～1974年、1975～2003年和2004～2013年。第一階段為天然徑流階段，人類活動對小清河的干預較少，其徑流量主要受降水等自然條件的影響。第二、三階段為受人類活動影響顯著階段，雙累積曲線表明，在人類活動的干預下，小清河徑流量呈增加趨勢。

圖6 小清河上游降水量與徑流量的雙累積曲線

不同時期徑流量與降雨量的相關關系發生變化，如圖7。隨著時間序列的推移，徑流量與降水量的關系點向右推移，相同量級降水量下的徑流量明顯增加。因此，將1965～1974年劃分為受人類活動影響較小的天然徑流階段是有意義的。

圖7 不同時期徑流與降水的相關關系

年份相關系數r檢驗值p相關水平1965～19740．872P<0．01顯著相關1975～20030．538P<0．01中度相關2004～20130．103P>0．05不相關

利用SPSS 20.0軟件計算小清河上游降水與徑流的Pearson相關系數，采用T檢驗方法進行顯著性檢驗，結果見表1。在徑流變化過程中，徑流量與降水量的相關系數r逐漸減小。1965～1974年r1=0.872，徑流量與降雨量顯著相關；1975～2002年r2=0.538，徑流量與降雨量中度相關。在95.0%的置信區間上，r1、r2均通過了0.01水平的檢驗。但2004～2013年r3減小到0.103，且不通過顯著性檢驗。因此，徑流量與降雨量的相關性不具有說服力。

4.3 人類活動對徑流量的影響

1965-1974年為天然徑流階段，小清河徑流量主要來自于大氣降水，受人類活動影響相對較小。第二、三階段為受人類活動影響顯著階段，徑流量與降水量的相關性明顯減小。對小清河多年平均月徑流量和降水量進行統計，如圖8、圖9所示。2004～2013年小清河月平均徑流量明顯增加，但月平均降水量的增加趨勢卻不顯著。且降水主要集中在夏季，徑流量的年內變化較降水量緩和。這在一定程度上表明，人類活動增加了小清河尤其是枯水期的徑流量，緩和了小清河徑流量的年內變化。人類干擾是造成小清河徑流量增大的主要原因，是影響徑流量的決定性因素。

圖8 小清河上游多年平均月徑流量

圖9 小清河上游多年平均月降水量

影響小清河上游徑流量的人類活動主要包括：城市生活污水、工業廢水排入小清河和引水補源，即從其他水庫或湖泊向小清河調水。

20世紀70年代以來，隨著濟南市小清河流域內工農業生產的迅速發展，工業廢水和生活污水的排放量逐年增加[23]，成為小清河水體的主要來源。以2000年為例，濟南市生活污水排放量為1.3×108m3，占全市廢水排放量的65.1%[23]，近90%的城市污水未經處理直接進入小清河。黃臺橋斷面接納了濟南市大部分工業廢水和生活污水，主要排放渠道是興濟河、東濼河、西濼河、工商河、全福河和柳行河六大排污系統。

為保證小清河水質要求，滿足其景觀功能，需要對小清河進行補源：從臥虎山水庫放水，通過玉符河向小清河引水；引黃河水入玉符河，澄清后經睦里閘直接引入小清河；經濟平干渠引東平湖水入小清河，2005年12月29日至2009年11月18日，東平湖共向小清河調水5次，調水量1.005×108m3。通過對1965～2013年小清河流域月平均徑流量的分析發現，2004～2013年與1965～1974年相比，1月份徑流量平均增長率為1.91%，4月份平均增長率為1.62%，7月份平均增長率為0.89%，10月份平均增長率為1.61%。小清河枯水期徑流量增長趨勢較汛期顯著，因為滿足小清河的水質和景觀需求，在枯水期通過引水工程增大了對小清河的引水量。

5 結論

(1)1965～2013年小清河流域徑流量呈顯著的增加趨勢，多年平均增長率為2.07%。21世紀之后，徑流量增加趨勢更為明顯，年均增長率為10.61%。

(2)利用Mann-Kendall非參數檢驗和雙累積曲線法對小清河徑流序列進行突變點分析，發現小清河徑流序列出現1974、2003年兩個突變點，遂將小清河流域的徑流演變過程分為1965～1974年、1975～2003年、2004～2013年3個階段。1965～1974年為天然徑流階段，小清河平均年徑流量2.07×108m3。后兩個階段為受人類活動影響顯著階段，在人類活動影響下，小清河徑流量增加趨勢顯著，1975～2003年平均年徑流量2.62×108m3，2004～2013年平均年徑流量4.88×108m3。

(3)小清河流域徑流量的變化主要是由氣候變化和人類活動引起的。在徑流演變過程中，徑流量與降水量的相關性逐漸減小，人類活動對徑流量的影響逐漸增大，并成為影響徑流量的主導因素。人類活動主要通過向小清河排放工業廢水、生活污水、處理中水以及小清河引水工程來影響小清河徑流量。

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Effects of Precipitation Changes and Human Activities on Runoff of Xiaoqing River Upstream

Zhu Lin, Han Mei

(CollegeofPopulation,ResourcesandEnvironment,ShandongNormalUniversity,Jinan250014,China)

Annual runoff series data at Huangtai bridge hydrological station and precipitation data at Huangtai Bridge rainfall station during the period of 1965～2013 were applied to identify the changes of runoff and precipitation in Xaioqing river basin by using the 5～year moving average method and Mann～Kendall test. On this basis, using double mass curve analys the sudden change point of runoff and precipitation. The Pearson correlation coefficients were analyzed and tested. The results showed that (1) runoff and precipitation showed an increasing trend, but the runoff increased more significantly.(2) the runoff series were devided into three periods, i.e.,1965～1974,1975～2003 and 2004～2013. 1965～1974 is the natural runoff period, 1975～2013 is significantly affected by human activities period.(3) in the change process of runoff, runoff and precipitation Peason correlation coefficient decreases gradually, whereas humans through sewage discharge, water diversion and other activities increased the impact on runoff, which became the decisive factor affecting runoff change. To distinguish the impacts of human activities and precipitation on runoff changes, can provide references for the study of the hydrological cycle in a basin and have practical significance for the sustainable use of water resources.

runoff change; precipitation; human activity; Xiaoqing river upstream

2016-08-08

朱 琳(1992—)，女，山東師范大學地理與環境學院碩士研究生。

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1674-9944(2016)18-0147-06