曹小磊，周祖昊，許　翼，王子茹（.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 0008；.大連理工大學(xué)水資源與防洪研究所，遼寧 大連 6086；.沈陽(yáng)環(huán)境科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 006）

流域水文氣象變化趨勢(shì)及相關(guān)性分析

曹小磊1，2，周祖昊1，許翼3，王子茹2
（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；
2.大連理工大學(xué)水資源與防洪研究所，遼寧 大連 116086；3.沈陽(yáng)環(huán)境科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110016）

采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)和線性回歸分析法，對(duì)松花江流域及水資源二級(jí)區(qū)1956-2010年的水文氣象要素進(jìn)行趨勢(shì)分析，并采用Pearson相關(guān)系數(shù)方法，分析了研究區(qū)天然徑流與氣象要素之間的相關(guān)關(guān)系。趨勢(shì)分析結(jié)果表明：松花江流域的氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，降水呈不顯著的減少趨勢(shì)，日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度和風(fēng)速呈顯著的減小趨勢(shì)，潛在蒸散發(fā)呈顯著增加趨勢(shì)，天然徑流深呈不顯著的減少趨勢(shì)。相關(guān)性分析結(jié)果表明，影響天然徑流變化的主要因素是降水量，蒸散發(fā)變化也對(duì)徑流有較為顯著的影響作用，相對(duì)濕度減少和溫度升高也在一定程度上通過對(duì)蒸散發(fā)的影響間接作用于徑流變化。

水文氣象要素；Mann-Kendall；趨勢(shì)分析；相關(guān)性分析

0　引言

氣候變化改變了地表的水熱條件，使全球水資源供給條件發(fā)生變化，進(jìn)而影響地表的生態(tài)水文過程，以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)［1］。由于區(qū)域條件的差異，氣候變化情況具有不確定性，根據(jù)IPCC報(bào)告［2］，高緯度地區(qū)屬于氣候變化的敏感區(qū)域。寒區(qū)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化的高度敏感性導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)加速退化［3］，在氣候變化及生態(tài)系統(tǒng)變化驅(qū)動(dòng)作用下，寒區(qū)的水文循環(huán)過程發(fā)生了顯著改變。松花江流域是我國(guó)氣候變化敏感區(qū)，近年來，受氣候變化影響，松花江流域干旱洪澇頻發(fā)，水土流失嚴(yán)重［4］。目前針對(duì)松花江流域氣候變化及其影響的研究大部分集中在單個(gè)氣象、水文要素或局部區(qū)域的研究［4-9］，缺乏對(duì)全流域氣象、水文要素變化以及水文要素與各氣象因子之間相關(guān)關(guān)系的系統(tǒng)全面的研究分析?；?956—2010年長(zhǎng)系列氣象水文資料，對(duì)松花江流域的氣象、水文要素的變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析，并探討了影響流域徑流變化的主要?dú)庀笠蛩?，以期為松花江流域的水資源可持續(xù)利用、生態(tài)建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

松花江流域地處我國(guó)東北地區(qū)的北部，流域面積55.68萬(wàn)km2。松花江有南、北兩源，南源為第二松花江，流域面積7.82萬(wàn) km2；北源為嫩江，流域面積28.3萬(wàn)km2［6］，兩源于三岔河附近匯合向東而流注入黑龍江。松花江流域地處北溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量在500 mm左右，東南部山區(qū)降水可達(dá)700～900 mm，而干旱的西部地區(qū)只有400 mm，流域多年平均水資源總量為960.9億m3，多年平均氣溫在-5～3℃之間。

2　研究數(shù)據(jù)和方法

氣象資料來自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，包括松花江流域內(nèi)的46個(gè)氣象站和周邊18個(gè)氣象站的1956—2010年的逐日降水、氣溫、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度和風(fēng)速數(shù)據(jù)。采用距離平方反比法（RDS）對(duì)松花江流域內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，統(tǒng)計(jì)得到各水資源分區(qū)的平均值。徑流資料來源于松遼流域水資源綜合評(píng)價(jià)的成果，具體收集了松花江流域1956—2000年45年的天然徑流深數(shù)據(jù)，并依據(jù)1999—2010年的《松遼流域水資源公報(bào)》將天然徑流數(shù)據(jù)延長(zhǎng)至2010年。

