王小鵬，王玉梅，吳 旭

邯鄲主城區(qū)降水徑流變化趨勢(shì)分析

王小鵬1，王玉梅2，吳 旭2

（1.河北建設(shè)勘察研究院有限公司，河北石家莊050030；2.河北省邯鄲水文水資源勘測(cè)局，河北邯鄲056001）

城市化是促使自然環(huán)境變化的最強(qiáng)大的因素之一，城市化的過(guò)程增進(jìn)了人類社會(huì)與周圍環(huán)境之間的相互作用過(guò)程。隨著邯鄲城市化水平的不斷提高，引發(fā)了一系列城市水資源與水環(huán)境問(wèn)題。研究了1956年以來(lái)邯鄲主城區(qū)降水量與徑流量的變化趨勢(shì)，并對(duì)二者進(jìn)行相關(guān)分析。研究結(jié)果表明，邯鄲主城區(qū)降水量無(wú)明顯變化趨勢(shì)而徑流量則有明顯下降趨勢(shì)，且1970年以后二者的相關(guān)性顯著下降。

城市化；M-K檢驗(yàn)；趨勢(shì)法；相關(guān)性；邯鄲

1 研究背景

華北山前平原西依太行山，北依燕山，是我國(guó)第二三階梯過(guò)渡地帶。近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的加快，山前平原城區(qū)水資源供需矛盾突出，地下水位處于下降趨勢(shì)，城區(qū)洪澇災(zāi)害嚴(yán)重[1]。邯鄲主城區(qū)位于太行山前平原，其氣候條件和城區(qū)下墊面條件都具有代表性，具有重要的研究意義。

邯鄲市主城區(qū)位于河北省最南部，西依太行山，東連邯鄲平原，是滏西平原的一部分，位于北緯36° 14′～36°43′、東經(jīng)113°53′～114°28′，包含叢臺(tái)區(qū)、復(fù)興區(qū)與邯山區(qū)3個(gè)行政區(qū)。2014年邯鄲市行政區(qū)劃重新劃分后，邯鄲縣三陵鄉(xiāng)、黃粱夢(mèng)鎮(zhèn)并入?yún)才_(tái)區(qū)，康莊鄉(xiāng)與戶村鎮(zhèn)并入復(fù)興區(qū)，邯鄲主城區(qū)行政面積由177.3 km2增大至392.4 km2。

1.1 地形地勢(shì)

邯鄲主城區(qū)地勢(shì)西高東低，由丘陵、崗坡地、沖洪積扇和沖積平原組成。丘陵區(qū)主要分布在城區(qū)西部，海拔高程為300～1 000 m，地表由閃長(zhǎng)巖、砂頁(yè)巖和較大面積的黃土組成。崗坡地主要分布在城區(qū)中部，海拔約為60～100 m，為丘陵與平原的過(guò)渡地帶，地面多由黃土組成。沖洪積扇和沖積平原位于城區(qū)東部，海拔約45～60 m，由黃土沉積物和夾雜碎石洪積物組成。

1.2 氣象水文

邯鄲主城區(qū)屬北溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨熱同期，具有春季干旱多風(fēng)、夏季炎熱多雨、秋季天高氣爽、冬季寒冷少雪等特征。

據(jù)歷年氣象資料統(tǒng)計(jì)，邯鄲主城區(qū)多年平均氣溫為14.0℃，極端最高氣溫為1972年6月11日的41.0℃，極端最低氣溫為1972年1月26日的-18.3℃；年日照時(shí)數(shù)為2 370.3 h，年日照率為53.0%；無(wú)霜期為207.8 d，初霜期一般出現(xiàn)在10月下旬，終霜期則出現(xiàn)在3月下旬。經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，邯鄲主城區(qū)1956—2014年系列的多年平均年降水量為502.2 mm，其中多年平均汛期（6—9月）降水量為376.8 mm，占多年平均年降水量的75.0%。

