白龍江舟曲-武都區(qū)間干支流徑流變化特征關(guān)系

馬亞麗, 李 新, 孫棟元, 白祖暉

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利水電工程學(xué)院, 蘭州 730070; 2.甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 蘭州 730000)

在氣候變化和人類活動(dòng)的共同作用下，河川徑流作為最為直接和敏感的環(huán)境要素已經(jīng)或正在發(fā)生著變化[1]，極端災(zāi)害事件頻發(fā)，干旱區(qū)域河川徑流在明顯減少，濕潤(rùn)地區(qū)洪澇事件增多增強(qiáng)[2]，河流水文情勢(shì)的變化必將給區(qū)域生態(tài)平衡和水資源管理帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[3]，因此，判別水文情勢(shì)的變化特征特點(diǎn)對(duì)于確保區(qū)域生態(tài)平衡和水資源安全具有重要意義，尤其在水資源普遍缺乏的西北干旱、半干旱地區(qū)，河川徑流作為水資源的重要組成部分，對(duì)于其徑流變化特征研究更具有現(xiàn)實(shí)意義及國(guó)家戰(zhàn)略性。近些年來(lái)，許多學(xué)者針對(duì)包括流量、氣溫、降雨等水文氣象要素的變化特征、相互關(guān)系及其驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行研究，已經(jīng)取得一定研究成果。研究表明黃羊河流域徑流的多年變化是相對(duì)穩(wěn)定的，氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)率分別為46.24%和53.76%[4]。遼河實(shí)測(cè)徑流量自20世紀(jì)70年代以來(lái)減少明顯[5]。在氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響下，黃河的水文過(guò)程發(fā)生了劇烈變化，河川徑流量顯著變化，且不同河段河川徑流量變化規(guī)律也有所不同[6-7]。涇河年徑流量、汛期徑流量與非汛期徑流量均呈現(xiàn)出顯著減少趨勢(shì)，其Hurst指數(shù)均大于0.5，表明未來(lái)與當(dāng)前趨勢(shì)有一定持續(xù)性，預(yù)測(cè)未來(lái)將呈現(xiàn)持續(xù)減少趨勢(shì)[8]。近年來(lái)隨著資源、環(huán)境被越來(lái)越多專家和學(xué)者關(guān)注，對(duì)于白龍江相關(guān)的研究重點(diǎn)集中在流域生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治、氣候變化、河川徑流等方面。鞏杰等[9]基于遙感數(shù)據(jù)，運(yùn)用GIS和InVEST模型分析了甘肅白龍江流域生境質(zhì)量時(shí)空分異特征，認(rèn)為生境質(zhì)量總體表現(xiàn)出先降低后緩慢增加的趨勢(shì)。陳宗良等[10]以白龍江流域中上游第四紀(jì)沉積物為研究對(duì)象，認(rèn)為其災(zāi)害效應(yīng)主要表現(xiàn)為崩滑效應(yīng)和對(duì)泥石流的補(bǔ)給效應(yīng)。魏宏慶等[11]剖析了白龍江中游干旱河谷地理環(huán)境與水土流失作用關(guān)系，并配置水土保持防治措施體系，為建立綜合治理模式提供有效參考。張曉曉等[12]以1961—2010年白龍江上游徑流與降水資料為基礎(chǔ)，表明上游徑流呈極顯著減少趨勢(shì)，且1990年以后人類活動(dòng)逐漸成為影響徑流變化的主要因素。以往對(duì)于白龍江河川徑流的研究多集中于河流干流的一個(gè)或多個(gè)水文站的徑流變化特征分析研究，缺乏對(duì)于干流與支流變化特征關(guān)系的探討研究，本文以白龍江舟曲—武都區(qū)間段干支流的徑流變化特征關(guān)系為研究對(duì)象，采用干流2個(gè)水文站及支流3個(gè)水文站1981—2015年35 a的同期逐月徑流資料對(duì)白龍江干支流徑流變化特征進(jìn)行研究，從多角度揭示徑流變化趨勢(shì)、突變特點(diǎn)及干支流之間的關(guān)系，以期為水資源的開發(fā)利用及河流治理與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

