近50年石羊河蔡旗站徑流長期演變特征及趨勢研究

康建瑛

(甘肅省武威水文站，甘肅 武威 733000)

水資源是人類生產、生活的基礎性自然資源，是實現可持續發展的重要基礎。甘肅省河西內陸河流域有三大水系，分別是疏勒河、黑河、石羊河，河川徑流量主要來自祁連山脈的高山融雪。受干旱氣候影響，該地區水資源量極度短缺。研究表明，河西內陸河流域三大水系蘊藏水資源總量約為61.4億m3，其中疏勒河水系21.2億m3，占比34.5%；黑河水系23.1億m3，占比37.6%；石羊河水系17.1億m3，占比27.9%，石羊河水系水資源量最小。為研究石羊河流域徑流的演變趨勢及規律，郝強[1]根據石羊河水系各支流1956—2016年的實測徑流資料，采用相似年對比法，結合2001年以來景電、西營河調水資料,對蔡旗站2018年的斷面來水量進行了分析及預測，為該站在水資源量監測、防汛抗旱方面提供了重要的數據支撐，取得了較好的效果。盧書超等[2]采用MIKE BASIN模型研究了蔡旗斷面下泄水量變化特征，認為建立的水資源管理模型是正確的，總體上能反映出蔡旗斷面水資源量的變化過程。

為了能夠進一步分析蔡旗站降水徑流的時序變化特征，使水文監測在水資源監管中更好地發揮作用，本文在上述學者研究的基礎上，對蔡旗站的降水、徑流量時序變化特征進行研究，可為當地水資源管理提供技術指導與數據支撐。

1 流域概況

石羊河流域是我國河西內陸河流中人口最集中、水資源開發程度最高、用水矛盾最突出的地區之一。石羊河發源于祁連山東端冷龍嶺北側的牛頭山，流域面積13.02萬km2，出山口以上河長60km，主要支流有西大河、東大河、西營河、黃羊河、金塔河、大靖河、古浪河等，流域內多年平均徑流量為15.6億m3[3]。蔡旗水文站位于石羊河下游，始建于1967年，下游25km處有一座水庫，集水面積10209km2。石羊河流域水系及蔡旗站位置見圖1。

2 資料與方法

本次研究采用蔡旗站實測長系列逐月、逐年徑流資料，分析年際徑流變化時，將資料采用線性相關法展延至1956年。經過分析對比，延展方法合理，資料系列經過一致性修正，已經整編為成果資料，可靠度較高，可以使用。采用滑動平均法、Spearman秩次相關法、累積濾波器法對年際徑流變化進行趨勢分析；采用累積距平法對年徑流的豐枯情況及周期變化進行分析；采用有序聚類法、Mann-Kendall檢驗法檢驗趨勢變化顯著性。

2.1 滑動平均法

假設有一水文序列，計算幾個前期值和后期值去平均[4]，通過計算可以求得一個新的水文序列yt，該方法一般應用在時間序列周期性變化趨勢分析中，其結果具有一定的統計性，構造統計量為

(1)

當k=2時，其為5年滑動平均，依次往下計算，但首先要假設原序列具有趨勢性，在處理后的yt中能夠顯示。

2.2 Spearman秩次相關法

Spearman秩次相關法主要是通過分析水文序列Xi及序列i的相關性來檢驗水文時間序列變化趨勢[4],在計算時，時間序列Xi用其秩次Ri代表，可以構造統計量:

(2)

式中：n為時間序列長度；di=Ri-i。如果秩次Ri與時間序列相近，則di較小，秩次相關系數較大，則趨勢性顯著。

2.3 累積濾波器法

累積濾波器法能夠充分顯示出時間序列定性的變化趨勢，統計量為

(3)

2.4 有序聚類法

有序聚類法是以有序分類來估計序列最有可能存在的突變點，原理為：對于系列Xt(t=1,2,3,…,n)假設具有最優分割點τ，可使同類之間的離差平方和較小，而類與類之間的平方和較大，其計算公式為

(4)

(5)

(6)

2.5 Mann-Kendall檢驗法

Mann-Kendall檢驗法簡稱M-K檢驗法[5]，是一種非參數統計檢驗法，也被稱為無分布檢驗，優點在于不需要樣本遵從一定的分布規律，也不受異常值的限制，更適用于類型變量及順序變量，計算也比較簡單。主要用于一組序列的變化趨勢顯著性檢驗，但前提條件是假設需要檢驗的序列變化趨勢不顯著，其計算公式為

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：UFk為檢驗統計量；Sk為樣本統計量；Var(Sk)為Sk的方差。

3 徑流長期演變特征及趨勢研究

3.1 徑流的年內分配特征

胡彩霞等[6]利用基尼系數法對水文年內分配進行了分析，取得了較好的效果，但計算復雜，過程煩瑣。本文采用不均勻系數法、完全調節系數法[7-11]對蔡旗站的徑流年內分配特征進行研究，其計算過程為

