湟水干流近60年徑流變化特征分析

祁文燕， 錢 鞠， 葛 雷， 馬紅亮， 李勝雙， 陳建龍

(1.蘭州大學 資源環境學院， 甘肅 蘭州 730000; 2.黃河水資源保護科學研究院， 河南 鄭州 450004 )

1 研究背景

河川徑流作為維持區域生態環境及制約社會經濟可持續發展的重要因素，其演變過程及特征分析引起了國內外學者的密切關注，許多研究表明，受氣候變化和人類活動等因素影響，河川徑流演變過程及區域水循環過程出現明顯變化[1-3]。李春輝等[4]采用Mann-Kendall方法對黃河流域天然徑流量進行了趨勢性及持續性檢驗，結果表明黃河天然徑流量出現顯著性減少趨勢。孫永壽等[2]研究發現，近10年來青海三江源區徑流總體偏豐，年內分布較為均勻。湟水流域位于青海省東部，地處甘青兩省交界區，是黃河上游最大的一級支流，主要由湟水干流及其支流大通河組成。流域水資源量相對豐富，河谷深切，水流急、落差大、流量均勻、工程地質條件好，開發水能資源條件優越。流域水能資源開發已成為輻射和帶動當地經濟發展、農民脫貧致富的著力點和地方新的經濟增長點。隨著流域水資源開發利用率的逐步提高，水能資源開發力度的加大，土地退化、生物多樣性破壞、水環境惡化等生態環境問題日益呈現，逐步成為制約湟水流域經濟社會可持續發展的重要因素。赫曉慧等[5]、張調風等[6]分析了徑流對氣候變化和人類活動的響應，指出湟水徑流量總體呈減少趨勢且人類活動對徑流的減少起主導作用。徐曉梅等[7]統計分析了湟水流域干流降水、蒸發、徑流、泥沙在地區上的分布規律以及年內年際間的變化規律等。

分析湟水干流徑流變化規律及趨勢，對湟水流域水資源開發利用具有重要現實意義，目前關于湟水干流徑流特征的研究未對整個干流進行全面分析，因此本文選用湟水干流海晏、西寧和民和水文站1956-2015年60a長系列天然徑流基礎資料，采用累計距平、滑動平均、M-K秩次檢驗和小波分析等方法，對湟水干流徑流年內年際變化特征、趨勢、突變狀況及周期進行分析，旨在為湟水干流水資源持續開發利用提供科學參考。

2 研究區概況

湟水干流發源于青海省海晏縣大坂山南麓，自西向東流經青海省的海晏、湟源、湟中、西寧、大通、平安、互助、樂都、民和等縣(市)和甘肅省蘭州市紅古區、永靖縣，于永靖縣上車村匯入黃河(圖1)。流域位于東經100°42′～103°01′，北緯36°02′～37°28′之間，呈樹葉狀。干流全長374 km，流域面積17 733 km2，其中青海省境內16 120 km2，甘肅省境內1 613 km2[8-9]。湟水干流河川徑流年內分配變化較大。河川徑流主要集中于7-10月，這一時期徑流量占全年徑流量的50%左右，1-3月份徑流占全年徑流10%左右[10]。

圖1 湟水流域示意圖

3 數據來源及分析方法

3.1 數據來源

根據水文站控制情況，本文選取上游海晏、中游西寧、下游民和水文站作為湟水干流水文分析計算的代表站，采用各水文站1956-2015年60 a長系列天然徑流資料進行分析預測。資料具有良好的代表性和可靠性。

3.2 分析方法

3.2.1 基于Mann-Kendall的突變檢驗 Mann-Kendall 檢驗法是一種非參數檢驗方法，可分析長時間序列的趨勢與突變，有樣本不必遵從某一特定分布、結果不受少數異常值干擾的優點[11-12]。使用Mann-Kendal檢驗序列突變時，將n個樣本量xi(i= 1,2,...,n)構成一秩序列：

(1)

式中：當xi>xj時，aij=1；當xi≤xj時，aij=0(j=1,2,...,i)。

定義統計量：

UFk=[Sk-E(Sk)]/[Var(Sk)]

(2)

(k=1,2,…,n)

