祁連山主要河流出山徑流序列水文變異研究

張德棟，趙 清

(甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000)

1 概況

祁連山甘肅轄區分為疏勒河、黑河和石羊河三大水系。按年徑流劃分，年徑流量在300萬m3以上的主要河流有58條，其中年徑流量在10億m3以上的河流有2條，依次為黑河、昌馬河；年徑流量在1.0～10億m3之間的河流有13條；年徑流量在0.1～1.0億m3之間的河流有25條，年徑流量在0.03～0.10億m3之間的河流有18條[1]。水文部門監測的主要河流基本情況見表1。

表1 甘肅轄區水文部門監測河流基本情況統計表 單位：億m3

2 主要河流徑流過程變異分析

2.1徑流過程概況

將祁連山出山水量較多且有水文監測的疏勒河、黨河、討賴河、洪水河(酒泉)、黑河、梨園河、洪水河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營河、東大河、西大河等13條河流作為研究對象，按照2017年國家啟動的第三次水資源調查評價1956～2000年、1956～2016年、1980～2016年、2001～2016年不同系列劃分統計分析發現，2000年以來出山徑流較二次評價系列(1956～2000)除黃羊河、金塔河小幅減少外，其余河流均呈增加趨勢。統計主要河流多年均值變化情況見表2。

2.2 徑流變異分析

根據表2統計結果，可將祁連山自西向東的疏勒河、黑河干流、雜木河作為西段、中段、東段的代表性河流。在此基礎上首先按照全國第三次水資源評價徑流確定的徑流序列對三個區段代表性河流進行徑流序列均值對比分析，然后采用M-K對三個區段代表性河流1956～2016年共計61年的長序列徑流系列進行趨勢檢驗，最后探討研究祁連山不同區段河流徑流序列變異情況。[2]

2.2.1 不同系列的比較

經過分析研究西段疏勒河2000年以前年徑流量呈穩定波動情勢，1980～2016年、2001～2016年與多年值相差較遠，徑流序列發生突變增加，尤其是2001～2016年大幅增加；中段黑河與西段總體趨勢一致，但2001～2016年徑流量增幅較小；東段雜木河總體呈穩定波動情勢，1980～2016年小幅減少，2001～2016年小幅增加[3]。代表性河流的徑流過程線如圖1～3所示。

表2 祁連山主要河流徑流情況統計表 單位：億m3

圖1 祁連山西段疏勒河出山徑流過程線圖

圖2 祁連山中段黑河出山徑流過程線圖

圖3 祁連山東段雜木河出山徑流過程線圖

2.2.2 M-K趨勢檢驗

(1)趨勢檢驗方法

Mann-Kendall統計檢驗方法是一種非參數統計檢驗方法。非參數檢驗方法亦稱無分布檢驗，其優點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，更適用于類型變量和順序變量，計算也比較簡便。由于最初由Mann和Kendall提出了原理并發展了這一方法，故成其為Mann-Kendall統計檢驗法。

對于具有n個樣本量的時間序列x，構造一秩序列：

(1)

可見，秩序列Sk是第i時刻大于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：

(2)

式中，UF1=0；E(Sk)、Var(Sk)—累計數Sk的均值和方差，在x1，x2…xn相互獨立，且有相同連續分布時，它們可由下式算出：

(3)

(4)

式中，UFi—標準正態分布，它是按時間序列x順序x1，x2…xn計算出的統計量序列，給定顯著性水平α，查正態分布表，若|UFi|>Uα，則表明序列存在明顯的變化。

按時間序列x逆序xn，xn-1…x1，再重復上述過程，同時使UBk=-UFk，k=n，n-1，…1，UB1=0。

分析給出UFk和UBk曲線圖。若UFk或UBk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。若超過顯著性α=0.05的臨界值，則說明發生突變的機率很大[4]。

(2)檢驗結果

通過對疏勒河、黑河、雜木河M-K趨勢檢驗，發現均發生超過顯著性檢驗α=0.05的臨界值1.96，因此徑流序列有變異情況發生[5]。其中：西段疏勒河2000年以前M-K值平穩波動，之后由2.21增加至5.36，突破臨界值且年均增加0.19。中段黑河1974年之前M-K值平穩波動，1975～1990年持續增加至2.00，突破臨界值；1991～2006年平穩波動；2007～2016年由2.26增加至4.26，突破臨界值且年均增加0.20。東段雜木河1966年之前M-K值持續減小，但未突破臨界值；1967～1994年平穩波動；1995～2002年突破臨界值，呈減小情勢；2003～2016年突破臨界值，呈增加情勢。代表性河流M-K趨勢檢驗結果如圖4～6所示。

圖4 祁連山西段疏勒河出山徑流M-K檢驗過程線圖

圖5 祁連山中段黑河出山徑流M-K檢驗過程線圖

圖6 祁連山中段雜木河出山徑流M-K檢驗過程線圖

3 結語

祁連山甘肅轄區主要河流是河西走廊經濟社會賴以發展的水源，探討研究主要河流在區段、時段、演變過程的徑流變異特點，不僅對祁連山區生態保護和修復及河西走廊平原區水資源合理開發利用具有重要意義，還對涉及河流的水資源規劃編制、建設項目水資源論證審批，生態流量下泄指標確定、用水總量和用水效率控制控制指標確定等水資源管理工作具有直接指導作用。同時，研究得到的主要河流徑流的水文變異成果，對于水資源評價工作的徑流還原和一致性修正具有參考價值。研究僅從徑流入手，為了全面認識祁連山區的水文水資源的變化情況，應該深入研究主要河流的降水徑流關系和氣候變化和人類活動對徑流的影響。