黑河流域水文特征時空變異規律研究

高華峰 宋向旭 周 帥

(1.晉中市水文水資源勘測站,山西 晉中 030600;2.河北工程大學, 河北 邯鄲 056038)

水文特征,用以揭示流域水文要素、下墊面變化的時空變異性,并診斷水文模型建模的認知缺陷[1-2]。然而,在氣候變化與人類活動影響下,流域水情發生改變,其必將增加水庫安全風險,給水利工程帶來嚴峻挑戰。一致性條件下的流域洪水計算結果將不再適用[3-4]。因此,從流域層面研究“水文一致性”的水文極值變異規律,對流域洪水預報、抗旱減災工作的順利開展具有現實意義。

眾多國內外學者針對水文特征指標開展了大量研究,并取得了豐碩成果。例如,李歡瑋等[5]以渭河流域咸陽、華縣和氵狀頭三個水文站為例,采用IHA-RVA法綜合評估河川徑流水文指標改變程度,揭示了人類活動對水文情勢的影響。陳秀秀等[6]選取黃河干流龍羊峽、小浪底兩個代表性水庫,利用水文改變度指標揭示水庫運行對河流水文情勢影響。王國慶等[7]采用兩參數水量平衡模型,利用納什效率系數和模擬總量相對誤差兩個水文指標,揭示了氣候變化對水文過程的影響。楊大文等[8]基于水熱耦合平衡方程(Budyko),利用氣候彈性和下墊面彈性指標精準識別出黃河流域徑流變化的主要原因,并揭示人類活動對中下游的影響大于上游,且人類活動影響大于氣候變化影響。班璇等[9]采用變化范圍方法(RVA),量化了三峽蓄水后長江中游流域水文特征的時空變異特征及其對生態的影響。縱觀過往研究發現,多數研究側重于某一流域的水情變化,而針對變化環境所導致的“水文一致性”的水文極值變異規律方面研究不足。

故此,本文以受氣候變化和人類活動影響大的黑河流域為研究對象,充分考慮流域尺度氣候和下墊面要素的空間異質性,以鶯落峽水文站出山口以上為上游和鶯落峽至正義峽之間為中游,將黑河流域劃分為兩個子流域;采用Pettitt突變檢驗、一元線性回歸等方法,有效識別上中游之間徑流的突變性和趨勢性變化特征;最后,基于11種水文特征指標,精準揭示由變化環境所導致的“水文一致性”的水文極值變異特征。

1 區域概況及數據收集

黑河發源于祁連山脈,干流總全長928km,鶯落峽出山口以上為黑河上游,屬于典型的高海拔山區,平均海拔高達3000m以上,是黑河流域的重要產流區[10-11]。上游流域總集水面積為10009km2,1970—2014年多年年均徑流量為15.6億m3。鶯落峽至正義峽之間為黑河的中游,河道長204km,兩岸地勢平坦,多年平均溫度6～8℃,年降水量為140mm,為典型干旱區,而正義峽以下為黑河的下游,大部分區域為沙漠戈壁,年降水量僅有為47mm,屬極端干旱區;受氣候變化和人類活動影響較小,水情變化不凸顯,故不考慮下游非一致條件對其水文過程的影響,黑河流域示意圖見圖1。

本文收集流域內部及周邊14個氣象站點1970—2014年逐日降水量和氣溫數據,并從相關機構收集到同期鶯落峽和正義峽實測徑流資料。

2 研究方法

2.1 Pettitt突變檢驗方法

Pettitt突變檢驗方法是識別水文序列突變點的非參數檢驗方法[12],其在有效診斷水文時序突變情況的同時,還可檢驗突變是否具備數學統計意義上的顯著性,擬定統計量Ut,n:

(1)

(2)

(3)

式中:Kt,n為最大統計量;xt、xi為序列中的隨機變量;n為序列總長度;p為顯著性檢驗指標。

2.2 流域水情評估指標

基于流域氣象和水文數據,計算了11種水文特征指標(總徑流比、徑流降水彈性、基流指數、低流量、高流量、低流量歷時曲線斜率、中流量歷時曲線斜率、高流量歷時曲線斜率、高流量發生的頻次、低流量發生的頻次和自相關性),用以揭示流域的水情變化特征,且對各時間尺度水文過程均較敏感。這些水文特征指標其物理描述見表1。

表1 流域水情評價指標

3 結果與討論

3.1 徑流年際變化特征

3.1.1 年際尺度徑流突變檢驗結果

圖2為采用Pettitt方法識別的黑河流域上中游徑流突變檢驗結果。可以看出,上中游對應的鶯落峽水文站和正義峽水文站均發生了顯著突變,其突變年份分別為1993年和1989年。同樣,由黑色曲線變化過程可以看出,在徑流變異前,二者徑流量均呈增加趨勢變化特征,且通過了95%顯著性水平檢驗,但徑流變異后徑流呈微弱下降趨勢。而上游和下游徑流突變年份不同可能歸因于上游屬于高寒融雪區,受氣候變化影響較大;中游屬于平原區,受人類活動影響較大。

