熊新芝, 郭巧玲, 孫 斌

(1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 河南 焦作 454003; 2.神華神東石圪臺煤礦, 陜西 神木 719300)

悖牛川徑流年內(nèi)分配變化規(guī)律研究

熊新芝1, 郭巧玲1, 孫 斌2

(1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 河南 焦作 454003; 2.神華神東石圪臺煤礦, 陜西 神木 719300)

摘要：[目的] 分析悖牛川徑流年內(nèi)分配變化特征，為流域水資源規(guī)劃、管理和開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。[方法] 根據(jù)悖牛川控制性水文站—新廟站1966—2010年實測月徑流資料，分析年內(nèi)分配不均勻系數(shù)、完全調(diào)節(jié)系數(shù)、集中度(期)等特性。并采用累積濾波器和Mann—Kendall秩相關(guān)法診斷各月徑流量的變化趨勢。 [結(jié)果] (1) 總體上，悖牛川徑流年內(nèi)分配呈雙峰型分布，其峰值分別出現(xiàn)在3和8月。徑流年內(nèi)分配很不均勻，8月份徑流量達(dá)到最大值，占年徑流量的37.63%；1月份降到最低值，僅占到年徑流量的0.65%； (2) 20世紀(jì)60—70年代的不均勻性和集中程度最大，80年代最小。最大徑流出現(xiàn)在7月中下旬到8月上中旬，相對比較集中； (3) 對于1966—2010年系列，各月徑流量都處于顯著減小的趨勢。 [結(jié)論] 受氣候和人類活動的影響，悖牛川月徑流量年內(nèi)分布不均且均呈現(xiàn)減少趨勢。

關(guān)鍵詞：徑流; 年內(nèi)分配; 不均勻性; 集中度(期); 悖牛川

河川徑流年內(nèi)分配是水文水資源學(xué)研究的重要內(nèi)容之一，它與河川徑流的補給來源、流域的自然地理要素、幾何特征以及人類活動等有著密切聯(lián)系，是國民經(jīng)濟各用水部門必不可少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1-2]。近年來隨著全球氣候和人類活動的影響，各流域的河川徑流量都出現(xiàn)了不同程度的增大或減小趨勢，同時以河川徑流為載體的社會、經(jīng)濟和環(huán)境發(fā)展指標(biāo)隨著徑流的時空分布變化也發(fā)生動態(tài)改變[3]。悖牛川是窟野河一級支流，隨著工農(nóng)業(yè)發(fā)展和生活用水增加，特別是流域煤炭資源的大量開采，導(dǎo)致河流徑流量不斷減少,徑流年內(nèi)分配發(fā)生很大變化，水資源供需矛盾加劇，生態(tài)環(huán)境日益惡化。目前，關(guān)于悖牛川的研究成果并不多見，僅有王瑋等[4]對悖牛川河谷區(qū)地下水滲流井開采方式及新增允許開采量的研究，張國忠等[5]對悖牛川煤化工基地供水水源地儲存量進(jìn)行計算分析；趙奎銀等[6]對單管旋噴樁技術(shù)在悖牛川與烏蘭木倫河交匯口路基坡角擋護(hù)工程中應(yīng)用進(jìn)行了介紹。悖牛川徑流年內(nèi)分配的研究文獻(xiàn)鮮見報道。本文利用相關(guān)水文氣象數(shù)據(jù)，深入分析悖牛川徑流年內(nèi)分配特征變化規(guī)律，以期為流域水資源規(guī)劃、管理和開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況

悖牛川是神木縣窟野河左岸的一級支流，為黃河二級支流，發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯神山溝，在神木縣店塔注入窟野河，流域面積2 274 km2，河道全長109 km，河道比降3.16‰，主要流經(jīng)地形破碎的黃土丘陵區(qū)。屬中溫帶干旱、半干旱大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱少雨、夏季炎熱多有暴雨、秋季降霜早凍、冬季寒冷少雪。多年平均氣溫7.9 ℃，降水量425.1 mm，年徑流量1.15×109m3，河川徑流主要由冰雪消融和降水補給。地貌按成因劃分為侵蝕剝蝕地形和侵蝕堆積河谷2類[7-8]。新廟水文站是悖牛川匯入窟野河的把口水文站，本研究采用新廟水文站1966—2010年的實測月徑流資料進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)來源于水文站的實際觀測值。

