洮兒河上中游區徑流變化及影響因素研究

朱立杰，陳 奎，徐 偉，方 樟

(1.河南省地質礦產勘查開發局測繪地理信息院，河南鄭州450006；2.吉林大學地下水資源與環境教育部重點實驗室，吉林長春130021)

0 引 言

河川徑流是人類賴以生存的自然資源，人文發展和社會進步都與此息息相關。因此，了解徑流變化的影響因素及其影響程度，對研究水資源的形成、發展和演化，以及水資源的合理開發和利用有至關重要的作用。影響徑流量的因素有很多，氣候變化是影響流域水文水資源的重要因子[1- 4]，而降水可直接影響徑流量的大小。近年來，隨著經濟社會的發展和人口的迅速增長，耕地面積不斷擴展，林地、草地和濕地面積大幅減少，工農業用水量急劇增加，導致水資源短缺、河道斷流、濕地萎縮、次生鹽漬化等問題層出不窮，人類活動對區域水資源的影響已日益嚴峻[5]。

本文以洮兒河上中游為研究區，利用Mann-Kendall秩次相關法、雙累積曲線法，分析洮兒河上中游區察爾森水庫和洮南水文站2個代表性站1961年～2010年的徑流變化趨勢，運用F檢驗法并通過2個代表性站50年天然徑流量和實測徑流量的對比，定量分析降水及人類活動對徑流變化的影響程度，為研究洮兒河流域徑流變化動因，以及流域水資源的可持續開發利用、生態環境綜合整治及社會經濟發展提供參考。

1 研究方法

1.1 流域概況

洮兒河是嫩江下游右側一級支流，發源于大興安嶺東麓高岳山，西部以大興安嶺為分水嶺，與哈拉哈河為鄰，北臨綽爾河流域，南臨霍林河流域，河流全長563 km，流域面積43 443 km2。流域自西北向東南傾斜，西北為山地，中部為丘陵，東南部為洪積平原，屬于北溫帶大陸性季風氣候區，年平均氣溫-2～5 ℃，年降水量350～400 mm，年蒸發量1 836～1 960 mm。

洮兒河上游內蒙古境內建有察爾森水庫，察爾森水庫以下流域有鎮西、洮南、三頂昭、黑帝廟等4處水文站。洮兒河流域以察爾森水庫和洮南水文站為界，分3個區段，察爾森水庫以上為上游區，察爾森水庫至洮南水文站為中游區，洮南水文站以下為下游區。

1.2 研究區確定

洮兒河流域中上游為我國東北典型生態敏感區域[6]，流域內察爾森水庫是用于灌溉發電的大型水庫，加之中游分布有大面積的灌區[7]，該區徑流的變化對人類的生產生活影響強烈。按照流域內測站點的分布，同時考慮流域的劃分，依據資料的精確性、觀測的持久性和系列的完整性，本文選取洮兒河上中游為研究區，采用具有代表性的察爾森水庫和洮南水文站1961年～2010年降水和徑流資料作為基礎數據，對影響洮兒河流域徑流量變化趨勢的主要因素進行分析。研究區概況見圖1。

圖1 研究區水系及水文站點位置概況

1.3 主要方法

1.3.1 Mann-Kendall秩次相關檢驗法

該法是提取序列變化趨勢的有效工具，被廣泛應用于氣象和水文序列的分析。該方法不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾[8]。設系列為x1，x2，…，xn，j≤n，且i≠j，檢驗統計量S公式為

式中，sgn()為符號函數。

有時候，我總覺得有些事情理應是與我無關的，直到后來事情發生了我才知道，所有與我有過一絲瓜葛的人，也許某一天的某一件事，就會與我有關，扯都扯不掉。

當xj-xi小于、等于或大于0時，sgn(xj-xi)分別為-1、0、1。當S大于、等于、小于0時，有

式中，Z為標準的正態統計變量。Z>0時，表示序列呈現增加趨勢；Z<0時，表示呈現減小趨勢。

1.3.2 雙累積曲線法

該法可用于檢驗2個變量間關系一致性及其變化，其實質就是在直角坐標系中繪制同一時期內2個序列變量的連續累加值。在相同時段內，若2個序列變量的累加值成正比，即2個變量的累積值為1條直線，其斜率為2個變量累積值對應點的比例常數；若序列變量累加關系線的斜率發生了明顯突變，則意味著外加因素使2個變量比例常數發生了改變[9]。

