西遼河流域典型河流徑流變化趨勢及突變分析

張宇　吳計(jì)生　劉洪超　杜俊鵬　王九九

［關(guān)鍵詞］徑流特征；Mann-Kendall檢驗(yàn)法；變化趨勢；突變分析；西遼河流域

［摘要］分析河川徑流的變化規(guī)律對區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)生態(tài)發(fā)展具有重要意義。應(yīng)用線性趨勢分析法、累積距平曲線法和Mann-Kendall檢驗(yàn)法開展西遼河流域典型河流徑流變化趨勢及突變分析，結(jié)果表明：西遼河流域典型河流徑流的空間分布具有明顯的地區(qū)性差異，干流來水以西拉木倫河為主；徑流時(shí)間序列具有趨勢性及突變性，北源西拉木倫河、南源老哈河、西遼河干流及其主要支流烏力吉木仁河年徑流量均呈下降趨勢，出現(xiàn)變化的拐點(diǎn)時(shí)間分別為2000、1975、2013、2004年;流域多年平均水資源總量1980—2016年較1956—2016年減少近5.60%，主要原因?yàn)樯絽^(qū)地下水開采襲奪地表水、降水減少及下墊面改變;另外，2021年度洪水流量過程線分析表明，通過實(shí)施水利工程聯(lián)合調(diào)度，洪水在傳播過程中經(jīng)河道調(diào)蓄及沿程滲漏，洪峰及洪量沿程削減嚴(yán)重，但隨著河道下墊面含水量的不斷提升，洪量沿程衰減量將逐漸減少。

［中圖分類號］ TV121［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1000－0941（2023）08－0043－05

河川徑流是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，也是水量平衡的基本要素。河川徑流的變化趨勢及突變集中反映了一個(gè)區(qū)域的自然地理特征和人為影響程度。科學(xué)評估河川徑流對氣候變化和人類活動(dòng)的敏感程度，對有效調(diào)控人類活動(dòng)和科學(xué)管理人類水文干擾行為具有重要意義。西遼河流域是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，近年來，流域水資源供需矛盾日益尖銳，生態(tài)用水面臨較大壓力。為落實(shí)內(nèi)蒙古西遼河流域量水而行、以水定需的發(fā)展戰(zhàn)略，本研究探究了西遼河流域典型河流徑流演變規(guī)律，并研判了其變化原因。

國內(nèi)外專家學(xué)者對不同區(qū)域不同類型的河川徑流變化趨勢開展了研究，有的按徑流時(shí)段特征，即日、月、季、年等不同時(shí)間尺度；有的按河川所在區(qū)域氣候類型特征，即濕潤區(qū)、半干旱區(qū)、干旱區(qū)、高寒區(qū)等；有的按研究方法，即滑動(dòng)平均法、時(shí)間序列分析法、歸因分析法、拐點(diǎn)分析法等[1]。本研究基于西遼河流域典型河流主要水文站實(shí)測徑流系列，對其徑流變化趨勢進(jìn)行分析，同時(shí)運(yùn)用Mann-Kendall檢驗(yàn)法，對年徑流量時(shí)間序列進(jìn)行突變分析，以助于了解西遼河流域典型河流水生態(tài)環(huán)境狀況、存在的主要問題及其成因，為恢復(fù)河湖生態(tài)環(huán)境、合理解決上下游地區(qū)之間的用水矛盾提供支撐。

1研究區(qū)概況

西遼河為遼河干流右岸的一級支流，位于我國東北地區(qū)西南部，行政區(qū)劃涉及河北省、遼寧省、內(nèi)蒙古自治區(qū)和吉林省，長829 km，流域面積13.83萬km2。依據(jù)西遼河干支流特點(diǎn)和現(xiàn)階段西遼河流域水資源管理要求，本研究選取流域面積在1萬km2以上的4條典型河流作為分析對象，即北源西拉木倫河、南源老哈河、西遼河干流及其主要支流烏力吉木仁河。