2材料與方法

2.1　數(shù)據(jù)資料

所用數(shù)據(jù)來源于悖牛川新廟水文站1966—2010年逐月實測徑流資料；受資料限制，降水、氣溫和蒸發(fā)等逐月氣象數(shù)據(jù)采用窟野河干流溫家川水文站數(shù)據(jù)，其中降水、氣溫數(shù)據(jù)為1966—2010年系列，蒸發(fā)數(shù)據(jù)位1979—2010年系列，以上數(shù)據(jù)均來源于水文站的實際觀測。

2.2　研究方法

研究徑流年內(nèi)分配特征的方法較多，通常使用較多的有各月、各季、汛期、非汛期、連續(xù)最大3～4個月、連續(xù)最小3～4個月徑流量占年徑流的百分比等[9-10]。除此之外，采用年內(nèi)分配不均勻系數(shù)、集中度(期)等指標(biāo),從不同角度分析悖牛川流域徑流年內(nèi)分配的變化規(guī)律。并采用累積濾波器法和Mann—Kendall秩相關(guān)法對月徑流量變化趨勢進(jìn)行分析。

2.2.1徑流年內(nèi)分配特性分析方法(1) 不均勻性。采用徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)和徑流年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)2個指標(biāo)來分析徑流的年內(nèi)變化[11]。徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cv計算公式為：

(1)

徑流年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)Cr計算公式為：

(2)

(3)

式中的年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)Cr與不均勻系數(shù)一樣，越大表示年內(nèi)分配越集中。

(2) 集中度和集中期。集中度和集中期是用逐月徑流量反映年內(nèi)徑流量集中程度和最大徑流出現(xiàn)時段的重要指標(biāo)。它是將月徑流量看作向量，月徑流量的大小和所處的月份分別作為向量的長度和方向[12]。從1—12月每月的方位角θi分別為0°，30°，60°，…，360°，并把每個月的徑流分解為x和y兩個方向上的分量，則x和y方向上的向量合成分別為：

(4)

式中：Ri，θ——月徑流量的大小和方向；Rx，Ry——X，Y方向合成向量；R——Rx和Ry的合成總向量。

集中度RCD和集中期RCP定義為：

(5)

由公式(5)可以看出，集中度(RCD)反映了集中期徑流量占年總徑流量的比例，集中期(RCP)則近似表示了一年中最大徑流量出現(xiàn)的時間。

2.2.2月徑流量變化趨勢分析方法

(1) 累積濾波器法[13]。采用累積濾波器法反映月徑流量的定性變化趨勢。原理為：

(6)

(2) Mann—Kendall秩相關(guān)[14]。M—K的秩相關(guān)可較好地定量說明月徑流量的變化趨勢，計算公式為：

教務(wù)處（部）作為校長和主管教學(xué)副校長領(lǐng)導(dǎo)下的主管全校教育教學(xué)工作的職能機構(gòu)，根據(jù)實際履行職責(zé)范圍、下設(shè)科室多少，存在“大教務(wù)”和“小教務(wù)”之分。從各校教務(wù)處（部）實際情況來看，基本屬于“大教務(wù)”范疇，涵蓋規(guī)劃、招生、培養(yǎng)、教研、教務(wù)、實踐、實驗等各方面，致使事務(wù)過于繁重、工作強度大，全然忙于“事務(wù)性”的應(yīng)付狀態(tài)。

(7)

(8)

