渾河流域徑流長期演變規律及趨勢顯著性分析

周志宇

(遼寧省撫順水文局，遼寧 撫順 113000)

水資源短缺逐漸成為制約經濟可持續發展的關鍵因素，如何最大限度的開發利用及合理優化配置有限的水資源非常重要[1]。對于特定的區域，其特有的水資源空間分布格局決定了區域水資源配置[2-4]。渾河流域降雨時空分布不均極易發生干旱事件，徑流變化對流域影響顯著，農業供水緊張甚至無法保證城市及工業用水，有必要研究分析其徑流演變規律及趨勢。

目前，對于徑流演變規律我國學者開展了深入研究，如楊勇等通過診斷分析流域水文要素變異特單，揭示了渭河流域徑流演變成顯著減小趨勢；鄭崳珍等對荊南三口河系環境變化前后的水文干旱演變特征利用標準化徑流指數進行分析；祁芯等利用典型水文站實測數據，揭示了流域水資源分布特征；王維等采用年連續最大7d、30d、90d流量和年徑流量反映流域徑流特征，并進一步揭示了徑流量與土地利用之間的作用關系[5-8]。以上研究主要側重于大尺度的流域水文特性分析，而探討較小尺度的水文特性還鮮有報道。鑒于此，文章結合相關文獻資料和流域徑流長系列資料，詳細分析了渾河流域的徑流演變規律及其時序變化趨勢，旨在為優化配置和合理利用流域水資源提供數據支持。

1 流域概況

渾河是遼河流域下游較大的支流，發源于清原縣滾馬嶺，自東向西依次流經新賓、撫順、沈陽、燈塔、海城、大石橋等縣市后匯入大遼河，全長415km，流域面積11480km2。渾河屬于典型的不對稱水系，東側水量豐富且支流密集，西側水量小且支流較少。

渾河流域整體呈上寬下窄的葫蘆狀，位于大陸性季風氣候區，夏熱降水多，冬寒降水少，年均降水量600～900mm，7、8月份降雨占約全年的48.5%。受氣候條件、地形地貌和地理位置的影響，流域內降水分布極不均衡，從東北山區向西南、從上游往下游逐漸減少，上游清原縣一帶受末日紅山脈影響為降水高值區，樹基溝站年均降水量最高達到880mm。降水低值區位于下游入河口處，邢家窩棚站年降水量只有655.4mm，最大與最小值之比1.34。大伙房水庫修建于撫順市渾河上游20km處，集水面積5437km2，最大蓄水量21.87億m3，在一定程度上影響了徑流年內分配。

2 研究方法

2.1 水文站選取

本研究選取大伙房水庫上游北口前(二)、渾河中游沈陽(三)和下游邢家窩棚3個水文站，集水面積依次為1832km2、7919km2、1832km2，各站來水均流入大遼河，距離大遼河河口依次為311km、174km和57km。從上游至下游渾河流域流量逐漸增大，北口前～撫順段屬于區域產流集中區。

2.2 數據資料

考慮到渾河中游沈陽(三)水文站對流域內流量變化控制較好，建站以來實行在站駐測，測量資料連續性較好、序列無漏測間斷，通過三性檢查資料可靠度較高。因此，本研究擬選用1985-2020年逐年、逐月實測徑流數據進行分析。

2.3 分析方法

本研究利用集中期、集中度分析年內徑流分配特性，選用滑動平卷發分析年際徑流變化趨勢，并應用線性回歸法、斯波曼和坎德爾秩次相關法檢驗變化趨勢顯著性，采用Mann-Whitney法及時序累計值法確定年際徑流突變年份，并利用差積曲線法分析徑流豐枯變化特點[9]。

2.3.1 集中期、集中度估算法

集中期和集中度表征了徑流分配的方位、時間及其分布不均勻性，這是衡量徑流量年內集中程度的主要參數[10]。集中期和集中度就是用x、y表示水平向與垂直向的徑流分量，結合兩者占比類表征集中分配程度。經計算確定0°、30°、60°、…、330°方位角的徑流分布狀況，對集中期、集中度利用下列計量公式計算，即：

(1)

(2)

(3)

2.3.2 Mann-Kendall法

文章利用不依賴于數據分布的非參數檢驗法——坎德爾秩次相關法進行趨勢分析，該方法具有更顯著的優越性，其表達式為[11]：

(4)

(5)

(6)

式中：N、t為資料系列長度和時間序列；X(t)、X(t′)為第t年和多年平均水文要素值；S、T、Var(S)為非參數統計值、檢驗值和計算式。

2.3.3 Mann-Whitney法

Mann-Whitney法是一種用于檢驗時間序列是否顯著不同的統計方法，先從小到大排列一段長度為N的時間序列，Ri代表觀測值i的排序，然后按前、后兩部分劃分整個時間序列，前、后部分分別為1-n1和N-n1，可利用下式計算前部分排列順序及統計量[12]，即：

(8)

(9)