2數(shù)據(jù)來源

選取西拉木倫河巴林橋（三）、臺河口（西五），老哈河甸子（二），烏力吉木仁河梅林廟（二）和西遼河干流鄭家屯（六）5個(gè)典型水文站實(shí)測徑流系列，資料來源于內(nèi)蒙古自治區(qū)第三次全國水資源調(diào)查評價(jià)成果及遼河流域水文年鑒。

3研究方法

年徑流量時(shí)間序列具有趨勢性和突變性特點(diǎn)[2]，本研究運(yùn)用線性趨勢分析法及累積距平曲線法對西遼河流域典型河流60多a徑流量時(shí)間序列的趨勢性進(jìn)行分析，再結(jié)合Mann-Kendall檢驗(yàn)法進(jìn)行年徑流量突變年份檢驗(yàn)，并探討流域降水量與人類活動(dòng)對西遼河流域河川徑流變化的影響。

3.1距平及累積距平

一組數(shù)據(jù)的某一個(gè)數(shù)xi與均值x之間的差就是距平，即xi－x。累積距平是一種常用的由曲線直觀判斷數(shù)據(jù)變化趨勢的方法，對于序列x某一時(shí)刻t的累積距平表示為

將n個(gè)時(shí)刻的累積距平全部算出，即可繪出累積距平曲線進(jìn)行趨勢分析[3]。

3.2Mann-Kendall檢驗(yàn)法

Mann-Kendall檢驗(yàn)法（簡稱“M-K檢驗(yàn)法”），是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法。在M-K檢驗(yàn)中，原假設(shè)H0為時(shí)間序列數(shù)據(jù)（x1，x2，…，xn），是n個(gè)獨(dú)立、隨機(jī)變量分布的樣本；備選假設(shè)H1是雙邊檢驗(yàn)，對于所有的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，當(dāng)i，j≤n，且i≠j時(shí)，xi和xj的分布是不同的，檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量S為

在雙邊趨勢檢驗(yàn)中，若給定Z一個(gè)顯著性水平α，則Z1－α/2的值在正態(tài)分布表中可以查出。當(dāng)Z>Z1－α/2時(shí)，說明這個(gè)時(shí)間序列在給定的顯著性水平α下，其變化趨勢是顯著的[4]。本研究α取0.05，對應(yīng)的信度水平為±1.96。

4徑流變化特征分析

4.1趨勢性分析

西遼河流域典型河流徑流變化的總趨勢采用線性趨勢分析法及累積距平曲線法進(jìn)行分析，其主要水文站年徑流量變化趨勢見圖1，年徑流量累積距平曲線（左）和距平值（右）見圖2。

由圖1、圖2可知：

1）從巴林橋（三）和臺河口（西五）水文站的年徑流量變化趨勢可以看出，60多a間西拉木倫河年徑流量總體上呈下降趨勢，且降幅明顯；從距平值和累積距平曲線來看，巴林橋（三）和臺河口（西五）水文站的年徑流量變化規(guī)律基本一致，在豐枯周期變化上，臺河口（西五）除20世紀(jì)七八十年代年徑流量變化出現(xiàn)小范圍波動(dòng)外，總體上西拉木倫河經(jīng)歷了明顯的豐水期（距平值為正）后進(jìn)入連續(xù)的枯水期（距平值為負(fù)），且持續(xù)時(shí)間較長（自2000年持續(xù)至今），可能與天然來水減少及水資源的不合理開發(fā)利用有關(guān)。

2）甸子（二）水文站位于老哈河上游，除20世紀(jì)五六十年代水量相對較為豐沛外，自20世紀(jì)80年代至今年徑流量雖稍有波動(dòng)，但總體呈持續(xù)下降態(tài)勢，除受天然來水減少的影響外，還受農(nóng)業(yè)灌溉及支流黑里河水利工程設(shè)施建設(shè)的影響。