(9)

j=1，2，…,i；n——序列長度；Ri——水文時間系列值。

若給定顯著性水平為0.05，當(dāng)│U│≥U0.05=1.96時，表明該序列趨勢變化顯著，反之，當(dāng)│U│

2.2.3徑流年內(nèi)分配趨勢分析方法采用非線性回歸法[14]擬合徑流年內(nèi)分配各指標(biāo)的變化趨勢。非線性回歸法實質(zhì)上屬于時間序列法，常用對數(shù)、多項式、指數(shù)和生長曲線等解析模型?；貧w技術(shù)是根據(jù)過去相互影響、相互關(guān)聯(lián)的因素的資料，由于不確定的函數(shù)關(guān)系，利用數(shù)學(xué)方法建立相互關(guān)系，擬合成一條確定曲線[15]。

3結(jié)果與分析

3.1　徑流年內(nèi)分配情況

新廟站不同年代徑流年內(nèi)分配統(tǒng)計特征詳見表1。在悖牛川流域徑流年內(nèi)出現(xiàn)的最大月份是8月份，最大月平均徑流量達(dá)到年平均徑流量的37.63%。徑流出現(xiàn)的最小月份在1月，其徑流量占到全年的0.65%。最大月平均徑流量是最小月平均徑流量的57.63倍。連續(xù)最大3個月徑流量出現(xiàn)在7—9月，占年徑流量的69.80%，連續(xù)最小3個月徑流量出現(xiàn)在12月至翌年2月，占年徑流量的3.09%，僅為連續(xù)最大3個月徑流量的4.42%。徑流年內(nèi)分配極不均勻。對比不同時期的徑流年內(nèi)分配特征，連續(xù)最大3個月徑流量占年徑流量的比例呈“減小—增加—減小”趨勢，最大1個月徑流量占年徑流量的比例呈“增加—減小—增加”趨勢；連續(xù)最小3個月和最小1個月徑流量占年徑流量的比例呈“增加—減小”趨勢。

總體上新廟站各個年代徑流年內(nèi)分配均呈明顯的“雙峰型”分布，這主要和該河流受融雪和降水補給的特性有關(guān)。月徑流量1—2月處于低值；3月隨著氣溫的上升，上游山區(qū)冰雪融化，冰雪融水補給形成明顯春汛，月徑流量增加；4月徑流量逐漸減??；到了7月，隨著汛期降水的增加，月徑流量再次增加，8月達(dá)到峰值，9月開始減小直至12月再次到達(dá)低值。其中，7—9月的徑流量明顯大于其他月份。對比不同時期各月的徑流量，20世紀(jì)60—70年代的各月徑流量較大，80—90年代有一定程度的減小，21世紀(jì)初各月的徑流量進(jìn)一步減少，與前4個時期相比有顯著的差異。

表1　新廟站不同年代徑流年內(nèi)分配統(tǒng)計特征

3.2　徑流年內(nèi)分配特征

新廟站徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)、完全調(diào)節(jié)系數(shù)、集中度和集中期的計算成果詳見表2。由表2可以看出，新廟站徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)和年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)變化規(guī)律基本相似，20世紀(jì)60，70，90年代的值都大于相應(yīng)的多年均值，其徑流量年內(nèi)分配較為不均。20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)初的值均小于相應(yīng)的多年均值，其徑流量年內(nèi)分配相對較為均勻。將不同時期年內(nèi)分配特性的指標(biāo)值進(jìn)行對比，可以看出20世紀(jì)60—70年代的不均勻性最大，而80年代的不均勻性最小。從徑流年內(nèi)分配集中度看，也是20世紀(jì)60，70，90年代的值大于多年均值，徑流年內(nèi)分配相對集中；20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)初的值小于多年均值，徑流年內(nèi)分配相對不集中。20世紀(jì)60—70年代集中度最大，而80年代集中度最小。就徑流集中期而言，20世紀(jì)各年代，最大徑流出現(xiàn)時間呈提前的趨勢，各年代最大徑流出現(xiàn)時間分別比上年代提前了6，15和5 d，到了21世紀(jì)初，最大徑流出現(xiàn)時間有15 d的推遲。20世紀(jì)60—70年代和21世紀(jì)初徑流集中期出現(xiàn)在8月上中旬，相對多年均值，徑流集中期推遲了1～12 d；20世紀(jì)80—90年代徑流集中期主要集中在7月中下旬，徑流集中期比多年均值提前了9～16 d?？傮w上，在悖牛川流域最大徑流一般出現(xiàn)在7月中下旬到8月上中旬，相對比較集中。

