不同時間尺度涇河流域降水徑流關系研究

穆 鑫

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

在全球變化和人類活動影響背景下，流域水循環系統發生了巨大改變，降水徑流響應關系呈現出更為復雜的特性，洪水預報和水資源演變預測更為困難。變化環境下水文水資源響應，以及對水災害、水環境以及水循環的影響，這些都是區域水風險管理和安全評價等重大科學應用的需求和實踐基礎，也是當前全球研究水資源的前沿問題和核心科學內容[1～2]。

近幾十年來，中國黃土高原地區主要河流的徑流量明顯減少。已有研究表明，徑流減少的主要原因是土地利用變化和氣候波動[3]。降水是流域徑流的主要氣象因子，也是主要的來源，河川徑流的變化直接受到這一因素的營銷。在對氣象變化環境下分析流域徑流和區域用水安全受降水影響時，要對降水-徑流關系進行深入了解和定量評價，做好相關的預測和解釋。

涇河流域屬于半干旱半濕潤典型區，區域受自然條件影響，產流能力較弱，降水徑流系數相對較低，且降水徑流關系極不穩定，流域自身土壤、植被、降水時空分布差異較大，徑流變化的主要影響因素和過程存在很大的時空變異性。目前，在長期水文觀測資料的基礎上，針對涇河流域水文氣象要素和下墊面演變規律開展了一系列研究。從年、月不同尺度層面分析研究區域降水徑流關系演變特征。

1 研究區概況

發源于寧夏六盤山的涇河，跨越了寧、甘、陜三個省、自治區，是渭河的一級支流，黃河的二級支流，從陜西省高陵縣處于渭河匯合。涇河流域面積為45421 km2，全長455.1 km。張家山水文站為流域把口站（圖1），其控制流域面積為43216 km2，占流域總面積的95.15%。流域地處內陸，為典型溫帶大陸性氣候，降水由東南向西北遞減，且南北差距較大。流域內地勢西北高、東南低，總體是東北西三面向東南傾斜。

圖1 涇河流域張家山水文站與雨量站地理位置

2 資料與方法

2.1 資料選取

涇河流域地形地貌復雜，且下墊面條件空間分布差異較大，上、中、下游的植被、土壤、氣候以及不同的社會經濟條件，從流域徑流的主要影響過程和因素來看，存在許多差異；同時降水徑流關系在不同時間尺度也呈現不同特點。利用流域出口張家山站1956年～2010年徑流資料和降雨資料作為本文的基礎數據來展開相關探討。

2.2 研究方法

Mann-Kendall檢驗方法中所選取的樣本的分布規律沒有硬性要求，是一種非參數檢驗方法，樣本中的少數異常值也不會對結果造成影響，在水文變量分析中有著較好的適應性。

時間序列x的長度為n，通過Mann-Kendal檢驗時，首先構造一秩序列Sk：

在時間序列中，假設其具備隨機獨立特性，對統計量進行定義：

式中：UF1=0，E(sk)、Var(sk)分別為秩序列 sk的均值和方差，由下式計算：

標準正態分布，給定顯著性水平 α，若|UFk|＞Uα/2，這顯示了序列有顯著趨勢。在以上計算公式的基礎上，按逆序來排列時間序列：

UFk和UBk'能對時間序列突變點和趨勢進行有效識別。在UFk＞0的情況下，表現為上升趨勢；UFk＜0的情況下，序列表現為下降趨勢。UFk和UBk'如果存在曲線交點，其位置應該在臨界區間內，突變發生的時刻就是交點位置。

3 結果分析

3.1 年尺度降水徑流關系變化

張家山站多年徑流量為14.34億m3（1956年～2010年），總體呈現顯著減少趨勢，下降速率分別為8.9 mm/10 a（圖2）。用Mann-Kendall秩次相關檢驗法對張家山站徑流變化趨勢分析判斷，結果顯示：徑流量秩相關系數（-3.88）為0.01信度（2.58）的顯著性水平，從秩相關系數數值為負可以看到，凈流量會在時間的推移下顯著性減小。利用M-K方法進行突變檢驗，結果顯示：站點有明顯的突變點，突變發生在1997年，突變在0.05水平的置信區間；不同時間長度的資料計算結果是一致的[4]。

多年平均降水量為519 mm，呈現一定幅度的減少趨勢，多年平均降水變化率為-4.9 mm/10 a，并未通過顯著性檢驗，年降水量及徑流過程見圖2。由圖可知，1980年以后降水和徑流變化趨勢出現了改變，呈現明顯的不同步性，年徑流變化幅度顯著大于年降水量變化幅度。

圖2 張家山控制站點降水、徑流變化趨勢圖

圖3 張家山徑流量MK突變檢驗圖

選取張家山站1950年和2000年后年均降水量基本相同兩個年代的徑流特征分析，由圖3可以看出，盡管2000年后年均降水量高出多年平均值，其年均徑流深并未增加，反而比多年平均值下降50%，其年均徑流系數在所有年代中成為最低的。

3.2 月尺度上降水徑流變化

涇河流域徑流多分布在汛期。張家山（7月～10月）徑流量占全年比例為0.32～0.92，多年平均為0.63；非汛期（9月～次年6月）比例為0.08～0.68，多年平均為0.37。汛期徑流比例呈現增加的趨勢，非汛期比例呈現減少的趨勢，其中，汛期徑流量變化率為-3.18 mm/10 a；非汛期徑流量變化率-2.27 mm/10 a（圖4）。在年徑流量不斷減少的背景下，非汛期比例的減少增加了枯水期的缺水情況。

圖4 張家山汛期（7月～10月）和非汛期（11月～6月）徑流比例

與年尺度的降水徑流關系分析結果相似，降水過程和徑流變化明顯呈現不一致（圖5）。在枯水季，降水稀少，甚至觀測的月降水為0，但由于地下水或融雪補給，河道里觀測到的來水大于0，這使得月尺度的降水徑流關系比較差。因此，在討論月尺度降水徑流關系時，只討論汛期月降水徑流關系（7月～10月）。

圖5 張家山月降水徑流變化過程

圖6 張家山月降水徑流系數變化

由圖6可以分析得出：張家山站以上汛期多年平均月徑流系數為0.05，呈減少趨勢，1997年之后減少比率更大。1998年～2010年月徑流系數分別為0.03，低于多年平均值40%。

4 結論

利用涇河流域長序列水文氣象資料，采用Mann-Kendall進行突變點檢測，分析了流域過去近50年來降水、年徑流、場次洪水的變化過程，揭示了不同時間尺度上降水徑流關系演變特征。可得出以下結論：多年平均降水量均呈現一定幅度的減少趨勢，多年平均降水變化率為-4.9 mm/10 a。1980 s以后降水和徑流變化趨勢出現了改變，呈現明顯的不同步性，年徑流變化幅度顯著大于年降水量變化幅度。2000年后年均降水量高出多年平均值，其年均徑流深并未增加，其年均徑流系數在所有年代中成為最低的。汛期多年平均月徑流系數為0.05，呈減少趨勢，1997年之后減少比率更大。徑流的減少幅度要大于降水減少幅度。1998年～2010年月徑流系數分別為0.03，低于多年平均值40%。結果可為流域水資源規劃管理、水生態保護等提供理論支撐。