3.1.2 年際尺度徑流趨勢性檢驗結果

表2和圖3為采用一元線性回歸方法檢驗得到的黑河流域上中游徑流趨勢檢驗結果。首先,由圖2擬合線可以看出,鶯落峽以上流域平均年徑流量大于中游(鶯落峽至正義峽之間),且隨著時間推移,二者之間的差異逐漸增大(由擬合線可知)。

表2 黑河流域上中游徑流趨勢檢驗統計量取值情況

圖3 黑河流域上中游徑流趨勢檢驗結果

由圖3(a)可以看出,上游年徑流量整體呈顯著增加趨勢,且在1989—1996年出現極端低流量事件,即該結論與突變檢驗結果相一致,而中游年徑流量整體呈微弱增加趨勢;此外,由95%置信區間寬度可以看出,1985—1995年間徑流置信區間寬度最窄,意味著該時期徑流量年際變化小。

由表2同樣可以看出,徑流變異前后,上游和中游趨勢檢驗結果差異明顯。詳細結果如下:

a.徑流突變前,上游和中游水文站的年徑流量分別以8.90m3/(s·10a)速率增加和0.50m3/(s·10a)的速率遞減,徑流變異后,二者均呈增加趨勢,且前者大于后者。

b.徑流突變前,上游和中游水文站的年徑流量的F檢驗統計值分別為11.15和1.22,而徑流變異后,其值分別為28.49和21.49。

c.總的來說,黑河流域水文情勢在流域尺度內具有顯著的非一致性變化特征。

3.2 徑流變異對不同量級流量的影響

本文根據McMillan等[13]研究建議,將徑流變異前后不同量級流量下流量歷時曲線進行中值處理,可有效解決不同大小集水區中快流、慢流之間的水分配不統一問題。

圖4為黑河流域上中游徑流變異對不同量級流量的影響結果。可以看出:

圖4 黑河流域上中游徑流變異對不同量級流量的影響

a.徑流變異后,極端高流量值均增大,且發生頻次增加,這與近年來的極端洪澇災害事件增多相吻合。

b.由變異前后的流量歷時曲線(FDC)可以看出,氣候變化和人類活動不僅改變了洪峰流量大小,也改變了水文過程(曲線平滑度降低);對于上游,超越概率為0.10時,其流量值與其中位數的比值為4.70,徑流變異后,其值為4.85;同理對于中游,徑流變異前,其流量值與其中位數的比值為2.50,徑流變異后,其值為3.05。

c.總之,非一致性條件對中游水文過程的改變度大于上游,且上中游極端高流量洪水事件均呈增加趨勢,應予以重視。

3.3 非一致條件對上中游水文過程的影響

表3為徑流變異前后水文特征值變異結果。可知:非一致條件下,11種水文特征指標均發生了不同程度改變,其中總徑流比Rr變化最大,如徑流變異前后,中游Rr值分別為167.02和139.46;同時,對上中游低流量的影響也較大;如徑流變異前后,上游Fl值分別為0.02和0.12,中游Fl值分別為0.24和0.33。

表3 徑流變異前后水文特征值變異結果

由采用數字濾波Chapman-Maxwell方法[13]得到的基流指標(BFI)表明,徑流變異后,上游和中游的BFI值分別改變了0.03和0.07,即中游基流量對總徑流量的貢獻減少程度更大,這與流域徑流的增加相反,意味著人類活動、水利工程等影響顯著改變了地下水文過程。

此外,由水文過程線與滯后1天水文過程線的相關性系數(AC1)和高流量頻率Fh可知,徑流變異改變上中游的極端高流量,但未顯著改變流域水文過程。

總之,非一致性條件下黑河流域的水文規律發生了較大改變,尤其是對極端水文特征指標的影響較大。

4 結 語

本文以受氣候變化和人類活動影響大的黑河流域為研究對象,充分考慮流域尺度氣候和下墊面要素的空間異質性,將黑河流域劃分為兩個子流域,采用Pettitt突變檢驗、一元線性回歸等方法,有效識別上中游之間徑流的突變性和趨勢性變化特征。最后,基于11種水文特征指標,精準揭示非一致性條件下流域水文特征的時空變異規律。結果表明:

a.上中游對應的鶯落峽水文站和正義峽水文站均發生了突變,其突變年份分別為1993和1989年,且通過了95%置信水平顯著性檢驗;同時1985—1995年間鶯落峽和正義峽水文站年徑流量出現極端低值區,整體來講年徑流量呈弱增加上升趨勢變化規律。

b.徑流變異改變了流量歷時曲線(FDC)的極端高值區,且近年來極端高流量呈增大趨勢;同時,中游的極端高值改變量大于上游。