1.3 河流水系與水利工程

邯鄲主城區(qū)內(nèi)的天然河流有滏陽(yáng)河及其支流渚河、沁河、輸元河，人工河道有南水北調(diào)中線渠，自南向北穿過(guò)城區(qū)。其中，滏陽(yáng)河為常年性河流，渚河、沁河、輸元河為季節(jié)性河流。滏陽(yáng)河為子牙河水系一級(jí)支流，發(fā)源于邯鄲市峰峰礦區(qū)和村鎮(zhèn)附近，經(jīng)東武仕水庫(kù)調(diào)節(jié)后，流經(jīng)磁縣，由南向北穿過(guò)邯鄲主城區(qū)。渚河、沁河與輸元河均自西向東先后匯入滏陽(yáng)河，是排泄主城區(qū)南、中、北大部雨、污水的主要河道。渚河位于邯鄲市城區(qū)的西南部，上游有分別發(fā)源于復(fù)興區(qū)西望莊和會(huì)星頭的南、北2條支流，2條支流于西大屯村匯合后稱渚河，向東流經(jīng)邯山區(qū)張莊橋村南于節(jié)制閘上游匯入滏陽(yáng)河，河道全長(zhǎng)28.7 km，流域面積84.0 km2。沁河發(fā)源于武安市康二城鎮(zhèn)車網(wǎng)口、興盛莊一帶，向東流入邯鄲主城區(qū)，于叢臺(tái)區(qū)春廠匯入滏陽(yáng)河，河道全長(zhǎng)43.8 km，集水面積186.5 km2。1957年，在沁河齊村修建攔河壩并開(kāi)挖溢洪道，使齊村攔河壩以上的沁河水改道流入輸元河。輸元河位于邯鄲主城區(qū)西北部，發(fā)源于叢臺(tái)區(qū)紫山東麓姜窯村一帶，并匯入齊村大壩以上沁河來(lái)水，于蘇里村西北匯入滏陽(yáng)河，河流全長(zhǎng)19.9 km，流域面積73.1 km2。

自新中國(guó)成立至今，經(jīng)過(guò)邯鄲水利人的奮斗拼搏，興建了眾多的防洪、除澇、灌溉和水土保持等水利工程。目前，邯鄲市主城區(qū)包含?。?）型水庫(kù)2座、?。?）型水庫(kù)9座、橡膠壩3處、節(jié)制閘4處。各類水利工程設(shè)施的興建，大大提高了邯鄲主城區(qū)抵御自然災(zāi)害的能力，但同時(shí)也改變了當(dāng)?shù)叵聣|面狀態(tài)與徑流形成條件。由于大部分水利工程集中修建于1970年以前，故本文以1970年為界，將1956—2014年降水與徑流量實(shí)測(cè)資料序列分為先后兩部分，分別進(jìn)行趨勢(shì)計(jì)算分析，并進(jìn)行比較。

2 M-K檢驗(yàn)法介紹

曼-肯德?tīng)枡z驗(yàn)法（即Mann-Kendall檢驗(yàn)）是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，簡(jiǎn)稱M-K檢驗(yàn)法。它可以檢測(cè)流域降水的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)和突變情況。在時(shí)間序列趨勢(shì)分析中，M-K檢驗(yàn)法最初由Mann和Kendall提出，許多學(xué)者不斷應(yīng)用該方法分析降水、徑流、氣溫和水質(zhì)等要素時(shí)間序列趨勢(shì)變化[2-3]。

M-K檢驗(yàn)法無(wú)需樣本服從一定的分布，也不受個(gè)別異常值的干擾影響，適用于水文非正態(tài)分布數(shù)據(jù)且計(jì)算簡(jiǎn)便。在M-K檢驗(yàn)中，原假設(shè)H0為時(shí)間序列數(shù)據(jù)（x1,…,xn），是n個(gè)同分布的獨(dú)立隨機(jī)變量的樣本；假設(shè)H1是雙邊檢驗(yàn)，對(duì)于所有的k，j≤n，且k≠j，xk和xj的分布不相同，統(tǒng)計(jì)變量S計(jì)算公式為：

式中：x為被檢測(cè)樣本值，本文采用邯鄲主城區(qū)的年降水量序列。

其中：

S為正態(tài)分布，其均值為0，方差var(S)=n(n-1) (2n+5)/18。當(dāng)n≥10時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)統(tǒng)計(jì)變量z通過(guò)下式計(jì)算：

在雙邊的趨勢(shì)檢驗(yàn)中，在給定的α置信水平上，如果|z|≥z1-α/2，則原假設(shè)是不可接受的，即在α置信水平上時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢(shì)：大于0時(shí)是上升趨勢(shì)，小于0時(shí)是下降趨勢(shì)。當(dāng)|z|＜z1-α/2時(shí)，接受原假設(shè)，即趨勢(shì)不顯著。

3 降水量變化趨勢(shì)分析

根據(jù)邯鄲主城區(qū)及其周邊1956—2014年的雨量資料，選取臨洺關(guān)、武安、張莊橋、淑村等雨量站計(jì)算邯鄲主城區(qū)逐年降水量，分別采用趨勢(shì)線法和M-K檢驗(yàn)法對(duì)比分析邯鄲主城區(qū)近59 a年降水量的變化趨勢(shì)。由于從1970年開(kāi)始人類活動(dòng)影響顯著，各種水利工程不斷建成運(yùn)行，城市建設(shè)進(jìn)程明顯加快，為了更好地反映現(xiàn)狀及未來(lái)來(lái)水情勢(shì)，現(xiàn)采用1956—2014、1971—2014年兩段系列資料分別分析，如圖1—2所示。