式中：E(Sk)=n(n-1)/4； Var(Sk)=n(n-1) (2n+5)/72；UFk是根據時間序列xi計算出的統計序列，為標準正態分布，UF1=0。再按照時間序列逆序xn，xn-1，…，x1，重復上述步驟，得UBk統計序列，同時令UBk=-UBk(k=n,n-1,…,1)，UB1=0。給定顯著水平α，若︱UFi︱>Uα/2，則表明序列存在明顯的趨勢變化。通過分析統計序列UFk和UBk，可得到分析序列xi的變化趨勢和明確突變的起始時間。當UFk大于0時，序列呈上升趨勢，反之呈下降趨勢，若UFk超過臨界值時，則說明上升或下降的趨勢顯著。當UFk曲線與UBk曲線出現交點且交點在臨界值中間時，則交點所對應的時間即突變開始的時間。

3.2.2 基于小波分析的周期識別 小波分析方法是一種信號處理方法，具有時頻多分辨功能，能夠提取出徑流序列中反映其變化規律的成分[13-14]。因此，本文選用Morlet復小波對研究區徑流序列進行周期性分析。Morlet基本小波函數形式如下：

ψ(t)=exp(-t2/2)exp(iwt)

(3)

將基本小波函數 (t) 經過伸縮和平移得到一族函數：

(4)

式中：ψa,b(t)為分析小波或連接小波函數；a為尺度因子，反映頻域特性；b為時間因子，反映時域特性。將時間域上關于尺度a的所有小波系數的平方進行積分，即得到小波方差：

(5)

在一定尺度下，Var(a)表示時間序列中該尺度周期波動的強弱和能量的大小。

4 結果與分析

4.1 徑流年內變化特征分析

湟水干流徑流主要來源于大氣降水，其中以雨水補給為主，雪水補給為輔。圖2為湟水干流海晏站、西寧站、民和站徑流年內分配曲線。

圖2 湟水干流海晏站、西寧站、民和站徑流年內分配曲線

由圖2可知，湟水干流兼受上游冰雪融水和降雨補給影響，有春、夏兩個汛期，年徑流過程線呈雙峰。春汛主要集中在4月份，占全年徑流量的比例約為10%，夏汛主要集中在7-10月份，占全年徑流量的比例約為50%，最小流量出現在1-3月份。

湟水干流代表水文站徑流量各月分配比例如表1，由表1可知，徑流量年內分配極不均勻，徑流主要集中在7-10月份，占多年平均徑流量的40.2%～53.4%。各水文站徑流量季節分配規律基本一致，均為：夏季徑流量>秋季徑流量>春季徑流量 > 冬季徑流量。

4.2 徑流年際變化特征分析

4.2.1 徑流年際變化 海晏、西寧、民和站多年平均徑流量分別為1.27×108、13.23×108、20.86×108m3；3站年徑流量最大值出現在1989年，分別為2.28×108、25.29×108、34.47×108m3；海晏、西寧和民和站年徑流量最小值分別為0.78×108(1980年)、7.75×108(1973年)、12.65×108m3(1991年)。3站年徑流量極值比分別為2.92、3.26、2.72，變差系數CV分別為0.20、0.25、0.21，年徑流量序列離散程度較小。

4.2.2 徑流趨勢變化 采用累積距平法繪制近60年來湟水干流逐年徑流距平累計曲線[15-17]，見圖3。由圖3可知，海晏、西寧、民和3站變化趨勢基本一致，1956-1968年，累計距平值持續增加，表明時段距平值持續為正，處于豐水期；1969年開始累計距平值呈減小趨勢，表明時段距平值持續為負，處于枯水期；1982-1990年徑流量又不斷增加，處于豐水期；1991-2004年，徑流量波動頻繁，呈下降趨勢；2005-2015年徑流量又不斷增加，處于豐水期。

