湯河流域降水徑流變化趨勢分析

呂樂婷, 韓月馳, 高曉琴

(遼寧師范大學 地理科學學院，遼寧 大連 116029)

降水徑流關系及變化趨勢是國內外水文學界的研究熱點[1-3].降水能夠引起洪澇和干旱等災害，是徑流的主要補給來源之一，徑流則因氣候條件、流域下墊面綜合作用而變化，此外人類活動影響著降水徑流在機理上的線性變化關系[4]，所以降水徑流演變過程存在規律性，同時也存在隨機性.近幾十年來，人類活動的加劇、科學技術的發展、水庫等工程的建立，使得各流域的水量調控發生了良好的改變，洪澇干旱等自然災害得到有效控制，但全球變暖等問題也日益加重，因此探明受人類活動影響的降水徑流關系意義重大.

目前關于降水徑流變化規律的研究較多，如劉錦繡等[5]對近56 a的降水量數據進行分析，發現全球陸地降水量和年降水量呈顯著減少的趨勢；烏仁娜[6]對新疆艾比湖的降水徑流變化特征分析，發現該區域近55 a來降水增加，徑流則無明顯上升趨勢，水資源的利用日益合理；李鎖鎖等[7]利用南水北調西線一期工程引水區和黃河上游地區近40 a的降水和徑流觀測資料，計算獲得降水徑流相關系數達到0.80；Durowoju O S等[8]對Lagos地區的降水徑流變化規律及關系進行研究，從而為該地區的可持續發展提供了方案，以創建彈性和生態友好的城市.上述研究探討降水徑流年際及年內變化趨勢的同時，也關注了人類活動對降水徑流的影響，為合理調控水資源提供一定理論依據.

湯河是遼寧太子河24條主要支流中最大的一支，其流域內的湯河水庫是太子河流域主要控制性工程之一，提供防洪、供水等功能服務，擔負著遼陽、鞍山兩大城市的飲用水的供應任務[9].目前對于湯河流域降水徑流的研究較少.本研究對湯河流域降水徑流的年際、年內變化趨勢、兩者相互關系以及降水空間分布特征進行了探索，結果可為湯河流域的水資源管理、調控及可持續發展提供科學依據.

1 研究區概況

湯河位于我國遼寧省遼陽市弓長嶺區，是太子河最大的支流.湯河上游分東西兩大支流，在湯河水庫匯流后，經安平、耿家屯，于小屯鎮西雙廟村匯入太子河，河長90.7 km，流域面積1 466 km2(圖1).湯河流域屬溫帶季風性氣候區，氣溫約-17～29 ℃，年降水量約710 mm.其中，湯河水庫位于其干流上，是一座以防洪、供水為主，兼顧灌溉、養魚、發電等綜合利用的大(Ⅱ)型水利樞紐工程.總庫容達到7.23億m3，是太子河流域主要控制性工程之一[10].

圖1 研究區概況

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

選取湯河流域內7個雨量站：二道河子、郝家店、紅花溝門、隆昌、算盤峪(上麻屯)、吉洞峪、韓家村的月降水數據，及二道河子、郝家店的月徑流數據對流域降雨徑流時空變化進行分析.數據來源于地區水文年鑒及遼寧省水文年鑒.

2.2 研究方法

2.2.1 趨勢及相關性分析

采用線性傾向法[11]、滑動平均法以及累積距平法[12-14]，對湯河流域45 a間的降水徑流的變化趨勢進行分析；利用相關分析法對流域年際、年內降水與徑流關系進行分析.

2.2.2 突變分析

采用M-K突變檢驗法檢驗湯河流域降水、徑流的突變年份，并結合累積距平法對突變年份進行確認[15].M-K非參數檢驗法具有檢測范圍寬、定量化程度高的特點，對檢測時間序列變化單調趨勢以及突變點大體位置具有一定有效性，目前該方法在氣象、水文等領域廣泛應用[16-20].該方法通過構造一秩序列：

(1)

其中，

(2)

定義統計變量：

(3)

式中:

E(Sk)=k(K+1)/4,

(4)

Vαr(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72.