采用線性回歸分析法和Mann-Kendall趨勢(shì)分析法［10］，分析松花江流域的氣象要素和水文要素的年際變化趨勢(shì)，在顯著性水平α=0.05時(shí)，Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的臨界值為±1.96；采用pearson相關(guān)系數(shù)方法［11］，分析天然徑流與各氣象要素的相關(guān)關(guān)系。

3　結(jié)果分析

3.1松花江流域氣象要素變化趨勢(shì)分析

對(duì)松花江流域及水資源二級(jí)區(qū)1956—2010年的降水、平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度和風(fēng)速的變化趨勢(shì)，進(jìn)行Mann-Kendall趨勢(shì)線檢驗(yàn)和線性回歸分析，如表1所示。松花江流域降水呈不顯著的減少趨勢(shì)，平均減少幅度為0.80 mm/a；嫩江、第二松花江和松花江（三岔河口以下）的降水均呈不顯著減少趨勢(shì)，平均減少幅度分別為0.61 mm/年、0.52 mm/a和1.21 mm/a。松花江流域氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，平均升幅為0.39℃/10 a；嫩江、第二松花江和松花江（三岔河口以下）的氣溫均呈顯著上升趨勢(shì)，平均上升幅度分別為0.42℃/1 0a、0.38℃/10 a和0.27℃/10 a。松花江流域日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度和風(fēng)速均呈顯著的減少趨勢(shì)，各水資源分區(qū)的日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度和風(fēng)速也均為顯著減少趨勢(shì)，只是受地理位置、下墊面條件等因素影響，減少程度有所不同。3.2松花江流域潛在蒸散發(fā)趨勢(shì)分析

表1　松花江流域氣象要素趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

蒸散發(fā)是能量平衡和水量平衡的重要組成部分，是水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，潛在蒸散發(fā)是實(shí)際蒸散量的理論上限，通常也是計(jì)算實(shí)際蒸散量的基礎(chǔ)［12］。根據(jù)插值得到的日氣象資料和彭曼公式［13］，計(jì)算松花江流域的多年平均潛在蒸散發(fā)為659.53 mm，其中嫩江、第二松花江和松花江（三岔河口以下）的潛在蒸散發(fā)多年平均值分別為667.98 mm、 670.32 mm和645.55 mm。松花江流域潛在蒸散發(fā)的年際變化如圖1所示，Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)和線性回歸分析結(jié)果顯示其呈顯著增加趨勢(shì)，平均增幅為0.75 mm/a，見表2。從水資源分區(qū)來看，嫩江的潛在蒸散發(fā)呈顯著增加趨勢(shì)，平均增幅為0.95 mm/a，第二松花江和松花江（三岔河口以下）的潛在蒸散發(fā)呈不顯著增加趨勢(shì)，平均增幅為0.47 mm/a和0.53 mm/a。 3.3松花江流域徑流趨勢(shì)分析

圖1　松花江流域潛在蒸散發(fā)年際變化

表2　松花江流域潛在蒸散發(fā)趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

松花江流域的多年平均天然徑流深為142.62 mm，徑流系數(shù)為0.26，利用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法和線性回歸分析方法，對(duì)天然徑流的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示，松花江流域1956—2010年的徑流呈波動(dòng)減少趨勢(shì)，平均減少幅度為0.53 mm/a，Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)得到的統(tǒng)計(jì)值為-1.29，即不顯著減少趨勢(shì)。

圖2　松花江流域徑流年際變化過程

表3給出了松花江流域1956—2010年徑流的平均值、徑流系數(shù)、變差系數(shù)和趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果。嫩江、第二松花江和松花江（三岔河口以下）多年平均天然徑流深分別為94.30 mm、223.16 mm和185.50 mm。從徑流變差系數(shù)來看，嫩江最大，表明嫩江徑流年際變化較大，而第二松花江和松花江（三岔河口以下）徑流變化則相對(duì)較小。Man-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果表明：嫩江的天然徑流呈顯著減少趨勢(shì)，平均減少幅度為0.48 mm/a；第二松花江和松花江（三岔河口以下）的天然徑流則呈不顯著減少趨勢(shì)，平均減少幅度分別為0.11 mm/a 和0.76 mm/a。3.4松花江流域徑流與氣象要素的相關(guān)性分析