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

經統計，月最大徑流量為0.300億m3，出現在每年的3月，最小值為0.136億m3，出現在每年的9月；連續4個月徑流量最大值為1.115億m3，出現在1—4月，平均值為0.279億m3；連續4個月最小值為0.811億m3，出現在9—12月，平均值為0.203億m3，連續4個月極值比為1.37，變化基本穩定。點繪逐月徑流量年內分布情況，見圖2。流量集中期與汛期出現時間相反，主要原因是蔡旗站處于石羊河下游，受上游灌區調水影響。

圖2 徑流量年內分布情況

將蔡旗站的逐月徑流量代入式(12)～式(16)中，計算可得該站徑流量年內不均勻系數(變差系數)，逐月徑流量不均勻系數變化曲線見圖3。由圖3可以看出，不均勻系數最大值為1.54，出現在1988年；最小值為0.29，出現在1985年；多年平均值為0.28；說明1988年徑流量的年內分配最不均勻，1985年分配最均勻。計算可得該站逐月完全調節系數Cr值，點繪逐月徑流量Cr值變化曲線，見圖4，由圖4可以看出，Cr最大值為0.419，出現在1988年；最小值為0.002，出現在1989年；多年平均值為0.940。

圖3 逐月徑流量不均勻系數變化曲線

圖4 逐月徑流量Cr值變化曲線

由圖2、圖3、圖4可以看出，徑流量年內分配集中在1—4月、7—9月，進一步證實了上述分析結論；1988年徑流量年內分配極不均勻，不均勻系數呈現逐年增大趨勢，年內分配逐年不均勻化，但變化不明顯；徑流量年內分配變得集中，1988年徑流最為集中，導致年內分配極不均勻，Cr值出現逐年增大趨勢，說明年內分配在逐年集中，進一步驗證了徑流年內分配不均的結論。造成徑流年內分配不均勻的原因主要是大型灌區及水利工程建設導致徑流在一定程度上受到影響。

3.2 徑流的年際變化特征

徑流的年際變化表征水資源量的周期變化，年際徑流是水資源量的主要來源。石羊河流域徑流量主要靠上游祁連山脈冰雪融水補給。近50年來，該流域共有水資源量176.200億m3，水資源量比較短缺。經統計，年最大徑流量為6.200億m3，出現在1958年；最小值為0.845億m3，出現在2002年；多年平均值為2.908億m3，統計值與《甘肅省第三次水資源評價報告》數據一致。

點繪蔡旗站徑流年際變化曲線，見圖5。由圖5可以看出，該站徑流年際變化過程共經歷4個階段：1956—1964年，徑流逐年減小；1965—1970年，徑流逐年增加；1971—2002年，徑流長期處于減小趨勢；2003—2016年，徑流呈逐年增加趨勢；從整體上看，徑流量呈逐年減小趨勢。牛最榮[3]研究表明，河西內陸河流域徑流隨流程和年份的增長呈現徑流量減小趨勢，并計算出了徑流定量變化規律，與本次研究結果基本吻合。

圖5 蔡旗站徑流量年際變化曲線

為了進一步驗證該站徑流量的演變趨勢，采用上述提到的Spearman秩次相關法、累積濾波器法進行趨勢分析。經計算，發現兩種方法均顯示徑流呈逐年減小趨勢，結果與線性回歸法及5年滑動平均法分析一致。采用有序聚類法和Mann-Kendall檢驗法對徑流量序列變化趨勢進行顯著性及突變檢驗，變化趨勢均表現為不顯著。有序聚類法計算顯示，|T|=11.9>T0.05/2=1.64,序列在1973年出現顯著性跳躍；Mann-Kendall檢驗法計算的|UF|=2.43>T0.05/2=1.96，突變年份也出現在1973年，且變化顯著。點繪兩種檢驗方法的統計曲線，見圖6、圖7，由圖6、圖7可以看出，二者檢驗結果基本一致。

圖6 Mann-Kendall檢驗法趨勢檢驗統計曲線

圖7 有序聚類法趨勢檢驗統計曲線

3.3 徑流豐枯變化特征

采用累積距平法對蔡旗站徑流豐枯情況進行分析，計算其P值(距平百分比)，按照徑流豐枯劃分標準[12]：P>20%,為豐水；10%

4 結 語

本文在收集石羊河蔡旗水文站實測資料的基礎上，采用不均勻系數法、線性回歸法、滑動平均法、Spearman秩次相關法、累積濾波器法對該站徑流量年內分配、年際變化、趨勢演變進行了研究；采用有序聚類法、Mann-Kendall檢驗法對年徑流的變化顯著性進行了檢驗。結果表明，徑流量年內分配集中在1—4月、7—9月，徑流量年內分配逐年不均勻化、逐年集中；徑流量整體呈現逐年減少趨勢，趨勢整體變化不顯著，1973年序列出現顯著性跳躍；豐枯情況沒有很明顯的變化特征。受資料系列限制及人類活動影響，本研究稍有欠缺，建議在以后的測驗工作中，可將實測來水量進行細致的修正后再進行分析。