祁文燕， 錢 鞠， 葛 雷， 馬紅亮， 李勝雙， 陳建龍

(1.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院， 甘肅 蘭州 730000; 2.黃河水資源保護科學(xué)研究院， 河南 鄭州 450004 )

1 研究背景

河川徑流作為維持區(qū)域生態(tài)環(huán)境及制約社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要因素，其演變過程及特征分析引起了國內(nèi)外學(xué)者的密切關(guān)注，許多研究表明，受氣候變化和人類活動等因素影響，河川徑流演變過程及區(qū)域水循環(huán)過程出現(xiàn)明顯變化[1-3]。李春輝等[4]采用Mann-Kendall方法對黃河流域天然徑流量進行了趨勢性及持續(xù)性檢驗，結(jié)果表明黃河天然徑流量出現(xiàn)顯著性減少趨勢。孫永壽等[2]研究發(fā)現(xiàn)，近10年來青海三江源區(qū)徑流總體偏豐，年內(nèi)分布較為均勻。湟水流域位于青海省東部，地處甘青兩省交界區(qū)，是黃河上游最大的一級支流，主要由湟水干流及其支流大通河組成。流域水資源量相對豐富，河谷深切，水流急、落差大、流量均勻、工程地質(zhì)條件好，開發(fā)水能資源條件優(yōu)越。流域水能資源開發(fā)已成為輻射和帶動當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展、農(nóng)民脫貧致富的著力點和地方新的經(jīng)濟增長點。隨著流域水資源開發(fā)利用率的逐步提高，水能資源開發(fā)力度的加大，土地退化、生物多樣性破壞、水環(huán)境惡化等生態(tài)環(huán)境問題日益呈現(xiàn)，逐步成為制約湟水流域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素。赫曉慧等[5]、張調(diào)風(fēng)等[6]分析了徑流對氣候變化和人類活動的響應(yīng)，指出湟水徑流量總體呈減少趨勢且人類活動對徑流的減少起主導(dǎo)作用。徐曉梅等[7]統(tǒng)計分析了湟水流域干流降水、蒸發(fā)、徑流、泥沙在地區(qū)上的分布規(guī)律以及年內(nèi)年際間的變化規(guī)律等。

分析湟水干流徑流變化規(guī)律及趨勢，對湟水流域水資源開發(fā)利用具有重要現(xiàn)實意義，目前關(guān)于湟水干流徑流特征的研究未對整個干流進行全面分析，因此本文選用湟水干流海晏、西寧和民和水文站1956-2015年60a長系列天然徑流基礎(chǔ)資料，采用累計距平、滑動平均、M-K秩次檢驗和小波分析等方法，對湟水干流徑流年內(nèi)年際變化特征、趨勢、突變狀況及周期進行分析，旨在為湟水干流水資源持續(xù)開發(fā)利用提供科學(xué)參考。

2 研究區(qū)概況

湟水干流發(fā)源于青海省海晏縣大坂山南麓，自西向東流經(jīng)青海省的海晏、湟源、湟中、西寧、大通、平安、互助、樂都、民和等縣(市)和甘肅省蘭州市紅古區(qū)、永靖縣，于永靖縣上車村匯入黃河(圖1)。流域位于東經(jīng)100°42′～103°01′，北緯36°02′～37°28′之間，呈樹葉狀。干流全長374 km，流域面積17 733 km2，其中青海省境內(nèi)16 120 km2，甘肅省境內(nèi)1 613 km2[8-9]。湟水干流河川徑流年內(nèi)分配變化較大。河川徑流主要集中于7-10月，這一時期徑流量占全年徑流量的50%左右，1-3月份徑流占全年徑流10%左右[10]。

圖1 湟水流域示意圖

3 數(shù)據(jù)來源及分析方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)水文站控制情況，本文選取上游海晏、中游西寧、下游民和水文站作為湟水干流水文分析計算的代表站，采用各水文站1956-2015年60 a長系列天然徑流資料進行分析預(yù)測。資料具有良好的代表性和可靠性。

3.2 分析方法

3.2.1 基于Mann-Kendall的突變檢驗 Mann-Kendall 檢驗法是一種非參數(shù)檢驗方法，可分析長時間序列的趨勢與突變，有樣本不必遵從某一特定分布、結(jié)果不受少數(shù)異常值干擾的優(yōu)點[11-12]。使用Mann-Kendal檢驗序列突變時，將n個樣本量xi(i= 1,2,...,n)構(gòu)成一秩序列：

(1)

式中：當(dāng)xi>xj時，aij=1；當(dāng)xi≤xj時，aij=0(j=1,2,...,i)。

定義統(tǒng)計量：

UFk=[Sk-E(Sk)]/[Var(Sk)]