表1 湟水干流海晏站、西寧站、民和站各月平均徑流量占多年平均徑流量的百分比 %

圖3 1956-2015年湟水干流海晏站、西寧站、民和站年徑流序列累計距平曲線

對3站年徑流量序列進行5年滑動平均處理，并繪制滑動平均值過程線[18-19]，結果如圖4所示。由圖4可知3站變化趨勢基本相似，1956-1971年年徑流量呈增加趨勢，1972-1982年呈減少趨勢，1983-1992年呈增加趨勢，1992-2015年年徑流量變化不大。海晏、西寧、民和3站分別以0.0011×108m3/a(線性方程y= 0.0011x-0.9152，R2= 0.0058，其中y為年徑流量，x為年份，下同)、0.0247×108m3/a(線性方程y=0.0247x-35.803,R2=0.0167)和0.012×108m3/a(線性方程y=0.012x-3.054,R2=0.0022)的幅度增加。總體上，流域年徑流量呈增加趨勢，但趨勢不明顯。由于相關系數較小，在統計意義上不顯著，因此對3站年徑流量進行突變及周期性分析。

4.2.3 徑流突變分析 運用Mann-Kendall 檢驗法對湟水干流年徑流量進行突變檢驗，假定徑流變化穩定、時間序列相互獨立且保持相同連續分布，給定顯著水平α=0.05，通過正態分布表得臨界值u0.05=±1.96，得湟水干流海晏站、西寧站、民和站年徑流突變分析圖如圖5所示。從圖5可以看出，海晏、西寧、民和3站年徑流量變化趨勢基本一致，突變發生在1960年左右，之后徑流量呈下降趨勢；海晏、西寧兩站2010年左右出現突變，徑流量呈增加趨勢，增加趨勢不明顯。民和站2003年左右出現突變，徑流量呈增加趨勢，增加趨勢不明顯。結果與5年滑動平均基本一致。

圖4 1956-2015年湟水干流海晏站、西寧站、民和站年徑流序列5年滑動平均值過程線

圖5 湟水干流海晏站、西寧站、民和站年徑流突變分析

4.2.4 徑流周期分析 采用Morlet小波分析對3站1956-2015年年徑流量序列進行周期性分析,通過小波方差檢驗，湟水干流年徑流量存在3、9及25 a左右的振蕩周期，3站徑流序列最大峰值均出現在25 a左右，表明25 a左右的周期振蕩最強，為徑流量序列的第一主周期；9、3 a時間尺度為徑流量變化的第二和第三主周期，小波變換時頻分布結果如圖6所示。

圖6 湟水干流海晏站、西寧站、民和站年徑流周期性分析

流域海晏、西寧、民和3站周期性變化特征基本一致，在25 a時間尺度下，正負相位震蕩變化最明顯，經歷了“豐一枯一豐一枯一豐”5個循環交替，其中1956-1965年、1983-1992年、2005-2015年為正相位，為豐水年；1966-1982、1993-2004為負相位，為枯水年。在9 a時間尺度下，經歷了3個“豐一枯”轉換期。根據上述分析，不同時間尺度下的徑流量豐枯交替變化不同，徑流量周期變化以第一周期為主，第二周期為輔。截至2015年，徑流量等值線均未封閉，表明研究區徑流量仍將繼續增加。按照最強震蕩尺度25 a的周期特征推算，徑流量增加趨勢將持續到2025年左右，在9 a時間尺度下，2016-2025年年徑流量將呈減少趨勢。

5 結 論

本文采用累計距平、滑動平均、小波分析法和M-K秩次檢驗方法，對湟水干流海晏、西寧、民和水文站1956-2015年60 a長系列實測年徑流資料進行了分析，結果表明：

(1)湟水干流徑流年際變化波動明顯，經歷了“豐—枯—豐—枯—豐”5個循環交替，目前處于豐水期。

(2)海晏、西寧、民和3站徑流突變點都出現在1960s初，之后徑流量呈下降趨勢；海晏、西寧兩站2010年左右出現突變、民和站2003年左右出現突變，徑流量呈增加趨勢，增加趨勢不明顯，湟水干流徑流量總體呈上升降趨勢。海晏、西寧、民和3站分別以0.0011×108、0.0247×108、0.0120×108m3/a的幅度增加，變化趨勢不明顯。

(3)采用Morlet小波分析對3站1956-2015年年徑流量序列進行周期性分析，結果表明湟水干流徑流量存在3、9及25 a左右的振蕩周期，其中25 a時間尺度為第一主周期，控制著湟水干流徑流量主要周期演變情況。按照最強震蕩尺度25 a的周期特征推算，徑流量增加趨勢將持續到2025年左右，在9 a時間尺度下，2016-2025年年徑流量將呈減少趨勢。