式中：N、n1、n2為樣本序列長度及其分解的長度；S、T為樣本年凈流量之和及其檢驗統計值；Ri為第i年徑流量。

經計算，若|T|>Z1-a/2則代表兩端序列具有相同平均值，突變點就是時間序列的第n1個點，該點前后出現顯著變化，一般水文序列的置信檢驗水平a=0.05，若原假設成立則有|T|≤Z1-a/2的概率為95%。換而言之，在|T|>Z1-a/2的條件下，則表明發生了概率小于5%的事件，即前、后兩段時間序列均值顯著不同[13-14]。

3 徑流演變規律及趨勢

3.1 年內分配集中期

以5年為基準合理劃分渾河中游沈陽(三)水文站實測徑流數據，逐月平均流量變化特征如圖1。

圖1 渾河流域年內徑流量變化趨勢

總體而言，徑流量在每年的1～4月變化平緩，5月開始增加，每年的6-9月徑流量達到最大。在10月以后徑流量快速減小，究其原因是該時段流域內降水較多，總體處于平水期，所以出現最大流量的月份有所延后；其它時段的1-4月徑流量變化趨勢與11-12月相同，11-12月徑流量與1-4月相比略微偏豐。此外，降水量分布不均在很大程度上決定了徑流量年內分配不均勻性。

3.2 年內分配不均勻性

采用公式(1)～(3)計算年內徑流量分配Cv值，該數值越大則徑流變化越明顯，各年計算值，年內徑流量分配Cv值變化趨勢，見圖1。

圖2 年內徑流量分配Cv值變化趨勢

結果顯示，Cv值總體圍繞平均值波動，在2005以前Cv值整體超過平均值0.91，在2005年以后Cv值整體小于平均值，究其原因是雨量站監測結果受極端天氣影響，降水量監測值呈顯著不均勻性，1986年1993年、1996年、2001年、2004年的Cv值明顯偏大，表明年內徑流分配極不均衡，2004年Cv值達到最大的1.72，2014年Cv值達到最小的0.31，最大與最小Cv值之比為5.5，表明年內徑流分配具有較大差異?？傮w而言，年內Cv值偏大則分布極不均衡，經線性回歸Cv值表現出逐年下降趨勢。

3.3 年際演變規律

通過線性趨勢分析繪制年際徑流變化曲線，如圖3。

圖3 年際徑流變化曲線

由圖3可知，1989年徑流量達到最大的40.6億m3，2002年的徑流量達到最小的4.8億m3，極值比8.45，多年平均徑流量26.5億m3，年際徑流量總體表現出下降趨勢。經計算變差系數Cv值為0.42，表明年際徑流變化波動較為明顯。經5年滑動平均計算，從建站到1989年徑流量表現出上升趨勢，1990～2007年徑流量呈下降趨勢，2008～2013年徑流量呈上升趨勢，2014～2016年徑流呈下降趨勢，2017年至今徑流呈上升趨勢。

對徑流演變趨勢和變化顯著性利用線性回歸法、斯波曼秩次相關法、坎德爾秩次相關法進行分析，計算顯著性水平a=0.05的參數如表1。結果表明，3種方法的檢驗結果均呈顯著減小趨勢。

表1 變化趨勢及顯著性檢驗

3.4 豐枯變化特性

將徑流豐枯變化特性用差積曲線法進行分析，差積曲線上升、持平和下降時分別代表河流處于豐水期、平水期、枯水期[15-17]。通過對年際徑流變化模比系數的計算分析，繪制其與1的差積曲線如圖4所示。

圖4 徑流差積曲線

結果顯示，平水期為1985-1987年，枯水期為1999-2016年，1988-1998年和2017-2019年為豐水期。

3.5 徑流趨勢檢驗

采用Mann-Whitney法和時序累計值法準確識別徑流突變年份，結果顯示渾河流域徑流總體平穩，但在1990年、2002年、2017年前、后有波動突變。為進一步識別變化顯著性及其跳躍年份，對徑流量突變年份利用Mann-Whitney法進行識別，經計算|T|=0.0021<1.96，表明突變未通過顯著性檢驗，結合突變檢驗曲線，見圖5。可以確定1999年為主要突變年份，其次為1990年。

圖5 年際徑流突變檢驗曲線

4 結 論

通過計算分析渾河流域徑流變化特征，主要結論如下：渾河流域徑流量主要集中于6-9月，年內分配極不均衡；經計算變差系數Cv值為0.42，這表明年際徑流變化波動較為明顯；結合突變檢驗曲線可以確定1999年為主要突變年份，但未通過顯著性檢驗；研究期間徑流呈顯著減小趨勢。

受人類活動、氣候變化等因素影響徑流量呈波動減少趨勢，加之年內分配不均衡，大大增大了流域內水資源開發難度。因此，為穩定徑流變化必須采取調水、河湖連通等水利工程措施，為優化配置和合理利用區域水資源提供可靠保障。文章簡要分析了變化現象，未深入研究引起變化的成因，未來仍需進一步研究探討。