白龍江是長(zhǎng)江左岸嘉陵江上游的最大支流，即長(zhǎng)江的二級(jí)支流，嘉陵江的一級(jí)支流。發(fā)源于甘肅省甘南州與四川省交界的郎木寺，流經(jīng)甘肅省東南部的迭部縣、舟曲縣、宕昌縣、武都區(qū)和文縣，經(jīng)碧口鎮(zhèn)流出甘肅省省界，最終在四川省廣元市昭化縣寶輪鎮(zhèn)附近匯入嘉陵江。地理坐標(biāo)東經(jīng)102°30′—105°40′，北緯32°20′—34°10′，甘肅省段長(zhǎng)475 km，流域面積為1.84×104km2。地勢(shì)西北高、東南低，主要表現(xiàn)為山地地貌、河谷地貌。流域地處暖溫帶與亞熱帶過(guò)渡地段，夏季高溫多雨，冬季溫暖少雨，年均溫6～14.9℃，年降水量約400～850 mm，且主要集中在5—10月[13]，旱雨季明顯，年降水由南向北呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，東南多于西北，相對(duì)濕度60%，日照時(shí)間1 800 h，蒸發(fā)量達(dá)2 500 mm[11]。

2 資料與方法

2.1 水文觀測(cè)數(shù)據(jù)

采用1981—2015年白龍江流域(舟曲站、武都站、宕昌站、黃鹿壩站、馬街站)5個(gè)水文站35 a同期逐月徑流數(shù)據(jù)資料，所用數(shù)據(jù)均來(lái)自甘肅省水文水資源勘測(cè)局。其中舟曲站、武都站位于白龍江干流，宕昌站、黃鹿壩站、馬街站位于舟曲—武都區(qū)間段的一級(jí)支流，即岷江、拱壩河、北峪河。舟曲—武都區(qū)間干流徑流量為舟曲站和武都站來(lái)水量之差；區(qū)間入流為5個(gè)水文站之間的來(lái)水量，即武都站與其他4站來(lái)水量之差；宕昌徑流量為岷江宕昌以上流域來(lái)水量；黃鹿壩徑流量為拱壩河黃鹿壩以上流域來(lái)水量；馬街徑流量為北峪河馬街以上流域來(lái)水量。水文測(cè)站基本信息見表1。

2.2 研究方法

(1) 累積距平法。累積距平法利用累積距平曲線反映變化趨勢(shì)，若累積距平曲線顯示上升趨勢(shì)，則累積距平值增加，距平值為正；若顯示下降趨勢(shì)，則累積距平值減少，距平值為負(fù)；同時(shí)可判斷發(fā)生突變時(shí)間。

表1 水文測(cè)站基本信息

累積距平值表示為：

(1)

(2) Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)。假定H0={x1，x2，…，xn}為時(shí)間序列，n為時(shí)間序列的長(zhǎng)度，xk，xj分別為第k，j年的流量值，在滿足零假設(shè)(H0)即數(shù)據(jù)序列沒(méi)有趨勢(shì)時(shí)，定義統(tǒng)計(jì)量S

(2)

確定方差V和標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)系統(tǒng)變量U

(3)

(4)

式中:U>0,序列呈增加(上升)趨勢(shì);U<0為減少(下降)趨勢(shì);若|U|越大,表示序列趨勢(shì)變化越顯著,當(dāng)顯著水平α給定時(shí)，|U|大于置信區(qū)間臨界值1.28,1.96,2.58時(shí),分別表示通過(guò)了信度90%,95%,99%的顯著性檢驗(yàn);H0數(shù)據(jù)無(wú)趨勢(shì)的假設(shè)被拒絕[14-17]。

(3) Mann-Kendall突變檢驗(yàn)。首先構(gòu)建時(shí)間序列的秩序列為：

(5)

(6)

式中:E(Sk)和Var(Sk)為Sk的數(shù)學(xué)期望和方差,其不偏估計(jì)量表達(dá)式為

(7)

(8)

