白祖暉，李 新，馬亞麗

(1. 甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030；2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

在氣候變化和人類活動的共同作用下，在過去的50～60年間，河川徑流已經(jīng)或正在發(fā)生著變化，河川徑流作為地表水資源的主要形式，其變化必將對區(qū)域水資源管理帶來嚴峻挑戰(zhàn)，因此，準(zhǔn)確評估河流的徑流量變化特征對于確保水資源安全具有重要意義。近些年來，許多學(xué)者針對包括流量、氣溫、降雨等水文氣象要素的變化特征、相互關(guān)系及其驅(qū)動因子進行研究，已經(jīng)取得一定研究成果[1- 2]。已有研究結(jié)果表明，海河實測徑流量1970—2010年較1950—1969 年減少30%—70%，且人類活動的影響貢獻率達到60%以上[3]。賈昊等[4]研究認為黃河上中游1950—2018年徑流量呈極顯著性減少趨勢，GM(1，1)模型預(yù)測未來20年的徑流量變化為113.38億～210.35億m3，并持續(xù)減少趨于穩(wěn)定。寧學(xué)鵬[5]認為近50 年來石羊河流域降水量呈愈加集中的趨勢。張欣然[6]研究表明遼東暴雨洪水易發(fā)區(qū)枯水季節(jié)集中度更高，降水集中期不同季節(jié)變化較為明顯。張恒銘[7]發(fā)現(xiàn)張掖市近63年徑流量呈減少趨勢。吳安琪[8]基于SWAT模型分析溫度及降雨變化對淮河徑流的影響，認為徑流隨氣溫的升高而減少，隨降雨的增多而增大，且降雨影響更大。張曉曉等[9- 10]以武都水文站1961—2010 年徑流資料為基礎(chǔ)，表明白龍江上游氣溫顯著上升，降水微弱減少，徑流顯著減少，變化率為-3.942×108m3/10a。

綜上所述，目前關(guān)于河川徑流變化特征及其成因研究報道雖然較多，但是研究成果主要基于一個或多個水文站實測水文氣象資料，研究分析站點以上流域或水文站點徑流變化特征及歸因分析，而針對站點之間的區(qū)間徑流變化特征的研究相對較少，區(qū)間徑流反映河流分段徑流變化規(guī)律，對區(qū)域水資源變化產(chǎn)生直接影響，同時，考慮到研究區(qū)徑流資料時間序列的長短、時效性、地域研究程度高低差異，因此，本文選取白龍江近58年干流區(qū)間徑流為研究對象。與此同時，白龍江流域因其特有的水文地質(zhì)、地形地貌特點，泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率及分布密度均居甘肅之首，在人類活動及極端氣候變化背景下，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生潛在可能增大，因此，以白龍江干流3個水文站1958—2015年近58年的逐月徑流資料為基礎(chǔ)，進行白龍江干流徑流區(qū)間變化特征研究，從年際、年內(nèi)、季節(jié)性、階段性等多角度揭示白龍江干流徑流變化趨勢及突變特點，不僅可以為水資源的開發(fā)利用及河流治理與保護提供科學(xué)依據(jù)，也可以從一定程度上預(yù)測并防治地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，對區(qū)域經(jīng)濟社會健康發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)概況

白龍江是長江左岸嘉陵江上游的最大支流，發(fā)源于甘肅省甘南州與四川省交界的郎木寺，流經(jīng)甘肅省東南部的迭部縣、舟曲縣、宕昌縣、武都區(qū)和文縣，經(jīng)碧口鎮(zhèn)流出甘肅省省界，最終在四川省廣元市昭化縣寶輪鎮(zhèn)附近匯入嘉陵江。地理位置為東經(jīng)102°30′～105°40′，北緯32°20′～34°10′之間，甘肅省段長475km，流域面積為1.84×104km2。地勢西北高、東南低，主要表現(xiàn)為山地地貌、河谷地貌。流域地處暖溫帶與亞熱帶過渡地段，夏季高溫多雨，冬季溫暖少雨，年均溫6～14.9℃，年降水量400～850mm，且主要集中在5—10月[11]，旱雨季明顯，年降水由南向北呈現(xiàn)遞減趨勢，東南多于西北，相對濕度60%，日照時間1800h，蒸發(fā)量達2500mm[12]。

2 資料與方法

2.1 水文觀測數(shù)據(jù)

采用1958—2015年間白龍江流域(舟曲站、武都站、碧口站)3個水文站58年逐月徑流數(shù)據(jù)資料，所用數(shù)據(jù)均來自甘肅省水文水資源勘測局。具體見表1。根據(jù)流域不同區(qū)域的特點以及干流水文站的分布情況，本文將舟曲水文站實測徑流量作為白龍江干流舟曲以上區(qū)間的來水量，將舟曲站與武都站徑流量的差值作為舟曲—武都區(qū)間來水量，將武都站與碧口站徑流量之差作為武都—碧口區(qū)間來水量。在季節(jié)劃分上，按春季為3—5月、夏季為6—8月、秋季為9—11月、冬季為12月—次年2月。