1.3.3 F檢驗法

用F檢驗X的總體方差DX是否等于Y的總體方差DY。假設DX=DY=σ2。根據統計理論，若X、Y為正態分布，當假設成立時，統計量服從第一自由度為n1-1、第二自由度為n2-1的F分布。預先給定置信度α，查F分布表，得Fα/2。若計算的F值小于Fα/2，則假設成立，反之假設不合理。

2 結果分析

2.1 趨勢分析

運用Mann-Kendall檢驗法，對察爾森水庫和洮南水文站降水徑流時間序列(1961年～2010年)進行趨勢分析，檢驗結果見表1。從表1可知，察爾森水庫和洮南水文站的降水量呈下降趨勢，但趨勢性并不顯著，因為2個代表站的降水量檢驗值Z均小于1.96(α=0.05的臨界值)。2個代表站的徑流量呈現下降趨勢，但僅察爾森水庫的徑流量呈現顯著下降趨勢，達到了95%的置信度，原因可能是中游區段有歸流河和蛟流河等河流匯入洮兒河，一定程度上補充了洮南水文站徑流量，弱化了徑流量的趨勢變化。

表1 降水徑流序列的Mann-Kendall檢驗結果

為進一步分析研究區徑流量的趨勢變化，本文還加入了統計量序列UF和UB的分析，2個代表站年徑流系列Mann-Kendall統計見圖2。從圖2可知，2個代表站徑流系列變化過程大體相同，1980年中期以前，徑流變化呈波動性減小，變化趨勢并不顯著；1980年中期至2000年初，徑流量呈趨勢性增加，但察爾森水庫的趨勢性并不顯著，洮南水文站在1992年～2000年呈現出檢驗值超過顯著性臨界值(1.96)的情況，即洮南水文站徑流量在此期間顯著上升；2000年以后，徑流序列趨勢又再次下降。總之，察爾森水庫和洮南水文站的徑流變化趨勢或多或少都有不同，原因是徑流量的趨勢變化不僅與大氣降水息息相關，人類活動對徑流趨勢的變化同樣產生了不可忽視的影響。綜上分析，研究區徑流序列趨勢變化的突變點在2000年附近。

圖2 年徑流系列Mann-Kendall統計

2.2 突變分析

降水-徑流雙累積曲線可以簡單且直觀地檢驗分析水文氣象要素一致性或長期性演變趨勢[11]，該法常用于分析水文氣象要素是否具有趨勢性變化和檢驗是否具有突變點。2個代表站降水-徑流雙累積曲線見圖3。從圖3可以看出，2個代表站在1998年出現明顯突變，降水-徑流累積曲線呈現2個具有明顯差異的階段性特征。1961年～1997年，降水-徑流雙累積曲線基本呈線性關系，說明該時期內研究區徑流量與降水量變化幅度基本相同，研究區徑流量基本不受人類活動的過度干擾，處于天然狀態，降水是影響徑流量的主要因子；1998年，洮兒河流域經歷特大洪水，徑流量明顯增加，曲線在1998年呈現明顯突變；1998年～2010年，2個代表站降水-徑流雙累積曲線斜率較1998年以前均明顯減小，發生明顯偏離，說明降水對研究區徑流量的影響力度逐漸減小，而人類活動對研究區徑流量有顯著趨勢性影響，且作用強度逐漸增大。

圖3 降水-徑流雙累積曲線

站名時段實測徑流量變化變化量/108m3比例%降水影響徑流量變化變化量/108m3比例%人類活動影響徑流量變化變化量/108m3比例%察爾森水庫1961年～1997年——————1998年～2000年3965115-088-2214484122142001年～2005年-482-6228-1954046-28759542006年～2010年-476-6147-0531107-42388931998年～2010年-277-3579-1164169-1625831洮南水文站1961年～1997年——————1998年～2000年146010086-001-0101461100102001年～2005年-960-6636-4714907-48950932006年～2010年-931-6432-3633895-56861051998年～2010年-391-2699-3218219-0701781