將原有時(shí)間序列進(jìn)行逆序，對(duì)逆時(shí)間序列計(jì)算，獲得UBk=-UFk。根據(jù)UFk大于0或小于0，判斷序列上升或下降趨勢(shì)，若UFk和UBk序列點(diǎn)在置信范圍內(nèi)存在交點(diǎn)，則說(shuō)明該交點(diǎn)是突變點(diǎn)[14-17]。

(4) 雙累積曲線。雙累積曲線是在直角坐標(biāo)系中兩個(gè)不同變量同期內(nèi)連續(xù)累加值所構(gòu)建的關(guān)系曲線，常用于水文氣象要素長(zhǎng)期演變趨勢(shì)及一致性的檢驗(yàn)分析[18]。干流徑流量與支流徑流量及各支流徑流量所構(gòu)建的雙累積曲線可利用關(guān)系曲線斜率表征水文變量的階段性特征，從而探究河川徑流演變趨勢(shì)過(guò)程，并依據(jù)回歸分析曲線構(gòu)建的兩變量關(guān)系式，進(jìn)一步量化分析各支流對(duì)徑流情勢(shì)演變過(guò)程的影響程度[19-20]。

3 結(jié)果與分析

3.1 干支流徑流量年際變化及趨勢(shì)

舟曲—武都區(qū)間白龍江干流多年平均徑流量為14.13億m3/a，該區(qū)間上的3條支流，岷江宕昌站、拱壩河黃鹿壩站、北峪河馬街站多年平均徑流量依次為3.14億m3/a，4.84億m3/a，0.14億m3/a，干流區(qū)間入流6.01億m3/a，占比分別為22.22%，34.22%，0.99%，42.56%，區(qū)間入流量最大，北峪河支流徑流量最小，不足1%。徑流量與不同站點(diǎn)的集水面積大小及氣候條件、地形地貌有關(guān)，降雨量、集水面積、坡度越大，其徑流量也相應(yīng)越大。各站年徑流量整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中1981—1993年徑流量均值大于多年平均水平，為豐水期，1994—2015年徑流量均值小于多年平均值，為枯水期，具體見圖1；各站累積距平曲線均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，以1993年為分界點(diǎn)，1993年前高于多年均值，1993年后低于多年均值，具體見圖2。各站徑流量線性傾向變化率不同，舟曲—武都區(qū)間干流線性傾向變化率最大，為-2.16億m3/10 a，35 a減少量達(dá)到7.56億m3，其次黃鹿壩站為-0.84億m3/10 a，宕昌站為-0.56億m3/10 a，馬街變化率最小，僅為-0.05億m3/10 a，35 a減少量達(dá)到0.18億m3。相比區(qū)間干流減少量，支流拱壩河占比38.89%，支流岷江占比25.93%，北峪河占比2%，區(qū)間入流占比32.8%，可見支流拱壩河和區(qū)間入流對(duì)于區(qū)間干流的變化有明顯影響。白龍江流域自20世紀(jì)50年代以來(lái)，特別是90年代以來(lái)，由于氣候變化和大肆砍伐森林等人類活動(dòng)的影響，降雨量總體上呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，并且降水是白龍江流域徑流的主要補(bǔ)給來(lái)源，舟曲—武都區(qū)間降雨量的顯著減少趨勢(shì)是導(dǎo)致徑流顯著性下降的主要原因，徑流變化趨勢(shì)與降雨量總體趨勢(shì)相一致。

圖1 干支流徑流量年際變化過(guò)程

圖2 干支流徑流量累積距平

采用M-K法對(duì)各水文站的年徑流系列進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)，將計(jì)算結(jié)果與顯著性水平分別為0.1，0.05，0.01的置信區(qū)間臨界值±1.28，±1.96，±2.58對(duì)比，可以看出宕昌、黃鹿壩檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量U均小于-2.58，達(dá)到了0.01的顯著性水平，馬街、舟曲—武都干流區(qū)間檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量U均小于-1.96，達(dá)到了0.05的顯著性水平，且統(tǒng)計(jì)量U全部為負(fù)值，可見，年徑流變化趨勢(shì)呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，顯著性水平均在0.05以上。對(duì)比圖1中干支流徑流量年際變化過(guò)程，計(jì)算結(jié)果與年際變化趨勢(shì)一致。徑流變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