表1 水文測站基本信息

2.2 研究方法

2.2.1累積距平法

利用累積距平曲線反映變化趨勢，若累積距平曲線呈上升趨勢，則徑流累積距平值增加，若呈下降趨勢，則徑流累積距平值減少，同時可判斷發(fā)生突變時間[13]。當(dāng)累積距平不斷增大，徑流量大于平均值時，這一時期稱為豐水期；當(dāng)累積距平不斷減小，徑流小于平均值，為枯水期；當(dāng)距平累積增減幅度不大，為平水期[14]。

累積距平值表示為：

(1)

2.2.2Mann-Kendall 趨勢檢驗

Mann-Kendall趨勢檢驗是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗法[15]，在時間序列突變檢測和長期趨勢分析中有著廣泛的應(yīng)用[16]。假定H0={x1，x2，…，xn}為時間序列，n為時間序列的長度，xk，xj分別為第k、j年的流量值，在滿足零假設(shè)(H0)即數(shù)據(jù)序列沒有趨勢時，定義統(tǒng)計量S計算公式為：

(2)

其中

(3)

確定方差V和標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)系統(tǒng)變量U計算公式為：

(4)

(5)

式中，U>0，序列呈增加(上升)趨勢；U<0為減少(下降)趨勢；若|U|越大，表示序列趨勢變化越顯著，當(dāng)顯著水平α給定時，|U|大于置信區(qū)間臨界值1.28、1.96、2.58 時，分別表示通過了信度90%、95%、99%的顯著性檢驗，H0數(shù)據(jù)無趨勢的假設(shè)被拒絕[17- 19]。

2.2.3Mann-Kendall突變檢驗

首先構(gòu)建時間序列的秩序為：

(6)

其中

(7)

定義統(tǒng)計量：

(8)

其中，E(Sk)和Var(Sk)為Sk的數(shù)學(xué)期望和方差，不偏估計量表達式為：

(9)

(10)

將原有時間序列進行逆序，對逆時間序列計算，獲得UBk=-UFk。根據(jù)UFk大于0或小于0，判斷序列上升或下降趨勢，若UFk和UBk序列點在置信范圍內(nèi)存在交點，則說明該交點是突變點[17- 19]。

2.2.4周期變化

小波分析法的基本原理是用一簇小波函數(shù)系來逼近某一函數(shù)，在時域和頻域兩個方面都具著良好的局部性[20- 21]，通過伸縮、平移等運算對信號逐步地多尺度地細化，獲取不同條件下的變化周期[22- 23]。本文選取的小波函數(shù)為：

(11)

式中，ψ(t) —基小波函數(shù)。通過在時間軸上進行縮放和平移，形成一簇函數(shù)系：

(12)

式中，ψa，b(t) —子小波；a—尺度因子，表示小波的周期長度；b—平移因子，表示時間上的平移。

根據(jù)上式選取的子小波函數(shù)ψa，b(t)，以及給定的有限信號f(t)∈L2(R)，可得出其連續(xù)小波變換：

(13)

將小波系數(shù)的平方值積分在b域上，便可得到小波方差，計算公式為：

(14)

小波方差圖顯示了小波方差隨伸縮尺度的變化過程，確定信號中不同種尺度擾動的相對強度和主要時間尺度，即主周期。

3 結(jié)果與討論

3.1 徑流量年際變化特征

1958—2015年各區(qū)間徑流整體呈減少趨勢，線性擬合傾向變化率舟曲以上區(qū)間為-0.871億m3/10a、舟曲—武都區(qū)間-1.592億m3/10a、武都—碧口區(qū)間-2.724億m3/10a，由上游到下游區(qū)間徑流傾向變化率呈增大的趨勢，如圖2所示。依據(jù)Mann-Kendall 趨勢檢驗計算結(jié)果，U值依次為-1.78、-4.15、-3.81，分別達到了0.1、0.01、0.01顯著性水平，尤其以舟曲—武都顯著性水平最高，且均為負值，呈下降趨勢，具體見表2。與張曉曉[9- 10]關(guān)于1961—2010 年白龍江上游徑流呈顯著減少趨勢，變化速率偏小的結(jié)論一致。徑流變化受氣候和人類活動雙重因素影響，徑流與降水呈正相關(guān)性，而近50年來降水整體呈不顯著下降趨勢，且白龍江年均溫呈顯著上升趨勢[9]，氣溫升高導(dǎo)致區(qū)域蒸散發(fā)量增加，導(dǎo)致徑流減少；同時1990s年代以來人類活動影響作用增強，大量興建水利工程，改變土地利用方式等也促使徑流大幅度減少[10]。白龍江干流三區(qū)間多年平均徑流量由上游到下游分別為24.00億、15.83億、39.95億m3/a，計算結(jié)果與牛最榮[24]1956—2013年平均徑流量基本一致。武都—碧口區(qū)間多年平均徑流量最大，是洪水多發(fā)地帶，也是水利防治工程措施重點布控地帶，舟曲—武都區(qū)間多年平均徑流量最小，各區(qū)間多年平均徑流量大小與區(qū)間流域面積大小及降雨、蒸發(fā)等氣候條件有關(guān)。