表2　悖牛川河徑流年內(nèi)分配不均勻性和集中度(期)

3.3　月徑流量變化趨勢

受氣候變化和人類活動等多種因素的影響，悖牛川徑流量的年內(nèi)各月分配發(fā)生了一定的改變，新廟站各月徑流量基本上都處于減少趨勢。為了比較深入的分析悖牛川河各月徑流量變化趨勢，繪制新廟站1966—2010年徑流量累積距平線(圖1)，進(jìn)行變點分析，將徑流劃分為水文特征變化相似的時段。由圖可知，變點分別是1979年和1997年。據(jù)此，對新廟站1966—1978,1979—1996,1997—2010和1966—2010年4個時段的月徑流量進(jìn)行Mann—Kendall非參數(shù)統(tǒng)計檢測，在0.05顯著性水平下，1966—1978年的月徑流序列U值，除2月的U值超出臨界值，表現(xiàn)為顯著增加趨勢外，其余各月雖有一定的增加或減小，但都未超出臨界值，增加或減小趨勢并不顯著。1979—1996年的月徑流序列U值，超出臨界值的有3—5月和9—11月，且都呈現(xiàn)出顯著減小的趨勢。1997—2010年的月徑流序列U值，超出臨界值的有1—3月、7月和10—12月，仍然都呈現(xiàn)出顯著減小的趨勢。對比不同時段各月的徑流量變化趨勢，可以發(fā)現(xiàn)，1和12月的徑流量由第一時段的增加趨勢，變?yōu)榈?時段的減小趨勢，進(jìn)一步演變?yōu)榈谌龝r段的顯著減小趨勢。2月的徑流量由第1時段的顯著增加趨勢，變?yōu)榈?時段的略微增加趨勢，再轉(zhuǎn)變?yōu)榈?時段的顯著減小趨勢。3月的徑流量由第1時段的增加趨勢，變?yōu)榈?，3時段的顯著減小趨勢。4和5月的徑流量由第1時段的減小趨勢，變?yōu)榈?時段的顯著減小趨勢，再轉(zhuǎn)變?yōu)榈?時段的減小趨勢。6月的徑流量由第1時段的增加趨勢，變?yōu)榈?，3時段的減小趨勢。7月的徑流量由第1時段的輕微減小趨勢，變?yōu)榈?時段的略微增加趨勢，再轉(zhuǎn)變?yōu)榈?時段的顯著減小趨勢。8月的徑流量在3個時期的徑流趨勢沒有明顯的變化，都處于略微減小趨勢。9月的徑流量由第1時段的輕微增加趨勢，變?yōu)榈?時段的顯著減小趨勢，再轉(zhuǎn)變?yōu)榈?時段的減小趨勢。10月的徑流量由第1時段的減小趨勢，變?yōu)榈?，3時段的顯著減小趨勢。11月的徑流量由第一時段的輕微增加趨勢，變?yōu)榈?，3時段的顯著減小趨勢。就整個研究期1966—2010年來看，各月的徑流量都處于顯著減小趨勢。