2.3 量化分析

利用水文法中的經驗公式法，定量分析降水和人類活動對徑流量的影響程度，先依據2個代表站突變年份前降水、徑流實測資料，建立降水-徑流線性回歸方程

R1=0.021 2P1-1.950 4

R2=0.047 2P2-4.227 6

式中，R為年徑流量；P為年降水量；1為察爾森水庫；2為洮南水文站。利用F檢驗法對上式進行回歸分析得到，察爾森水庫和洮南水文站降水-徑流回歸方程的方差檢驗值分別為F(0.05，1，35)=24.49和F(0.05，1，35)=15.55，均達到顯著性水平，表明上式可以作為預測和評估人類活動、降水對洮兒河流域徑流量的作用強度的依據。

根據上式，將突變前的實測徑流量作為背景值，計算突變年后不同時段的理論徑流量，此值相當于天然狀態下的徑流量。突變年后不同時段理論值與突變年前基準值的差即為降水對徑流變化的影響量，不同時段理論值與實測值之間的差即為人類活動對徑流變化的影響量。考慮到特殊年份(本文中為特大洪水年[12])對計算和分析結果準確性的影響，分析時將1998年～2000年單獨劃分為1個時段。2個代表站計算結果見表2。

從表2可以看出，2個代表站實測徑流量均有顯著的減小趨勢。察爾森水庫2006年～2010年的徑流量是1961年～1997年年平均徑流量的38.50%，不同時期降水及人類活動對徑流量的影響程度不同；降水對徑流量的影響程度呈現減小趨勢，人為因素影響程度呈顯著上升趨勢，2006年～2010年，人類活動對徑流的影響量最大，占到了88.93%，約為同一時期降水影響百分比的8倍；從突變年份前后2個時段來看，1986年～2010年的年均徑流量較之前減少2.77億m3，人類活動對徑流量的影響比例為58.31%，降水的影響比例為41.69%。

洮南水文站2006年～2010年的徑流量約占1961年～1997年年均徑流量的35.66%，2006年～2010年年徑流量的減小受人為影響的比例為61.05%，約為降水影響的2倍；突變年前后2個時段徑流量對比， 1998年～010年的年均徑流量減少3.91億m3，人類活動對徑流量的影響比例為17.81%，降水的影響比例為82.19%。

結合實際分析，研究區自1998年以后興建并運行各種水利設施并擴大灌區，人類的用水需求也隨之增大，且察爾森水庫自2000年以后一直以灌溉為主，故而人為因素對徑流變化的影響程度自1998年以后顯著增加。從上述分析結果得出，人類活動對察爾森水庫徑流量的影響程度比對洮南水文站大，分析原因為研究區中游區段的支流匯入，在一定程度上彌補了洮兒河干流中游區段的徑流量的損失，使得人類活動對洮南水文站徑流量的影響不顯著。

3 結 語

本文采用Mann-Kendall秩次相關檢驗法、雙累積曲線法和F檢驗法，對察爾森水庫和洮南水文站1961年～2010年降水量和徑流量進行分析，得出以下結論：

(1)1961年～2010年，研究區降水量呈不顯著下降趨勢，徑流量呈下降趨勢，且察爾森水庫徑流的下降趨勢顯著。徑流序列趨勢變化的突變點在2000年附近。

(2)研究區徑流量于1998年出現顯著變化。1998年前，降水量和徑流量基本呈線性相關，說明該時期研究區基本處于天然狀態，降水量的多少直接影響研究區徑流量的變化，人為因素影響較小；1998年，由于特大洪水，研究區徑流量突變性增大，降水-徑流雙累積曲線發生明顯偏離；1998年后，降水對研究區徑流變化作用減小，人類活動對徑流量的影響逐漸增加。

(3)人類活動對徑流量，尤其是對察爾森水庫的影響作用較1998年之前增大，且隨著時間的推移有增強的趨勢。反之，降水對徑流量的影響較1998年以前有所減小，且隨著時間的推移有減小的趨勢。自突變年以后，徑流量整體上呈逐漸減小的趨勢。

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