表3　松花江流域徑流統(tǒng)計(jì)量和趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

分析松花江流域1956—2010年的天然徑流和降水的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果見表4，徑流與降水存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.93?？梢?，松花江流域近幾十年來徑流減少，主要是由于降水減少引起的。從水資源分區(qū)來看，嫩江、第二松花江、松花江（三岔河口以下）徑流和降水均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.89，0.92和0.93。

對(duì)松花江流域的徑流和潛在蒸散發(fā)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表4所示，徑流與潛在蒸散發(fā)呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.72。

表4　松花江流域徑流與氣象要素的相關(guān)系數(shù)

可見，松花江流域蒸散發(fā)變化對(duì)徑流的影響雖然不及降水，但也較為顯著，是徑流變化的因素之一。潛在蒸散發(fā)增加的趨勢(shì)表明地區(qū)的蒸散發(fā)能力呈逐漸增大趨勢(shì)，更多的降水將以蒸散發(fā)的形式返回到大氣中，導(dǎo)致地區(qū)產(chǎn)流系數(shù)的下降。從水資源分區(qū)來看，嫩江、第二松花江、松花江（三岔河口以下）徑流和潛在蒸散發(fā)呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.64，-0.59和-0.74。

區(qū)域蒸散發(fā)又受氣溫、日照、相對(duì)濕度和風(fēng)速4個(gè)要素的影響，各氣象要素通過對(duì)蒸散發(fā)的影響間接作用于徑流。通過分析氣溫、日照、相對(duì)濕度、風(fēng)速和潛在蒸散發(fā)的相關(guān)關(guān)系，可以進(jìn)一步明確各氣象要素對(duì)徑流的影響程度。

表5　松花江流域潛在蒸散發(fā)與氣象要素的相關(guān)系數(shù)

由表5的分析結(jié)果可以看出，松花江流域的氣溫、日照、相對(duì)濕度、風(fēng)速和潛在蒸散發(fā)均存在較好的相關(guān)性，其中，蒸散發(fā)與相對(duì)濕度的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)為-0.78；其次是溫度，相關(guān)系數(shù)為0.52?？梢姡瑴囟群拖鄬?duì)濕度是影響松花江流域蒸散發(fā)變化的主要?dú)庀笠蛩?，同時(shí)也在一定程度上引起徑流變化。日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速對(duì)潛在蒸散發(fā)的影響作用相對(duì)較弱，相關(guān)系數(shù)分別為0.36和-0.30，受其他氣象因素的影響作用，松花江流域風(fēng)速與潛在蒸散發(fā)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。水資源分區(qū)各氣象要素與潛在蒸散發(fā)的相關(guān)關(guān)系基本與松花江流域相同。

4　結(jié)論

分析松花江流域近195—2010年的水文氣象要素變化趨勢(shì)，以及影響松花江流域徑流變化的主要因素，得出：

松花江流域的氣溫呈上升趨勢(shì)，降水、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度和風(fēng)速呈下降趨勢(shì)，潛在蒸散發(fā)呈增加趨勢(shì)，天然徑流深呈下降趨勢(shì)。其中，溫度的平均上升幅度為0.39℃/10 a，降水的平均減少幅度為0.80 mm/a，潛在蒸散發(fā)的平均增加幅度為0.75 mm/a，徑流的平均減少幅度為0.53 mm/a。

通過對(duì)松花江流域徑流、潛在蒸發(fā)和氣象要素之間的相關(guān)性分析，表明影響天然徑流下降的主要原因是受降水減少的影響，此外，蒸散發(fā)量增加也是松花江流域天然徑流減少的主要原因之一；其他四個(gè)氣象要素主要通過對(duì)蒸散發(fā)的影響間接作用于地區(qū)的徑流量，而氣象要素和潛在蒸散發(fā)之間的相關(guān)性分析表明，引起松花江流域蒸

發(fā)變化的主要原因是相對(duì)濕度和氣溫。

［1］王寶鑒，宋連春，張強(qiáng)，等.石羊河流域水資源對(duì)氣候變暖的響應(yīng)及對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2007，2（7）：730-737.

［2］IPCC.Climatechange2007：Synthesisreport［M］.Cambridge：Cambridge University Press，2007.

［3］王根緒，李元壽，王一博，等.長(zhǎng)江源區(qū)高寒生態(tài)與氣候變化對(duì)河流徑流過程的影響分析［J］.冰川凍土，2007，29（2）：159-169.

［4］俞方圓，鄭粉莉，李志，等.近51年松花江流域溫度變化趨勢(shì)分析［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2011，29（5）：242-252.