3）烏力吉木仁河梅林廟（二）水文站和西遼河干流下游鄭家屯（六）水文站的年徑流量變化相對劇烈，波動(dòng)明顯。在豐枯周期變化上，梅林廟（二）在20世紀(jì)70年代經(jīng)歷了明顯的枯水期后進(jìn)入下一個(gè)豐水期，之后自2000年至今進(jìn)入連續(xù)的枯水期。其中1998年的洪水對梅林廟（二）及鄭家屯（六）徑流貢獻(xiàn)很大，資料[5]顯示，1998年8月洪水通過梅林廟（二）水文站時(shí)的洪水總量為12.78億m3。鄭家屯（六）水文站受烏力吉木仁河匯入影響，豐枯周期變化上同樣較為明顯，統(tǒng)計(jì)年間經(jīng)歷了2次豐枯周期，自2000年后進(jìn)入連續(xù)的枯水期，期間大部分時(shí)間處于斷流狀態(tài)。

4.2突變性分析

采用M-K檢驗(yàn)法分析西遼河流域典型河流主要水文站年徑流量變化，并將計(jì)算結(jié)果繪制成曲線，見圖3。由圖3可以看出，西遼河流域典型河流主要水文站年徑流量總體呈顯著減少趨勢。以巴林橋（三）水文站為例，過去60多a西拉木倫河年徑流量整體呈下降的趨勢，通過了α=0.05置信檢驗(yàn)，突變是顯著的。在兩條信度線之間，UF、UB曲線的交點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻為突變開始的時(shí)間，即1999年，這一結(jié)論也通過了上述年徑流量累積距平曲線分析的檢驗(yàn)。總體來看，巴林橋（三）與臺河口（西五）水文站基本反映西拉木倫河年徑流量減少拐點(diǎn)時(shí)間為2000年前后，甸子（二）水文站反映老哈河上游年徑流量減少拐點(diǎn)時(shí)間為1975年前后，梅林廟（二）水文站反映烏力吉木仁河年徑流量減少拐點(diǎn)時(shí)間為2013年，鄭家屯（六）水文站反映西遼河干流下游年徑流量減少拐點(diǎn)時(shí)間為2004年。

5徑流對流域降水量及人類活動(dòng)的響應(yīng)

5.1對流域降水量的響應(yīng)

從西遼河流域歷年降水量變化情況（見圖4）可以看出，流域內(nèi)年降水量波動(dòng)幅度較大，最少年份2009年僅為268.8 mm，最多年份1998年為531.3 mm，相差近1倍。60多a間流域內(nèi)年降水量呈略微下降的趨勢，下降幅度不大（-1.7 mm/10 a）。20世紀(jì)80年代和90年代中期兩時(shí)段降水較為豐沛，2000年以來，除個(gè)別年份（2010、2012、2016、2021年）降水較多外，其余年份降水偏少。流域1980—2016年37 a系列多年平均水資源總量比1956—2016年61 a系列減少了近5.60%，主要是山區(qū)地下水開采襲奪地表水、降水減少及下墊面改變所致。

5.2對人類活動(dòng)的響應(yīng)

5.2.1水量調(diào)度情況

2021年3月26日（春汛期3—4月），內(nèi)蒙古自治區(qū)對西遼河實(shí)施2021年第一次水量調(diào)度，下達(dá)了西遼河水量調(diào)度指令：海日蘇灌區(qū)引水流量不超過12 m3/s，孟家段水庫引水流量不超過10 m3/s，其他取水口實(shí)行全線閉口、集中下泄，保障西遼河干流下游過水，力爭莫力廟水庫進(jìn)水。2021年8月9日（汛期7—8月），干涸了20多a的莫力廟水庫進(jìn)水閘，首次通過人工調(diào)度進(jìn)水182.6萬m3。同時(shí)，內(nèi)蒙古自治區(qū)水利廳充分利用“引烏入通”工程，聯(lián)合調(diào)度西拉木倫河和烏力吉木仁河，2021年成功將水引入莫力廟水庫，實(shí)現(xiàn)全年生態(tài)補(bǔ)水1 506.06萬m3。