(2)

(k=1,2,…,n)

式中：E(Sk)=n(n-1)/4； Var(Sk)=n(n-1) (2n+5)/72；UFk是根據(jù)時間序列xi計算出的統(tǒng)計序列，為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，UF1=0。再按照時間序列逆序xn，xn-1，…，x1，重復(fù)上述步驟，得UBk統(tǒng)計序列，同時令UBk=-UBk(k=n,n-1,…,1)，UB1=0。給定顯著水平α，若︱UFi︱>Uα/2，則表明序列存在明顯的趨勢變化。通過分析統(tǒng)計序列UFk和UBk，可得到分析序列xi的變化趨勢和明確突變的起始時間。當(dāng)UFk大于0時，序列呈上升趨勢，反之呈下降趨勢，若UFk超過臨界值時，則說明上升或下降的趨勢顯著。當(dāng)UFk曲線與UBk曲線出現(xiàn)交點且交點在臨界值中間時，則交點所對應(yīng)的時間即突變開始的時間。

3.2.2 基于小波分析的周期識別 小波分析方法是一種信號處理方法，具有時頻多分辨功能，能夠提取出徑流序列中反映其變化規(guī)律的成分[13-14]。因此，本文選用Morlet復(fù)小波對研究區(qū)徑流序列進行周期性分析。Morlet基本小波函數(shù)形式如下：

ψ(t)=exp(-t2/2)exp(iwt)

(3)

將基本小波函數(shù) (t) 經(jīng)過伸縮和平移得到一族函數(shù)：

(4)

式中：ψa,b(t)為分析小波或連接小波函數(shù)；a為尺度因子，反映頻域特性；b為時間因子，反映時域特性。將時間域上關(guān)于尺度a的所有小波系數(shù)的平方進行積分，即得到小波方差：

(5)

在一定尺度下，Var(a)表示時間序列中該尺度周期波動的強弱和能量的大小。

4 結(jié)果與分析

4.1 徑流年內(nèi)變化特征分析

湟水干流徑流主要來源于大氣降水，其中以雨水補給為主，雪水補給為輔。圖2為湟水干流海晏站、西寧站、民和站徑流年內(nèi)分配曲線。

圖2 湟水干流海晏站、西寧站、民和站徑流年內(nèi)分配曲線

由圖2可知，湟水干流兼受上游冰雪融水和降雨補給影響，有春、夏兩個汛期，年徑流過程線呈雙峰。春汛主要集中在4月份，占全年徑流量的比例約為10%，夏汛主要集中在7-10月份，占全年徑流量的比例約為50%，最小流量出現(xiàn)在1-3月份。

湟水干流代表水文站徑流量各月分配比例如表1，由表1可知，徑流量年內(nèi)分配極不均勻，徑流主要集中在7-10月份，占多年平均徑流量的40.2%～53.4%。各水文站徑流量季節(jié)分配規(guī)律基本一致，均為：夏季徑流量>秋季徑流量>春季徑流量 > 冬季徑流量。

4.2 徑流年際變化特征分析

4.2.1 徑流年際變化 海晏、西寧、民和站多年平均徑流量分別為1.27×108、13.23×108、20.86×108m3；3站年徑流量最大值出現(xiàn)在1989年，分別為2.28×108、25.29×108、34.47×108m3；海晏、西寧和民和站年徑流量最小值分別為0.78×108(1980年)、7.75×108(1973年)、12.65×108m3(1991年)。3站年徑流量極值比分別為2.92、3.26、2.72，變差系數(shù)CV分別為0.20、0.25、0.21，年徑流量序列離散程度較小。

4.2.2 徑流趨勢變化 采用累積距平法繪制近60年來湟水干流逐年徑流距平累計曲線[15-17]，見圖3。由圖3可知，海晏、西寧、民和3站變化趨勢基本一致，1956-1968年，累計距平值持續(xù)增加，表明時段距平值持續(xù)為正，處于豐水期；1969年開始累計距平值呈減小趨勢，表明時段距平值持續(xù)為負，處于枯水期；1982-1990年徑流量又不斷增加，處于豐水期；1991-2004年，徑流量波動頻繁，呈下降趨勢；2005-2015年徑流量又不斷增加，處于豐水期。