圖11956 —2014年年降水量系列趨勢(shì)分析

圖21971 —2014年年降水量系列趨勢(shì)分析

由圖1—2可知，降水量極大值1 300 mm出現(xiàn)于1963年，極小值194.8 mm出現(xiàn)于1986年，1956—2014年降水量系列呈下降趨勢(shì)而1971—2014年降水量系列變化趨勢(shì)不明顯。

采用M-K檢驗(yàn)法，在置信水平0.95下，邯鄲主城區(qū)兩系列降水量資料均無(wú)明顯趨勢(shì)，見(jiàn)表1。

表1 降水量及徑流量系列資料M-K檢驗(yàn)法結(jié)果

4 徑流量變化趨勢(shì)分析

依據(jù)《河北省邯鄲縣水資源評(píng)價(jià)》、歷年邯鄲市水資源公報(bào)成果及張莊橋水文站實(shí)測(cè)資料進(jìn)行計(jì)算，得到邯鄲主城區(qū)1956—2014及1971—2014年年徑流量系列。通過(guò)趨勢(shì)法及M-K檢驗(yàn)法對(duì)徑流量系列進(jìn)行趨勢(shì)分析，如圖3—4所示，見(jiàn)表1。

圖31956 —2014年年徑流量系列趨勢(shì)分析

圖41971 —2014年年徑流量系列趨勢(shì)分析

由圖3—4可知，邯鄲主城區(qū)徑流量呈下降趨勢(shì)且下降趨勢(shì)較降水量更為顯著，1970年后徑流量下降趨勢(shì)減緩。

M-K檢驗(yàn)法與趨勢(shì)法結(jié)果均表明，邯鄲主城區(qū)年徑流量呈明顯下降趨勢(shì)且1971—2014年年降水量無(wú)明顯變化趨勢(shì)。

以1970年為界，將1956—2014年分成2個(gè)時(shí)間序列，分別對(duì)1956—2014、1956—1970、1971—2014年3個(gè)系列的降水量與徑流量進(jìn)行相關(guān)分析，如圖5—7所示。

圖51956 —2014年年降水量與徑流量系列相關(guān)分析

圖61956 —1970年年降水量與徑流量系列相關(guān)分析

圖71971 —2014年年降水量與徑流量系列相關(guān)分析

由圖5—7可知，1956—1970年系列年降水量與徑流量相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95；而1971—2014年系列相關(guān)性最差，僅為0.71。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，從1970年開(kāi)始，人類活動(dòng)影響顯著，城市建設(shè)進(jìn)程明顯加快，城區(qū)面積不斷擴(kuò)大，使得城區(qū)蒸發(fā)量減小、徑流量增大，改變了徑流的形成與排出比例，致使1970年以后的邯鄲主城區(qū)年徑流量與降水量相關(guān)程度下降。

5 結(jié)論

（1）由以上分析結(jié)果證明，M-K檢驗(yàn)法能較好地揭示年降水量及徑流量序列變化趨勢(shì)特征。

（2）降雨量是影響徑流量變化的主要原因，但城市化速度越來(lái)越快，對(duì)城市自然環(huán)境影響越來(lái)越顯著[4]。城市化進(jìn)程明顯改變了徑流的形成和排出比例，不僅使城市水資源大量流失，使枯季徑流量減少，汛期徑流量增大，而且易形成城市內(nèi)澇，給城鎮(zhèn)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。

（3）城區(qū)不斷建設(shè)與擴(kuò)大，改變了區(qū)域下墊面條件（包括植被、土壤、水面、耕地等因素），徑流、下滲、蒸發(fā)等水平衡要素發(fā)生變化，致使當(dāng)?shù)貜搅飨禂?shù)發(fā)生改變，徑流資料出現(xiàn)“拐點(diǎn)”，不能直觀地反映當(dāng)?shù)貧庀笏那闆r。

[1]郭鳳震.華北山前平原城區(qū)雨洪預(yù)報(bào)及資源利用關(guān)鍵技術(shù)研究[J].河北水利，2014（9）：21-22.

[2]張璐，周躍.Mann-Kendall檢驗(yàn)及其在河流懸沙濃度時(shí)間序列分析中的運(yùn)用[J].新疆環(huán)境保護(hù)，2007，29（3）：19-22.

[3]張燕明，文俊，王新華.基于Mann-Kendall分析的昆明降雨與氣溫變化趨勢(shì)研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（25）：15755-15757.

[4]袁建球.蘇州市區(qū)降雨徑流關(guān)系初步分析[J].水文科技信息，1997（2）：46-48.

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1004-7328（2017）02-0052-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.02.016

2017—01—15

王小鵬（1980—），男，工程師，主要從事水文地質(zhì)工作。