西營河出山口徑流變化規律及其影響因素分析

徐桂霞，鄭自寬，黃維東，2，宋愛英，朱 詠

(1.甘肅省水文站，甘肅 蘭州 730031；2.甘肅農業大學，甘肅 蘭州 730070)

受氣候變化和人類活動的影響，河流來水發生顯著變化，使區域供水和生態用水安全面臨挑戰。地處西北內陸干旱區的石羊河流域因水資源短缺、用水矛盾突出、生態環境脆弱，備受國內外廣泛關注[1-2]。自2001年以來，通過石羊河流域綜合治理，采取總量控制、定額管理、節約用水、關井壓田、生態調水等一系列措施，區域生態環境逐步改善，下游曾一度干涸的青土湖再現碧波蕩漾。西營河是石羊河上游的8大支流之一，在2019年河道管理范圍劃定中，甘肅省水行政主管部門將西營河確定為石羊河的干流源頭。2006—2020年從西營河直接向下游累積調水15.9億m3，占下游調水控制斷面蔡旗水文站總來水的37.2%，在完成石羊河流域綜合治理生態調水任務中發揮了重要作用[3-4]。

近年來，研究石羊河流域水資源變化規律的文章較多，但分析研究西營河徑流變化規律及其影響因素的較少。商玲[5]研究構建了基于HIMS系統的西營河流域分布式水文模型，當氣溫降低1℃、降水增加20%時，年徑流量增加了23.41%。鐘秀玲[6]對西營河九條嶺水文站多年的實測徑流資料進行了分析，實測徑流資料呈豐、平、枯交替變化，徑流年際變化小，年內分配不均，主要集中在6—9月。陳庭興[7]等研究西營河九條嶺水文站1972—2019年逐年洪水水文要素摘錄表，得出山區徑流受氣候變化影響顯著，增溫變枯現象普遍。以上文獻分別采用不同方法分析了西營河流域年徑流變化規律，但未分析不同時間尺度下徑流與氣候因子的相關關系。

本文采用最新水文、氣象監測數據，分析了西營河出山徑流時空分布特征及其影響因素，建立了年、汛期、月等不同時間尺度的徑流與氣候因子相關關系，對精準掌握西營河出山口徑流變化規律，為石羊河流域生態調水、水資源管理和生態環境保護具有十分重要的意義。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

西營河發源于祁連山冷龍嶺北麓，是石羊河水系上游8條支流之一，研究區主要包括西營河出山口控制站九條嶺水文站以上集水區域，河源高程4854m，流域面積1077km2。山區多年平均降水量450，水面蒸發量1050，多年平均氣溫6℃，全年無霜期176d；河谷盆地多年平均降水量179mm，水面蒸發量2000，多年平均氣溫7.5℃，全年無霜期210d。河流源頭植被較好，中高山區有喬、灌林和草原覆蓋，有林地4500hm2，草地8100hm2。西營河上游主要由寧昌河與水管河2條主要支流組成，最早于1955年1月設立了四溝咀水文站，控制流域面積1455km2，后因修建西營水庫，水文監測受到影響，1972年1月上遷65km至九條嶺，觀測至今。九條嶺水文站實測多年平均年徑流量3.70億m3，最大年徑流量4.42億m3(1989年)，最小年徑流量2.12億m3(1991年)，河流多年平均含沙量0.34kg/m3。

1.2 資料與方法

徑流和洪水資料選取建站以來實測資料系列，對1972年以前四溝咀水文站資料采用水文比擬法，推算至九條嶺測驗斷面；降水分析采用甘肅水文部門設立的九條嶺雨量站1956—2016年觀測資料，由于西營河流域雨量站稀少，除了九條嶺站，又參照分析了鄰近的東灘、水磨溝、洪溝等3個雨量站1956—2016年觀測資料；氣溫資料采用烏鞘嶺、古浪、九條嶺3處氣象站1956—2016年觀測資料，對部分缺測資料采用相鄰站點相關法進行了插補延長。以上資料均為水文、氣象部門按照國家標準規范監測、整編成果，數據可靠，精度較高，滿足分析計算需要。

分析水文氣象要素歷年變化時，主要通過繪制各要素歷年變化過程線和差積曲線，根據變化趨勢方程的斜率大小，判斷其總體增減強度；以降水、氣溫為主要影響因子，分別建立了汛期、年、月等不同時間尺度的徑流與氣候因子相關關系[8]。

