大通河流域近60年徑流變化特征和趨勢分析

王大超，杜麗芳，路 賀，史偉明，張 鈺

（蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，甘肅蘭州 730000）

1 研究背景

20世紀(jì)80年代以來，由于人類活動(dòng)和氣候變化的影響，水資源問題日益突出。中國水資源時(shí)空分布不均衡，西北地區(qū)水資源較為缺乏。河川徑流決定了地表水資源的數(shù)量，是最易開發(fā)利用的水資源［1］。河流取水、水庫蓄水、跨流域調(diào)水等人類活動(dòng)和全球氣溫升高、降水量變化等氣候變化，會影響流域徑流的時(shí)空分布規(guī)律，也使得流域水文要素序列產(chǎn)生一定程度的變異［2-3］；導(dǎo)致流域水文特征頻率不一致和時(shí)空不對應(yīng)，水文規(guī)律失真，使水文水利計(jì)算和水資源分析評價(jià)的成果出現(xiàn)偏差［4］。

大通河是西北地區(qū)少有水資源豐富的河流，水資源總量達(dá)28.95億m3，目前流域開發(fā)利用方式主要是建設(shè)梯級水電站和跨流域調(diào)水。研究表明，1990年以來大通河流域開發(fā)利用主要對生態(tài)環(huán)境和水文過程造成了負(fù)面影響［5］，流域自上至下影響程度逐漸遞增［6］；近20 a來該流域徑流時(shí)空分布規(guī)律發(fā)生了變化［7］；梯級電站建設(shè)對流域洪水過程影響較大［6］，外調(diào)水工程直接導(dǎo)致上游尕大灘水文站徑流減少［8］，下游享堂水文站徑流量也呈現(xiàn)遞減趨勢［9］，流域徑流深總體表現(xiàn)為減少趨勢［8］。

分析大通河流域徑流變化規(guī)律和趨勢，對其流域水資源開發(fā)利用和區(qū)域水利規(guī)劃具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前關(guān)于大通河干流徑流特征的已有研究中，未對整個(gè)干流進(jìn)行全面分析，因此本文選用該河干流天堂和享堂水文站1956～2015年60 a長系列天然徑流資料，采用滑動(dòng)平均法、累計(jì)距平、M-K檢驗(yàn)和Morlet小波分析等方法，分析了該河干流徑流的年內(nèi)年際變化、周期、突變特征和趨勢。

2 大通河概況

大通河是湟水一級支流，位于甘肅省和青海省境內(nèi)，在上游祁連和剛察縣稱默勒河，在中游門源縣名為浩門河。大通河流域海拔介于1 700～5 000 m，呈西北—東南走向，集水面積15 130 km2，其中青海省內(nèi)12 943 km2。大通河發(fā)源于天峻縣托勒山的木里山泉，流經(jīng)青海省祁連、剛察、海晏、門源、互助縣和甘肅省天祝、永登縣，入河口位于青海省民和縣享堂鎮(zhèn)，河流全長560 km，河道比降5.67%。以尕大灘站、天堂站和享堂站為控制站點(diǎn)（見表1），可將大通河流域劃分為上、中、下游（見圖1）。

大通河流域主要為大陸性高寒半濕潤山地氣候，徑流以大氣降水和冰川消融為主要補(bǔ)給來源，年平均氣溫約-4℃～-1℃，年平均降水量約400～600 mm，降水主要集中在5～10月，平均年徑流量27.7億m3（1956～2015年）。大通河流域水利工程開發(fā)較晚，從1958年就開始“引大入秦”工程的規(guī)劃勘察，到1985年開始實(shí)施水電站規(guī)劃建設(shè)［10］，至2015年已建成梯級電站42座，規(guī)劃了6處跨流域調(diào)水工程，已建成或正在建設(shè)“引大入秦”“引大濟(jì)湟”“引硫濟(jì)金”和“引大濟(jì)西”［5］，后期擬建的有“引大濟(jì)黑”和“引大濟(jì)湖”調(diào)水工程［11］。