3.2 干支流徑流量變化突變分析

白龍江支流岷江上的宕昌站統(tǒng)計(jì)量UFk除1984年外，均小于0，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，與M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果一致，顯著性水平0.01，在95%的置信水平條件下，年徑流突變的臨界年份為1986年。支流拱壩河上黃鹿壩站UFk除1983—1986年、1990年大于0，呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其他年份均小于0，為下降趨勢(shì)，顯著性水平0.01，突變年份為1994年。支流北峪河上馬街站UFk除1984—1985年、1992—1994年大于0，呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其他年份均小于0，為下降趨勢(shì)，顯著性水平0.05，突變年份為1991年。舟曲—武都區(qū)間白龍江干流UFk除1985外，其他年份均小于0，為下降趨勢(shì)，顯著性水平0.05，突變年份為1986年，具體見圖3。徑流突變主要源于降雨等氣象因素存在顯著的變化，徑流突變的臨界年份前后均值變化明顯，徑流的形成除受流域氣候因素的影響，還與下墊面等因素密切相關(guān)。各支流具有空間異質(zhì)性，地形地貌、氣象、地質(zhì)、植被等各方面存在差異，地勢(shì)西北高東南低，為典型的高、中山峽谷區(qū)，氣候分布不均勻，自西北向東南由亞熱帶濕潤(rùn)氣候過(guò)渡到高寒濕潤(rùn)氣候，降水自上游至中游逐漸減小，多方面因素共同作用造成各支流突變年份并不完全一致。

表2 白龍江干支流徑流量變化趨勢(shì)檢驗(yàn)

圖3 干支流徑流量M-K突變檢驗(yàn)

各站以突變點(diǎn)劃分前后時(shí)段為基準(zhǔn)期與變化期，統(tǒng)計(jì)不同時(shí)段的徑流特征參數(shù)值，見表3。各站年徑流量均呈下降趨勢(shì)，宕昌站由基準(zhǔn)期4.37億m3/a降至變化期2.89億m3/a，較基準(zhǔn)期減少33.87%；黃鹿壩站由基準(zhǔn)期5.94億m3/a降至變化期4.10億m3/a，減少率30.98%；馬街站由基準(zhǔn)期0.22億m3/a降至變化期0.10億m3/a，減少率54.55%；舟曲—武都區(qū)間干流由基準(zhǔn)期20.16億m3/a降至變化期12.88億m3/a，減少率36.11%，盡管年徑流量最小，突變年份前后馬街減少率最大，其次為舟曲—武都區(qū)間干流。各站各時(shí)期變差系數(shù)與極值比存在差異，表明各站徑流年際波動(dòng)變化明顯。宕昌1986年前后由特豐水年變?yōu)槠剿辏S鹿壩1994年前后由特豐水年變?yōu)槠菟?，馬街1991年前后由特豐水年變?yōu)樘乜菟?，舟曲—武都區(qū)間干流1986年前后由特豐水年變?yōu)槠剿?。突變年份前后各時(shí)期呈現(xiàn)不同的年景分布，與各支流的地形地貌、氣象、植被覆蓋等氣候及下墊面條件差異有關(guān)。

表3 干支流徑流量時(shí)段變化特征

3.3 干支流變化特征關(guān)系

根據(jù)舟曲—武都區(qū)間干流M-K突變檢驗(yàn)，突變點(diǎn)為1986年，以1986年為界，1981—1986年為基準(zhǔn)期，1987—2015年為變化期，利用累積量斜率變化率(SCRCQ法)探討舟曲—武都區(qū)間3條支流對(duì)于白龍江干流的影響，計(jì)算得到各支流和區(qū)間入流對(duì)舟曲—武都區(qū)間干流1986年前后出現(xiàn)變化的影響率大小，是變化期對(duì)比基準(zhǔn)期斜率變化的反映，從各部分徑流1986年前后變化率的角度得到各部分的影響率。具體見表4。