表1 湟水干流海晏站、西寧站、民和站各月平均徑流量占多年平均徑流量的百分比 %

圖3 1956-2015年湟水干流海晏站、西寧站、民和站年徑流序列累計距平曲線

對3站年徑流量序列進行5年滑動平均處理，并繪制滑動平均值過程線[18-19]，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知3站變化趨勢基本相似，1956-1971年年徑流量呈增加趨勢，1972-1982年呈減少趨勢，1983-1992年呈增加趨勢，1992-2015年年徑流量變化不大。海晏、西寧、民和3站分別以0.0011×108m3/a(線性方程y= 0.0011x-0.9152，R2= 0.0058，其中y為年徑流量，x為年份，下同)、0.0247×108m3/a(線性方程y=0.0247x-35.803,R2=0.0167)和0.012×108m3/a(線性方程y=0.012x-3.054,R2=0.0022)的幅度增加。總體上，流域年徑流量呈增加趨勢，但趨勢不明顯。由于相關(guān)系數(shù)較小，在統(tǒng)計意義上不顯著，因此對3站年徑流量進行突變及周期性分析。

4.2.3 徑流突變分析 運用Mann-Kendall 檢驗法對湟水干流年徑流量進行突變檢驗，假定徑流變化穩(wěn)定、時間序列相互獨立且保持相同連續(xù)分布，給定顯著水平α=0.05，通過正態(tài)分布表得臨界值u0.05=±1.96，得湟水干流海晏站、西寧站、民和站年徑流突變分析圖如圖5所示。從圖5可以看出，海晏、西寧、民和3站年徑流量變化趨勢基本一致，突變發(fā)生在1960年左右，之后徑流量呈下降趨勢；海晏、西寧兩站2010年左右出現(xiàn)突變，徑流量呈增加趨勢，增加趨勢不明顯。民和站2003年左右出現(xiàn)突變，徑流量呈增加趨勢，增加趨勢不明顯。結(jié)果與5年滑動平均基本一致。

圖4 1956-2015年湟水干流海晏站、西寧站、民和站年徑流序列5年滑動平均值過程線

圖5 湟水干流海晏站、西寧站、民和站年徑流突變分析

4.2.4 徑流周期分析 采用Morlet小波分析對3站1956-2015年年徑流量序列進行周期性分析,通過小波方差檢驗，湟水干流年徑流量存在3、9及25 a左右的振蕩周期，3站徑流序列最大峰值均出現(xiàn)在25 a左右，表明25 a左右的周期振蕩最強，為徑流量序列的第一主周期；9、3 a時間尺度為徑流量變化的第二和第三主周期，小波變換時頻分布結(jié)果如圖6所示。

圖6 湟水干流海晏站、西寧站、民和站年徑流周期性分析

流域海晏、西寧、民和3站周期性變化特征基本一致，在25 a時間尺度下，正負相位震蕩變化最明顯，經(jīng)歷了“豐一枯一豐一枯一豐”5個循環(huán)交替，其中1956-1965年、1983-1992年、2005-2015年為正相位，為豐水年；1966-1982、1993-2004為負相位，為枯水年。在9 a時間尺度下，經(jīng)歷了3個“豐一枯”轉(zhuǎn)換期。根據(jù)上述分析，不同時間尺度下的徑流量豐枯交替變化不同，徑流量周期變化以第一周期為主，第二周期為輔。截至2015年，徑流量等值線均未封閉，表明研究區(qū)徑流量仍將繼續(xù)增加。按照最強震蕩尺度25 a的周期特征推算，徑流量增加趨勢將持續(xù)到2025年左右，在9 a時間尺度下，2016-2025年年徑流量將呈減少趨勢。

5 結(jié) 論

本文采用累計距平、滑動平均、小波分析法和M-K秩次檢驗方法，對湟水干流海晏、西寧、民和水文站1956-2015年60 a長系列實測年徑流資料進行了分析，結(jié)果表明：

(1)湟水干流徑流年際變化波動明顯，經(jīng)歷了“豐—枯—豐—枯—豐”5個循環(huán)交替，目前處于豐水期。

(2)海晏、西寧、民和3站徑流突變點都出現(xiàn)在1960s初，之后徑流量呈下降趨勢；海晏、西寧兩站2010年左右出現(xiàn)突變、民和站2003年左右出現(xiàn)突變，徑流量呈增加趨勢，增加趨勢不明顯，湟水干流徑流量總體呈上升降趨勢。海晏、西寧、民和3站分別以0.0011×108、0.0247×108、0.0120×108m3/a的幅度增加，變化趨勢不明顯。

(3)采用Morlet小波分析對3站1956-2015年年徑流量序列進行周期性分析，結(jié)果表明湟水干流徑流量存在3、9及25 a左右的振蕩周期，其中25 a時間尺度為第一主周期，控制著湟水干流徑流量主要周期演變情況。按照最強震蕩尺度25 a的周期特征推算，徑流量增加趨勢將持續(xù)到2025年左右，在9 a時間尺度下，2016-2025年年徑流量將呈減少趨勢。