圖1　新廟站年徑流量累積距平曲線

月份1966—1978年(n=13)U值顯著性1979—1996年(n=18)U值顯著性1997—2010年(n=14)U值顯著性1966—2010年(n=45)U值顯著性11.46不顯著-0.64不顯著-3.45顯著-3.38顯著22.56顯著0.04不顯著-3.89顯著-3.40顯著30.98不顯著-2.84顯著-2.14顯著-5.07顯著4-0.24不顯著-2.08顯著-1.15不顯著-5.05顯著5-0.37不顯著-2.08顯著-1.59不顯著-4.11顯著60.37不顯著-1.33不顯著-1.04不顯著-2.39顯著7-0.37不顯著0.95不顯著-2.57顯著-2.90顯著8-0.37不顯著-0.87不顯著-0.82不顯著-3.83顯著90.73不顯著-2.77顯著-1.59不顯著-5.22顯著10-0.24不顯著-2.01顯著-2.03顯著-5.22顯著110.01不顯著-3.67顯著-3.34顯著-6.40顯著121.34不顯著-0.04不顯著-3.67顯著-3.23顯著

注：n為年序列長度(a)。

3.4　徑流年內(nèi)分配特征的變化趨勢

徑流年內(nèi)分配特征各指標(biāo)的變化過程及其擬合曲線如圖2所示。由圖2可知，1966—2010年新廟站的徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)、完全調(diào)節(jié)系數(shù)、集中度和集中期的變化過程基本一致，不均勻系數(shù)、完全調(diào)節(jié)系數(shù)和集中度的較大值及較小值都處在相同或相近的年份。同時，各指標(biāo)的變化過程都呈現(xiàn)波狀起伏過程，但變化幅度略有不同。不均勻系數(shù)、完全調(diào)節(jié)系數(shù)、集中度的變化幅度較大，集中期的變化幅度較為緩和。

圖2　研究區(qū)徑流年內(nèi)分配特性指標(biāo)變化

4氣候因素與人類活動對悖牛川徑流年內(nèi)分配的影響

依據(jù)前面變點分析結(jié)果，對悖牛川流域不同時期的氣象要素(降水、氣溫和蒸發(fā))與徑流的關(guān)系進(jìn)行分析(圖3)。由圖3可以看出，不同時期降水、氣溫和蒸發(fā)的年內(nèi)分配規(guī)律基本一致，而徑流卻產(chǎn)生了明顯的變化。在降水量較大的6—9月，不同時期各項氣象要素基本不變的情況下，徑流量卻從1966—1978年的8.91×107m3減少到1979—1996年的6.32×107m3，進(jìn)一步減少到1997—2010年的1.99×107m3，分別比上一時期減少2.59×107m3，4.33×107m3，汛期徑流大幅下降。而在徑流量最小的3個月份(1—2月和12月)，不同時期的徑流量分別為3.51×107m3，3.55×106m3，1.15×106m3，前兩個時期的徑流量基本一致，而到了1997年以后，徑流量出現(xiàn)大幅下降。說明氣象要素對徑流量的影響越來越弱，而人類活動對流域徑流年內(nèi)分配的影響逐漸加強。在悖牛川流域，改變徑流的人類活動包括水土保持措施、退耕還林(草)措施、煤炭開采等。20世紀(jì)末的大規(guī)模煤礦開采對徑流量的影響最為顯著。據(jù)統(tǒng)計，悖牛川流域1998年原煤產(chǎn)量7.13×106t，2009年迅速上升到1.78×108t，是1998年的25倍。流域沿岸煤炭資源開采量迅速增加，導(dǎo)致大量導(dǎo)水裂隙的形成，改變流域下墊面條件，對河川徑流產(chǎn)生顯著影響。蔣曉輝等[16]曾提出在1997—2006年，由于煤礦開采導(dǎo)致整個窟野河水資源減少量為2.9×108m3/a，是近年來河川徑流減小及徑流年內(nèi)分配變化的主要影響因素。

5結(jié) 論

(1) 悖牛川徑流年內(nèi)分配曲線為雙峰型，月徑流量1—2月處于低值，3—4月由于上游冰雪融水補給形成明顯春汛。7月隨著汛期降水增加，徑流量迅速增加，8月達(dá)到峰值。9月后開始下降，12月再次到達(dá)低值。徑流年內(nèi)分配很不均勻，最大月徑流量達(dá)到年徑流量的37.63%，而最小月徑流量僅占全年的0.65%；連續(xù)最大3個月徑流量占年徑流量的69.80%，連續(xù)最小3個月徑流量僅為全年的3.09%。