表1 大通河流域上、中、下游水文站信息

圖1 大通河流域控制水文站分布

3 研究資料與方法

3.1 研究資料

本次主要研究大通河流域的水文特征，根據(jù)水文站控制情況，從甘肅省水文水資源局和黃河上游局收集到大通河干流中游天堂水文站、下游享堂水文站1956～2015年的長系列實(shí)測徑流資料，經(jīng)檢驗(yàn)，資料代表性和可靠性良好。

3.2 研究方法

3.2.1 年際變化和趨勢性分析方法

本文采用線性傾向分析法、滑動(dòng)平均法和距平累計(jì)曲線法來分析大通河徑流量年際趨勢性變化。線性傾向分析法在水文氣象趨勢分析中比較常用，數(shù)理統(tǒng)計(jì)中通過線性回歸方程來確定自變量和因變量之間關(guān)系［12］。滑動(dòng)平均法是序列經(jīng)過滑動(dòng)平均后削弱序列中的短周期，有效修正差異較大值引起的誤差，滑動(dòng)均值隨時(shí)間的變化可以反映序列的變化趨勢［13］。距平累積曲線又稱為差積曲線，根據(jù)繪制出的曲線變化情形判斷顯著的持續(xù)性變化及趨向，可以大致判斷出序列突變的時(shí)間［14-15］。

3.2.2 小波分析方法

小波分析是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一門新興數(shù)學(xué)分支領(lǐng)域，適用性較好，對具有多個(gè)時(shí)間尺度變化和非平穩(wěn)變化特征的序列，能夠比較清楚地體現(xiàn)序列時(shí)域和頻域的局部變化特點(diǎn)［16］，是研究水文特征的較為可靠的方法之一。本文選用常用的非正交小波——Morlet小波對大通河流域年徑流進(jìn)行周期性分析，對序列連續(xù)進(jìn)行小波變換可以得出小波變換系數(shù)，進(jìn)而繪制出小波分析等值線圖，從中識別水文序列在時(shí)間上的周期性特征［17］；通過繪制小波方差圖進(jìn)行檢驗(yàn)并識別徑流序列主周期，小波方差圖上波峰對應(yīng)尺度為主周期。

3.2.3 Mann-Kendall方法

Mann-Kendall（M-K）秩次檢驗(yàn)是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，對類型變量和順序變量具有較強(qiáng)的適用性和檢驗(yàn)?zāi)芰Γ梢詸z測徑流時(shí)間序列的變化趨勢，以及確定趨勢起始位置，指出突變區(qū)域［18-19］。M-K檢驗(yàn)一般取顯著性水平α=0.05，臨界值U0.05=±1.96，比較計(jì)算徑流時(shí)間序列UF和UB值的正負(fù)情況，得知序列呈現(xiàn)上升或下降趨勢［20］。當(dāng)UF和UB曲線超過臨界線時(shí)，表明趨勢顯著；通過分析統(tǒng)計(jì)序列構(gòu)成UF和UB的兩條曲線的交點(diǎn)是否位于臨界線之間，判斷變異是否存在，突變開始的時(shí)間就是交點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)刻。

圖2 1956～2015年天堂站、享堂站徑流量月平均分配曲線

4 結(jié)果與分析

4.1 年內(nèi)徑流變化特征

大通河流域徑流主要補(bǔ)給來源是大氣降水，以降雨補(bǔ)給為主，融雪補(bǔ)給為輔。從大通河干流天堂站、享堂站徑流年內(nèi)分配曲線（見圖2）可以看出，兩站的年內(nèi)徑流量分配規(guī)律基本一致，各季節(jié)徑流量大小關(guān)系都呈現(xiàn)為：夏季>秋季>春季>冬季。大通河徑流年內(nèi)分配極不均勻，受夏季和秋季降雨影響，汛期徑流主要集中在5～10月，這6個(gè)月徑流量總量占全年流量的比例約82%，11月至次年4月的徑流量總量僅占全年流量的約18%。