(5)

UFk為標準正態分布，給定顯著性水平α，若|UFk|>Uα/2，則表明序列存在明顯的趨勢變化，將時間序列x按逆序排列，再按照上式計算，同時使

(6)

通過分析統計序列UFk和UBk可以進一步分析序列x的趨勢變化，而且可以明確突變的時間，指出突變的區域.若UFk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.如果UFk和UBk這兩條曲線出現交點，且交點再臨界直線之間，那么交點對應的時刻就是突變開始的時刻[21].

2.2.3 不均勻系數

(7)

Pk=max {Pj,j=1,2,…,k},

(8)

(9)

3 結果與分析

3.1 湯河流域降水與徑流變化趨勢

3.1.1 湯河流域45 a年際變化

45 a來，湯河流域年均降水量為709.66 mm，年均徑流量為1 232.13億m3，流域多年降水量、徑流量變化趨勢如圖2所示.可見，年降水量和年徑流量在45 a間年際變化顯著，兩者的最小值均出現在1989年，其值分別為497.70 mm，388.05億m3；兩者最大值分別出現在2012年、1986年，其值分別為1 087.33 mm、3 224.97億m3.45 a來，流域降水量有輕微下降趨勢，其速率為11.48 mm/(10 a)，年徑流量也呈輕微下降趨勢，速率為45.26 m3/(10 a)，但兩者皆未達顯著性水平(P>0.05)，從年降水量與年徑流量的滑動平均值曲線可以看出，兩者變化趨勢十分相似.

圖2 降水徑流線性變化趨勢及滑動平均法

由累積距平結果(圖3)可知，1970—2001年降水量的累積距平值為正，降水量較豐富，為多雨期，2002—2014年累積距平值為負，為少雨期.其中1972—1976、1983—1986、1989—1990、1994—1996、2010—2014累積距平呈上升趨勢，說明降水增加；相反地，1977—1980、1990—1993、1997—2000、2002—2009年累積距平為負，則說明降水減少；同時也可以看出，年降水量與年徑流量的累積距平值變化趨勢十分相似.

圖3 年降水和年徑流累積距平

根據M-K突變檢驗結果可知，年降水量在1976年，1984年，1987年，2012年和2013年存在交點(UF與UB相交)(圖4a)，年徑流量同樣在該5個年份存在交點(圖4b)，且均位于置信水平的區間內(P<0.05).為確定突變年份準確性，結合累積距平法結果檢驗M-K突變檢驗的年份.可見，圖4中UF與累積距平曲線(圖3)變化趨勢基本一致，且在1976年降水徑流累積距平曲線均出現由增加至減少的變化趨勢，證明了流域的降水和徑流在1976年發生了突變，這與1976年湯河所在的遼陽，氣溫驟降，且在1976年前后出現過暴雨與旱災相符.

圖4 降水a徑流b M-K檢驗

3.1.2 湯河流域降水徑流年內分配特征及變化趨勢

經統計，湯河流域45 a來春季(3—5月)平均降水量為109.10 mm，占45 a年均降水量的15.37%，夏季(6-8月)平均降水量為450.50 mm，占45 a年均降水量的63.48%，秋季(9—11月)平均降水量為17.59 mm，占45 a年均降水量的3.56%，冬季(12-次年2月)平均降水量為96.36 mm，占45 a年均降水量的13.58%.流域春、夏兩季降水量占全年降水量的比例在45 a間呈上升趨勢，上升速率分別為0.000 2%/a和0.001 7%/a(圖5a～圖5b)，秋、冬兩季降水量呈微弱下降趨勢，下降速率分別為0.001 6%/a和0.000 3%/a，但均未達到顯著性水平(圖5c～圖5d).

圖5 降水徑流春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和冬季(d)變化趨勢

在此影響之下，湯河流域45 a春季平均徑流量為168.63億m3，占45 a年均徑流量的13.69%，夏季平均徑流量為702.22億m3，45 a年均徑流量的57.00%，秋季平均徑流量為273.62億m3，占45 a年均徑流量的22.21%，冬季平均徑流量為87.52億m3，占45a 年均徑流量的7.10%.45 a來流域春季、夏季及冬季徑流量占全年徑流量的比例均呈微弱上升趨勢，上升速率分別為0.000 8%/a、0.000 7%/a和0.000 05%/a(圖5a、b、d)，而秋季呈微弱下降趨勢，其速率為0.001 5%/a，同樣均未達到顯著性水平(圖5c).