(2) 20世紀(jì)60年代至今，徑流年內(nèi)分配各項指標(biāo)的變化趨勢基本一致，都呈現(xiàn)出“減小—增加—減小”的趨勢。20世紀(jì)60—70年代的不均勻性最大，而80年代的不均勻性最小。就徑流集中期而言，最大徑流一般出現(xiàn)在7月中下旬到8月上中旬，相對比較集中。

圖3　不同時期徑流年內(nèi)分配與氣象因素年內(nèi)分配對比

(3) 20世紀(jì)60年代以來，悖牛川各月徑流量基本都處于減少趨勢。通過變點分析，將徑流劃分為水文特征變化相似的時段。在0.05顯著性水平下，1966—1978年除2月的徑流量處于顯著增加趨勢外，其余月份的變化趨勢都不顯著。1979—1996年有6個月份的徑流量處于顯著減少的趨勢。到了1997—2010年，徑流量顯著減少的月份增加到7個。對于整個研究期，12個月份的徑流量都處于顯著減小的趨勢。

(4) 徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)、完全調(diào)節(jié)系數(shù)、集中度和集中期的變化過程基本一致，各指標(biāo)的變化

過程都呈現(xiàn)波狀起伏過程，但變化幅度略有不同。

(5) 悖牛川流域徑流年內(nèi)分配特征主要受氣象因素和人類活動2方面的影響，氣候的影響呈減弱趨勢，人類活動的影響與日俱增。盡管分析中氣象要素所用數(shù)據(jù)為鄰近溫家川水文站觀測數(shù)據(jù)，由于兩站距離不足10 km，因此，可以反映氣象因素和人類活動對徑流年內(nèi)分配影響。

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Change of Annual Runoff Distribution in Beiniuchuan River Basin

XIONG Xinzhi1, GUO Qiaoling1, Sun Bin2

(1.InstituteofResource&Environment,He’nanPolytechnicUniversity,Jiaozuo,He’nan454003,China; 2.ShenhuaShendongShigetaiColliery,Shenmu,Shaanxi719300,China)

Abstract：[Objective] Distributional changes of annual runoff in Beiniuchuan River basin were studied to provide a scientific basis for water resource planning, management and exploitation. [Methods] Based on the observed monthly streamflow in Xinmiao station from 1966 to 2010, annual distributional unevenness and concentration degree were calculated. Then Mann—Kendall test and cumulative filter method were employed to detect the trend of intra-annual runoff. [Results] (1) Generally, seasonal runoff distribution was bimodal with two peak values in August and March. The annual runoff distribution was very uneven with its maximum in August, which accounted for 37.63% of annual runoff. The minimum runoff in January only accounted for 0.65% of it. (2) The unevenness and concentration degree of runoffs in 1960s and 1970s reached the maximum, and they hit the lowest in 1980s. The maximum runoff occurred in late July to mid-August, relatively concentrated. (3) Monthly runoff had an obvious declining trend from 1966 to 2010. [Conclusion] Resulted from climatic change and human activity, the annual runoff showed an uneven distribution and the monthly runoff had a declining trend.

Keywords:runoff; annual runoff distribution; non-uniformity; concentration degree(period); Beiniuchuan River Basin

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0335-06

中圖分類號：TV121+.4

通信作者：郭巧玲(1978—),女(漢族),陜西省華陰市人,博士，副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事水文水資源方面的教學(xué)和研究工作。E-mail:guoqiaoling@hpu.edu.cn。

收稿日期：2014-09-17修回日期：2014-11-16

資助項目：國家自然科學(xué)基金青年項目“煤礦開采對地表徑流影響機理及評價模型研究”(41201020)

第一作者：熊新芝(1988—),女(漢族),河南省鄭州市人,碩士研究生,研究方向為水文水資源。E-mail:xiongxinzhi9@163.com。