4.2 年際徑流變化特征和趨勢分析

根據(jù)天堂、享堂站1956～2015年徑流資料，計(jì)算得到兩站多年平均徑流量分別為24.75億m3、27.41億m3；在1989年天堂和享堂站都出現(xiàn)最大年徑流量，分別為40.04億、50.19億m3；天堂、享堂站最小年徑流量分別為12.68億（1973年），13.22億m3（2004年）；兩站年徑流量極值比分別為3.19，3.80，變差系數(shù)Cv值較為接近，分別為0.30，0.31，流域年徑流量序列變化較大。

20世紀(jì)90年代，大通河流域開始水利工程開發(fā)，主要在天堂站和享堂站之間。1956～1990年，大通河天堂站和享堂站多年平均徑流量分別為23.66億，29.21億m3，90年代以后兩站多年平均徑流量為24.90億，25.05億m3，天堂站多年平均徑流量相對增加了5.24%，而享堂站多年平均徑流量相對減少了14.24%。繪制大通河干流天堂站、享堂站年徑流過程及趨勢線，由圖3可知，天堂站徑流趨勢線斜率k1為0.053 9，享堂站徑流趨勢線斜率k2為-0.094 5，表明大通河上中游徑流量60 a來呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢，而下游徑流量出現(xiàn)衰減的趨勢。

圖3 1956～2015年大通河流域天堂站、享堂站年徑流趨勢和5 a滑動(dòng)曲線

由圖3天堂和享堂水文站年徑流5 a滑動(dòng)曲線可以看出，1995年以前大通河流域中游和下游年徑流量豐枯水年對應(yīng)，變化趨勢基本一致，1956～1980年和1990～1995年徑流量總體呈現(xiàn)減少趨勢，1981～1989年呈現(xiàn)增加趨勢；1995年以后，天堂站1996～2012年徑流量總體呈現(xiàn)增加趨勢，而享堂站年徑流量呈現(xiàn)明顯的減少趨勢。近20 a來下游影響徑流變化的因素較多，享堂站年徑流過程線比天堂站年徑流過程線變化更加劇烈。

采用累積距平法繪制近60 a來大通河干流天堂站和享堂站逐年徑流距平累計(jì)曲線，見圖4。由圖4可知，天堂站和享堂站變化趨勢差異較大，根據(jù)天堂站逐年徑流距平累計(jì)曲線，1956～1961年大通河中上游流域累計(jì)距平值持續(xù)增加，表明該時(shí)段距平值持續(xù)為正，處于豐水期；1962～1982年呈減小趨勢，處于枯水期；1982～1990年徑流量不斷增加，處于豐水期；1991～2004年，徑流量波動(dòng)頻繁；2005～2013年徑流量不斷增加，處于豐水期；2014～2015年徑流量減少，處于枯水期。

根據(jù)享堂站逐年徑流距平累計(jì)曲線可知，1956～1968年處于豐水期；1969～1980年徑流量波動(dòng)頻繁，呈減小趨勢；1981～1990年徑流量又不斷增加，處于豐水期；1991年開始累計(jì)距平值呈減小趨勢，表明該時(shí)段距平值持續(xù)為負(fù)，處于枯水期。

圖4 1956～2015年大通河流域天堂站、享堂站年徑流序列標(biāo)準(zhǔn)距平累計(jì)曲線

4.3 大通河干流年徑流周期變化

對天堂、享堂水文站年徑流序列采用Morlet小波分析法進(jìn)行周期性分析并通過小波方差檢驗(yàn)，小波分析結(jié)果如圖5所示。大通河干流天堂站年徑流量存在3，7 a及25 a左右的振蕩周期，徑流序列最大峰值均出現(xiàn)在25 a，表明25 a的周期振蕩最強(qiáng)，是徑流量序列的第一主周期；7 a和3 a時(shí)間尺度分別為徑流量變化的第二和第三主周期。在25 a時(shí)間尺度的情況下，正負(fù)相位交替明顯，經(jīng)歷了“豐—枯—豐—枯—豐”5個(gè)變化期，其中1956～1966年、1978～1990年、2004～2014年為正相位，為豐水年；1967～1977年、1991～2003年為負(fù)相位，為枯水年。在7 a時(shí)間尺度下，經(jīng)歷了8個(gè)“豐—枯”轉(zhuǎn)換期。根據(jù)上述分析可知：當(dāng)時(shí)間尺度不同，徑流量豐枯交替變化也會不同，徑流量周期變化以第一周期為主；徑流量等值線圖在2015年以后表現(xiàn)為負(fù)相位，且等值線顯示未封閉，表明研究區(qū)徑流量將繼續(xù)減少；按照25 a的第一主周期特征推算，年徑流量到2028年左右將持續(xù)呈現(xiàn)減少趨勢。