湯河流域45 a降水、徑流不均勻系數及變化趨勢如圖6所示.降水不均勻系數多年平均值為0.43，高于平均值的年份共有24 a(圖6a)，占總時間尺度的53%，說明大多數年份降水在年內分配偏于不均勻.徑流量不均勻系數多年平均為0.36，稍低于降水.高于平均值的年份共有21 a(圖6b)，占總時間尺度的47%，比例低于降水，說明徑流年內分配不均勻程度要低于降水.降水的不均勻系數呈不顯著上升趨勢，上升速率為0.016/(10 a)，而徑流不均勻系數呈不顯著下降趨勢，下降速率為0.001/(10 a).

圖6 降水(a)徑流(b)不均勻系數

3.2 湯河流域降水徑流關系分析

3.2.1 湯河流域降水徑流的年際變化關系

湯河流域45 a年降水量與年徑流量相關系數為0.916(P<0.01)，呈顯著相關.流域年內月降水徑流相關分析結果如圖7所示.流域年內月降水徑流相關系數均值為0.650.其中,2012年相關系數最大，為0.923；1998年相關系數最小，為0.245.45 a來月降水徑流相關系數呈微弱下降趨勢，但未達顯著性水平，速率為0.001 2/a，從一定程度上說明從人類活動的日益頻繁對降水徑流自然過程影響加劇.

圖7 降水徑流年際相關系數變化趨勢

3.2.2 湯河流域降水徑流年內變化關系

據統計，1970—2014年湯河流域年內徑流量最大月與降水量最大月重合率達到56%，最小月重合率僅為20%，說明徑流的變化仍舊受降水影響較大，同時流域水庫閘壩等工程對旱季徑流調控也起到了一定作用.流域45 a月降水與月徑流的相關性結果如表1所示.可見，3—11月降水徑流相關系數較高，說明流域春夏兩季降水徑流相關性較密切，其中，夏季月降水徑流相關性最高，春季降水徑流相關性略低.且降水對次月徑流也有一定的影響，如夏季，7月的降水量與8月的徑流量相關系數達到0.49(P<0.01)，8月降水量與9月徑流量相關系數達到0.66(P<0.01)，春季，3月的降水量與4月的徑流量相關系數略低，為0.42(P<0.01).這說明降水對徑流的影響具有一定的延遲性.

表1 月降水與月徑流的相關系數

圖8 各季節(a,b,c,d)與全年(e)降水量的空間分布

3.3 湯河降水量空間分布特征

利用ArcGIS進行空間分析獲得了1970—2014年湯河流域降水量空間分布狀況，結果如圖8所示.流域多年平均降水量在春、秋和冬季皆呈現北多南少，四周高中間低的分布趨勢；春季降雨量在0～220 mm之間，秋季流域整體降水量較春季高，在0～262 mm之間，冬季降水量最低，在0～85 mm之間.夏季，降水量受地理位置和季風的影響[24]，呈現南多北少，東多西少的特征，降水量在361～551 mm之間，最大降水量551 mm左右，出現于流域東南角.流域全年降水量呈北多南少分布，高值區域位于流域西北側及東北側，降水量達1 006 mm，低值區域位于流域中部及南部，南部降水量最低，約為340 mm.

4 結 論

通過滑動平均、相關分析、累積距平及M-K突變檢驗法等方法對湯河流域45 a降水量、徑流量時空變化及相互關系進行了分析，結論如下：

(1)1970—2014年湯河流域的年降水量與年徑流量呈不顯著下降趨勢，減少速率分別為11.484 mm/(10 a)和45.266億m3/(10 a)；降水和徑流均在1976年存在突變.

(2)徑流年內分配更均勻度較降水要低，多年來降水的年內分配不均勻程度略微上升，而徑流年內分配不均勻程度略微下降.

(3)降水徑流的相關程度呈不顯著下降趨勢，說明人類活動的日益頻繁對降水徑流自然過程有影響.

(4)湯河流域降水量春、秋、冬三季從北到南減少，夏季降水量呈南多北少，東多西少的特征.全年降水量呈現北多南少的空間分布特征.