(1)水文比擬法

水文比擬法是以流域間的氣候和下墊面因素相似性為基礎，將相似流域的水文資料移用至研究流域的一種簡便方法。本次研究將下游四溝咀水文站1956—1971年徑流資料推算至九條嶺水文站，采用公式為：

(1)

式中，W研、W參—研究站和參證站的徑流量，億m3；F研、F參—研究站和參證站的集水面積，km2。

(2)徑流趨勢顯著性檢驗

采用kendall相關法、spearman相關法、線性趨勢法等3種方法對九條嶺站徑流變化趨勢進行顯著性檢驗，顯著性水平α=0.05，統計量臨界值|U|=1.96，|T|=1.64；采用有序聚類法、Lee-Heghinan法對九條嶺站徑流量序列跳躍點進行顯著性檢驗，顯著性水平α=0.05，統計量臨界值|T|=1.64。以上方法為非參數統計檢驗方法，能夠很好地對變量進行變化趨勢和突變檢驗分析，已廣泛應用于氣溫、降水、徑流等水文和氣象要素的分析[9]。

(3)相關分析法

相關分析是研究2個或2個以上處于同等地位的隨機變量間的相關關系的統計分析方法。在河西內陸河流域，河流徑流的多少主要受降水和氣溫的影響，一般通過建立徑流與氣候因子的相關關系，以相關系數及其顯著性來判斷徑流對氣候因子的響應，計算公式如下：

W=f(P)，W=f(T)，W=f(T，P)

(2)

式中，W—徑流量；T—平均氣溫；P—降水量。

2 徑流變化

2.1 徑流年際變化

點繪九條嶺水文站1956—2016年徑流過程及差積曲線如圖1所示，歷年徑流過程總體呈豐、平、枯交替變化，其中1956—1961年持續增加，1962—1990年基本持平小有波動，1991—2002年持續減少，2003—2007年持續增加，2008—2016年又有減少趨勢。歷年徑流總體上略有減少。

圖1 九條嶺站歷年徑流變化過程線圖

采用kendall相關法、spearman相關法、線性趨勢法等3種方法對九條嶺站年徑流量趨勢性進行檢驗，結果見表1，年徑流量趨勢均呈不顯著減少趨勢。采用有序聚類法、Lee-Heghinan法對九條嶺站年徑流量序列跳躍點顯著性進行檢驗，結果見表2，年徑流量序列主要出現3個跳躍年份，分別為1961、1990、2002年，與年徑流變化過程線一致。1962—1990年徑流量比1956—1961年減少0.42億m3，減少了11.6%；1991—2002年徑流量比1962—1990年減少0.50億m3，減少了15.6%；2003—2016年徑流量比1991—2002年增加0.68億m3，增加了25.1%。

表1 九條嶺站年徑流量趨勢性檢驗結果

表2 九條嶺站年徑流量序列跳躍點顯著性檢驗結果

2.2 徑流年內分配

九條嶺水文站多年平均月徑流量年內分配如圖2(a)所示，徑流主要集中在5—9月，占全年徑流量的80.0%，10—4月僅占20.0%。各年代汛期與非汛期徑流占全年的百分比變化如圖2(b)所示，可見在20世紀90年代以前，汛期徑流占比一直在增加，非汛期占比在減小，90年代后，汛期徑流占比逐漸減小，非汛期占比在增加，徑流年內分配趨于均勻。

圖2 九條嶺站徑流年內分配圖

2.3 洪水過程分析

汛期暴雨產生的洪水是西營河徑流的主要組成部分，選取九條嶺站4場次典型洪水過程分析洪水的特點如圖3所示。西營河幾次洪水過程均為復式洪峰，即連續出現3～5個洪峰，主要是由近到遠不同區域暴雨形成的洪水過程。較大的2場洪水先出現小的洪峰、后出現大的洪峰，這主要是全流域發生降水，暴雨中心偏于上游，下游區域降水相對較少，先形成較小的洪水，接著上游洪水疊加進來形成更大的洪峰，如圖3(a)(b)所示；較小的2場洪水首先出現最大的洪峰、后出現小的洪峰，這主要是暴雨中心偏于下游，下游先形成最大洪水，接著降水量較小的上游小洪水才延遲到達出口斷面，如圖3(c)(d)所示。可見汛期洪水過程主要受流域降水的時空分布影響。