5.2.2控制節(jié)點(diǎn)洪峰流量沿程變化趨勢分析

根據(jù)西遼河2021年水量調(diào)度情況，選擇西拉木倫河的海日蘇、臺河口（西五），西遼河干流的總辦窩堡（莫二）、通遼（五）和鄭家屯（六）等水文站，作為本次洪峰流量沿程變化趨勢分析的控制節(jié)點(diǎn)。春汛期整個(gè)洪峰過程持續(xù)了近20 d，2021年3月26日水量調(diào)度后，各控制節(jié)點(diǎn)洪峰流量沿程變化趨勢見圖5（a）。由圖5（a）知，海日蘇控制斷面最大洪峰流量出現(xiàn)時(shí)間為2021年3月28日（51.5 m3/s），臺河口（西五）控制斷面最大洪峰流量出現(xiàn)時(shí)間為2021年3月29日（7.74 m3/s），此次水頭未到達(dá)總辦窩堡（莫二）、通遼（五）和鄭家屯（六）控制斷面。

汛期各控制節(jié)點(diǎn)洪峰流量沿程變化趨勢見圖5（b）。由圖5（b）知，海日蘇控制斷面最大洪峰流量出現(xiàn)時(shí)間為2021年7月26日（98.9 m3/s），臺河口（西五）控制斷面最大洪峰流量出現(xiàn)時(shí)間為2021年7月26日（94.7 m3/s），而后兩斷面洪峰流量隨時(shí)間的變化趨勢基本一致，但臺河口（西五）控制斷面最大洪峰流量存在一定的滯后性，滯后期1 d；總辦窩堡（莫二）控制斷面實(shí)現(xiàn)來水，兩次洪峰最大流量分別出現(xiàn)在2021年8月6日（8.04 m3/s）和2021年8月28日（8.38 m3/s）；此次水頭未到達(dá)通遼（五）控制斷面；鄭家屯（六）控制斷面來水與烏力吉木仁河有關(guān)。

綜上，洪水在傳播過程中經(jīng)過河道調(diào)蓄及沿程滲漏，會(huì)發(fā)生“坦化”，洪峰被削減，洪量沿程衰減嚴(yán)重，但隨著河道下墊面含水量的不斷提高，洪量沿程衰減量將逐漸減少。西遼河支流老哈河無水匯入，烏力吉木仁河汛期有水匯入西遼河干流，西遼河干流水量主要來自西拉木倫河。

6結(jié)論

1）西遼河流域典型河流徑流的空間分布具有明顯的地區(qū)性差異，干流來水以西拉木倫河為主，主要水文站巴林橋（三）、臺河口（西五）、甸子（二）、梅林廟（二）及鄭家屯（六）年徑流量在統(tǒng)計(jì)年間整體呈減少趨勢。

2）年徑流量時(shí)間序列具有趨勢性及突變性，北源西拉木倫河、南源老哈河、西遼河干流及其主要支流烏力吉木仁河年徑流量減少拐點(diǎn)時(shí)間分別為2000、1975、2013、2004年。

3）流域內(nèi)年降水量呈略微下降的趨勢，下降幅度不大（－1.7 mm/10 a）。流域多年平均水資源總量1980—2016年較1956—2016年減少近5.60%，主要原因?yàn)樯絽^(qū)地下水開采襲奪地表水、降水量減少及下墊面改變。

4）通過實(shí)施水利工程聯(lián)合調(diào)度，洪水在傳播過程中經(jīng)河道調(diào)蓄及沿程滲漏，洪峰及洪量沿程削減嚴(yán)重，但隨著河道下墊面含水量的不斷提升，洪量沿程衰減量將逐漸減少。

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收稿日期： 2022-12-29

第一作者： 張宇（1989—），男，吉林通化人，高級工程師，博士，主要從事水環(huán)境治理與水生態(tài)修復(fù)工作。

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（責(zé)任編輯張緒蘭）