表4 支流徑流對(duì)干流徑流影響影響率

根據(jù)舟曲—武都區(qū)間的白龍江干流累積徑流量—年份曲線(圖4)，基準(zhǔn)期斜率為19.83，變化期斜率12.19，變化期較基準(zhǔn)期的變化率-38.55%。依據(jù)舟曲—武都干流累積徑流量—支流各站累積徑流量曲線(圖5)，支流岷江宕昌站基準(zhǔn)期斜率由4.82變?yōu)樽兓谛甭?.52，變化率-6.28%，對(duì)舟曲—武都干流徑流變化影響率為16.29%；支流拱壩河黃鹿壩站基準(zhǔn)期斜率由3.29變?yōu)樽兓谛甭?.72，變化率-17.34%，對(duì)舟曲—武都干流徑流變化影響率為44.97%；支流北峪河為一條徑流量較小的支流，多年平均徑流量?jī)H為0.14億m3/a，占舟曲—武都干流多年徑流量的0.99%，比重不足1%，對(duì)于舟曲—武都區(qū)間干流影響十分有限，這里考慮其影響率為1%；與三條支流影響率做差，剩余的干流區(qū)間入流影響率為37.74%?？梢?，對(duì)于舟曲—武都區(qū)間白龍江干流徑流變化，拱壩河支流變化影響最大，其次是干流區(qū)間入流變化、岷江支流變化，最后是北峪河小支流的影響。影響率大小除與各支流的徑流量大小有關(guān)，也與其徑流變化率相關(guān)，北峪河馬街站徑流量占比不足1%，影響率最小，雖然區(qū)間入流徑流量大于拱壩河黃鹿壩徑流量，但因拱壩河徑流變化率較大，其影響率最大。

圖4 舟曲-武都累積徑流-年份曲線

圖5 宕昌站和黃鹿壩站徑流雙累積曲線

4 結(jié) 論

(1) 1981—2015年35 a舟曲—武都區(qū)間白龍江干流多年平均徑流量14.13億m3/a，岷江宕昌站、拱壩河黃鹿壩站、北峪河馬街站、舟曲—武都干流區(qū)間入流分別為3.14億m3/a，4.84億m3/a，0.14億m3/a，6.01億m3/a，舟曲—武都干流區(qū)間入流占比最大為42.56%，其次支流拱壩河34.22%，支流北峪河占比最小為0.99%，可見就徑流量而言，區(qū)間入流量明顯高于支流徑流量。各站徑流年際變化整體呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，且顯著性水平達(dá)到0.05以上。

(2) 各站徑流量線性傾向變化率不同，線性傾向變化率舟曲—武都區(qū)間干流最大，為-2.16億m3/10 a，35 a減少量高達(dá)7.56億m3，其次黃鹿壩和宕昌-0.84億m3/10 a、-0.56億m3/10 a，減少量分別為2.94億m3,1.96億m3，馬街變化率最小為-0.05億m3/10 a，減少量0.18億m3，相比區(qū)間干流減少量，支流拱壩河占比38.89%，支流岷江占比25.93%，北峪河占比2%，區(qū)間入流占比32.8%，可見支流拱壩河和區(qū)間入流對(duì)于區(qū)間干流的變化有明顯影響。

(3) 在95%的置信水平條件下，舟曲—武都區(qū)間白龍江干流、白龍江支流岷江上的宕昌站、白龍江支流拱壩河上黃鹿壩站、白龍江支流北峪河上馬街站突變年份依次為1986年、1986年、1994年、1991年，突變年份前后年景分別為特豐水年—平水年、特豐水年—平水年、特豐水年—偏枯水年、特豐水年—特枯水年。各站統(tǒng)計(jì)量UFk除個(gè)別年份外，大部分年份均小于0，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，與M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果一致。

(4) 對(duì)于舟曲—武都區(qū)間白龍江干流徑流變化，舟曲—武都區(qū)間干流變化期較基準(zhǔn)期的變化率-38.55%、支流岷江宕昌站變化率-6.28%、支流拱壩河黃鹿壩站變化率-17.34%，1986年前后拱壩河變化大于岷江，拱壩河支流變化影響最大，為44.97%，其次是干流區(qū)間入流變化，影響率為37.74%，再其次為岷江支流變化，影響率16.29%，最后是北峪河小支流的影響，影響率為1%。