在大通河下游享堂站年徑流周期性分析圖中，大通河下游享堂站存在3，6 a及30 a左右的振蕩周期，在30 a時(shí)間尺度上經(jīng)歷了“豐—枯—豐—枯—豐”5個(gè)變化期，1956～1965年、1981～1996年和2012～2015 年為偏多期，為豐水年；1966～1980年和1997～2011年為偏少期，為枯水年。下游徑流變化主周期大于上游，小周期轉(zhuǎn)換要比上游頻繁，大通河上下游徑流量變化周期年份對應(yīng)關(guān)系不好，可能與流域徑流補(bǔ)給形式、水資源開發(fā)程度和調(diào)蓄能力有關(guān)，需要進(jìn)一步研究這種情況的影響因素。

圖5 大通河流域天堂站、享堂站年徑流量小波分析和小波方差

4.4 大通河干流年徑流突變性分析

運(yùn)用M-K檢驗(yàn)法對大通河干流天堂站、享堂站年徑流序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)，假定年徑流變化穩(wěn)定、時(shí)間序列相互獨(dú)立而且保持相同連續(xù)分布，取顯著性水平α=0.05，臨界值U0.05=±1.96，天堂、享堂水文站年徑流突變分析見圖6。根據(jù)圖6可知天堂、享堂兩站年徑流量變化趨勢為：1990年以前基本一致；1956～1960年UF>0，年徑流量上升；1962～1987年UF＜0，年徑流量下降。天堂水文站年徑流統(tǒng)計(jì)量曲線UF、UB交點(diǎn)在置信區(qū)間里面，突變發(fā)生在1989年左右；1988～2015年UF>0，年徑流量上升趨勢，其中2011～2015年顯著上升。享堂水文站UF、UB曲線在1999年置信區(qū)間內(nèi)相交，表明享堂站徑流量在1999年發(fā)生突變；1996～2015年UF＜0，徑流量下降，其中2010～2015年呈顯著下降趨勢。

圖6 大通河流域天堂站、享堂站年徑流突變分析

5 結(jié)論

本次分析研究采用滑動(dòng)平均法、累計(jì)距平、小波分析法和M-K秩次檢驗(yàn)方法，系統(tǒng)分析大通河中游天堂水文站和下游享堂水文站年徑流變化特征和趨勢。結(jié)果表明：

（1）大通河流域中游和下游年徑流量變化在1956～1995年變化趨勢相似，豐枯水年基本相對應(yīng)；1995～2015年兩站徑流變化趨勢相反。近60 a，中上游年徑流量總體呈上升趨勢，但增加趨勢不明顯，以0.053 9億m3/a的幅度增加；下游享堂站年徑流量存在明顯下降趨勢，以0.094 5億m3/a的幅度減少。

（2）采用Morlet小波分析對天堂站和享堂站1956～2015年年徑流量序列進(jìn)行周期性分析，結(jié)果表明天堂站年徑流存在3，7 a及25 a左右的振蕩周期，在25 a時(shí)間尺度上經(jīng)歷了“枯-豐-枯-豐-枯”5個(gè)循環(huán)交替；下游小周期的轉(zhuǎn)換要比上游頻繁，享堂站年徑流量存在3，6 a及30 a左右的振蕩周期。

（3）大通河天堂站和享堂站徑流變化1990年以前趨勢基本一致，中游天堂站年徑流量在1989年發(fā)生了突變，1989～2015年年徑流量呈現(xiàn)上升趨勢；而下游享堂站徑流在1999年發(fā)生突變，1996～2015年年徑流量呈現(xiàn)下降趨勢，2010年后顯著下降。