［5］李想，李維京，趙振國(guó).我國(guó)松花江流域和遼河流域降水的長(zhǎng)期變化規(guī)律和未來趨勢(shì)分析［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2005，16（5）：593-599.

［6］王彥君，王隨繼，蘇騰.1955-2010年松花江流域不同區(qū)段徑流量變化影響因素定量評(píng)估［J］.地理科學(xué)進(jìn)展，2014，33（1）：65-75.

［7］潘健，唐莉華.松花江流域上游徑流變化及其影響研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2013，32（5）：58-63，69.

［8］謝今范，韋小麗，張晨琛，等.第二松花江流域?qū)嶋H蒸散發(fā)的時(shí)空變化特征和影響因素［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2013，32（12）：3336-3343.

［9］溫姍姍，姜彤，李修倉(cāng)，等.1961-2010年松花江流域?qū)嶋H蒸散發(fā)時(shí)空變化及影響要素分析［J］.氣候變化研究進(jìn)展，2014，10（2）：79-86.

［10］李占玲，王小娟.黑河中上游氣象要素單調(diào)變化趨勢(shì)分析［J］.地理研究，2011，30（11）：2059-2066.

［11］Pearson K.On some novel properties of partial and multiple correlationcoefficientsinauniverseofmanifoldcharacteristics ［J］.Biometrika，1916，11（3）：231-238.

［12］高歌，陳德亮，任國(guó)玉，等.1956～2000年中國(guó)潛在蒸散量變化趨勢(shì)［J］.地理研究，2006，25（3）：378-387.

［13］Penman H.L.Natural evaportranspiration from open water，bare soil and grass［J］.Pro R Soc Lond A，1948，193：120-145.流域上下游各水文站設(shè)計(jì)洪水成果點(diǎn)繪在地區(qū)綜合圖上進(jìn)行分析，洪峰、洪量均值隨集水面積的增大而增大，Cv值隨集水面積的增大而減小，各設(shè)計(jì)成果在地區(qū)分布上是合理的。另外，通過將桓仁、回龍山站的設(shè)計(jì)洪水成果點(diǎn)繪在實(shí)測(cè)峰量關(guān)系圖上進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)峰量值與實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)的分布趨勢(shì)較為協(xié)調(diào)。因此，本次計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水參數(shù)是合理的。5.3成果對(duì)比分析

將這次計(jì)算的桓仁、回龍山、太平哨水電站壩址設(shè)計(jì)洪水成果與1972年太平哨初設(shè)審定成果比較，均值減小，Cv值增大，各頻率設(shè)計(jì)洪水成果均有所減小。其中洪峰流量設(shè)計(jì)成果減小幅度在0%～8%之間，3 d洪量成果減小幅度在4%～10%之間，分析其原因，主要為1971年以后渾江流域雖然發(fā)生了1986，1995，2010年等大水，但其量級(jí)相對(duì)于1888，1960年等歷史洪水還有一定差距，對(duì)前4位大洪水的排位無(wú)影響，而洪水系列的延長(zhǎng)導(dǎo)致大洪水重現(xiàn)期增加，致使頻率曲線中的大洪水點(diǎn)距左移，且本次延長(zhǎng)系列中大多數(shù)年份洪水量級(jí)不大，導(dǎo)致均值減小，從而使本次洪峰、洪量設(shè)計(jì)

值較太平哨初設(shè)成果整體減小。

6　結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)桓仁、回龍山、太平哨水電站壩址設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行復(fù)核分析，各壩址設(shè)計(jì)洪峰、洪量成果較審定成果有一定程度的減小，因此，從工程安全角度分析，太平哨初設(shè)審定的洪水成果仍然是安全的?？紤]各水電站工程均已建成，為保持工程設(shè)計(jì)洪水成果相對(duì)穩(wěn)定、且從工程安全考慮，桓仁、回龍山、太平哨壩址洪水仍可沿用既往審定成果。

［參考文獻(xiàn)］

[收稿日期]2016-04-20

［1］常景坤，鄧秋良等.受上游水庫(kù)群影響的設(shè)計(jì)洪水分析研究［J］.中國(guó)水運(yùn)，2014（11）：240-241.

［2］L278-2002，水利水電工程水文計(jì)算規(guī)范［S］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2002.

［3］SL44-2006，水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范［S］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

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