圖3 九條嶺站典型洪水過程

3 徑流影響因素分析

3.1 影響徑流的主要因素

內陸河流域地表徑流主要由降水和冰雪融水補給，出山口以上河流水量的影響因素主要為降水和氣溫。西營河月年徑流與降水、氣溫的單因子相關和復相關系數見表3，可見年徑流與降水的相關關系最好，與降水、氣溫的復相關次之，與氣溫的相關關系較差，說明西營河的年徑流總量主要受年降水的影響；6—9月徑流與降水的相關性較好；3—4月徑流與氣溫的相關性較好；5月和10月徑流與降水、氣溫的復相關性較好；冬季枯水期(1—2月、11—12月)地表徑流主要由地下水滲漏補給，與氣溫、降水的關系不大。

表3 西營河九條嶺站徑流與氣候因子相關系數

3.2 氣溫變化

點繪烏鞘嶺、古浪、九條嶺站歷年平均氣溫過程線，如圖4(a)所示；其多年平均氣溫年內分布如圖4(b)所示。各站歷年氣溫總體呈上升趨勢，每10年增加0.1～0.4℃。氣溫的年內分布，其中1—2月、11—12月各站氣溫均在零下，1月最低為-11.5～-8.8℃；烏鞘嶺、九條嶺3月氣溫在零下；4—10月氣溫在零上，7月最高為13.1～17.5℃。

圖4 九條嶺站氣溫年際年內變化

3.3 降水量變化

點繪4個代表站歷年降水量過程線如圖5(a)所示，其多年平均降水量年內分配圖如圖6(b)所示。歷年降水量除洪溝站總體呈減少趨勢，年均減少0.27mm外，其余3站均呈增加趨勢，年均增加0.63～1.04mm。降水量的年內分配不均，主要集中在5—9月，占全年的77.8%～84.7%，10—次年4月僅占15.3%～22.2%。

圖5 代表站降水量年際年內變化

3.4 徑流與氣溫、降水關系分析

根據影響西營河九條嶺站徑流的氣候因子建立相關關系，見表4。枯水期1—2月、11—12月徑流量與上月徑流量之間有很好的相依關系，相關系數達到0.880～0.924；年、汛期5—9月徑流量與同期降水量相關系數分別為0.656和0.603；5月、10月徑流量與同期平均氣溫、降水量的復相關系數分別為0.603和0.616；3月、4月徑流量與同期平均氣溫相關系數分別為0.359和0.617；6—9月各月與同期降水量相關關系在0.489～0.683之間。置信水平α=0.05時，相關系數臨界值r=0.456，各時段徑流量與氣候因子的相關系數均大于臨界值，說明相關性顯著。

表4 西營河九條嶺站徑流與氣候因子相關公式表

4 結論

(1)西營河九條嶺水文站歷年徑流總體呈不顯著減少趨勢，年徑流量序列主要出現3個跳躍年份，1961年前后減少了11.6%，1990年前后減少了15.6%，2002年前后增加了25.1%。該站徑流年內分配主要集中在5—9月，占全年徑流量的80.0%，10—次年4月僅占20.0%。在20世紀90年代以前，汛期徑流占比一直在增加，非汛期占比在減小；90年代后，汛期徑流占比逐漸減小，非汛期占比在增加。

(2)西營河出山口以上徑流的影響因素主要為降水和氣溫。各代表站歷年氣溫總體呈上升趨勢，每10年增加0.1～0.4℃；歷年降水量總體呈增加趨勢，除洪溝站呈減少趨勢，年均減少0.27mm外，其余3站均呈增加趨勢，年均增加0.63～1.04mm。

(3)在西營河向下游民勤生態調水中，實時掌握上游來水是制約調水成效的主要因素，通過枯水期11月—次年2月上月徑流評估當月徑流，采用氣溫、降水等氣候預報因子評估3—10月徑流，可為科學制定調水方案提供重要依據。

(4)內陸河的來水受降水過程、冰雪融水及地下水補給的影響，徑流形成機理和演變過程十分復雜，受高山無人區氣象和水文站點稀少、資料較少限制，本文只是通過出山口水文控制站觀測資料，分析了不同時間尺度的徑流變化規律及其與影響因子之間的關系，對于考慮不同地形地貌的空間變化、不同因子對徑流形成機理的影響、冰雪洪水災害防治和預報預警，是今后還需深入研究的方向。