圖2 白龍江干流各區(qū)間徑流階段特征變化

表2 白龍江干流各區(qū)間徑流量變化趨勢檢驗

各區(qū)間徑流年際變化過程具有突變特點，在滿足95%的置信水平條件下，由上游到下游3區(qū)間的突變點分別為1986、1988、1995年，稱為突變年份。舟曲以上區(qū)間1961—1972年UFk大于0，呈上升趨勢；1973—1993年起伏變化不大，UFk接近為0，呈平穩(wěn)狀態(tài)；1994年UFk小于0，后呈下降趨勢。舟曲—武都區(qū)間1970—1982年UFk小于0，呈下降趨勢；1983—1986年UFk大于0，呈上升趨勢；1987—1990年變化不大，UFk接近為0，呈平穩(wěn)狀態(tài)；1991年后UFk小于0，呈下降趨勢。武都—碧口區(qū)間1961—1969年UFk大于0，呈上升趨勢；1970—1976年UFk小于0，呈下降趨勢；1977—1994年UFk接近為0，呈平穩(wěn)狀態(tài)；1995年后呈顯著下降趨勢。具體如圖1所示。

圖1 白龍江干流各區(qū)間徑流趨勢變化及突變檢驗

3.2 徑流量年內(nèi)變化特征

從各區(qū)間多年平均月徑流變化過程看，徑流量年內(nèi)分配不均勻，集中于5—10月，均達到70%以上，舟曲以上區(qū)間5—10各月占比分別為9.10%、11.18%、14.54%、13.07%、14.19%、12.48%，總值占比74.56%；7—10月占比54.28%，最大月份出現(xiàn)在7月，為3.49億m3，最小月份出現(xiàn)在2月，為0.69億m3。舟曲—武都區(qū)間5—10月各月份分別為10.79%、10.59%、12.81%、12.20%、12.66%、12.65%，總值占71.7%；7—10月占比50.31%，最大月份出現(xiàn)在7月，為2.03億m3，最小月份出現(xiàn)在2月，為0.48億m3。武都—碧口區(qū)間5—10月分別為9.42%、10.57%、14.54%、13.06%、12.85%、10.42%，總值占70.85%；7—10月占比50.86%，最大月份出現(xiàn)在7月，為5.81億m3，最小月份出現(xiàn)在2月，為1.35億m3。與田黎明等[24- 25]1958—2010年內(nèi)逐月平均徑流計算結(jié)果吻合。

3.3 徑流量季節(jié)變化特征

各區(qū)間多年平均季徑流變化見表3，各區(qū)間徑流量各季節(jié)分配不均勻，集中夏季和秋季，占比均達到30%以上，夏秋兩季合計60%以上，為徑流量集中季節(jié)。除舟曲以上區(qū)間冬季傾向變化率為正值，其他各區(qū)間徑流各季節(jié)均為負值，即呈現(xiàn)下降趨勢。三區(qū)間各季節(jié)季徑流大小為，武都—碧口>舟曲以上區(qū)間>舟曲—武都；夏、秋傾向變化率均高于春、冬兩季，且武都—碧口區(qū)間夏秋兩季下降趨勢最大，其次為舟曲—武都區(qū)間，舟曲以上區(qū)間夏秋兩季下降趨勢最小。舟曲以上區(qū)間春、夏、秋、冬季徑流多年均值分別為4.06億、9.31億、8.00億、2.63億m3，占比16.92%、38.78%、33.33%、10.97%，秋季傾向變化率最大，為-0.54億m3/10a，春季、夏季、秋季均呈現(xiàn)下降趨勢，冬季略有上升，傾向變化率為0.01億m3/10a。舟曲—武都區(qū)間春、夏、秋、冬季徑流多年均值分別為3.13億、5.63億、5.21億、1.85億m3，占比19.81%、35.60%、32.89%、11.70%，夏季傾向變化率最大，為-0.55億m3/10a，四季均呈現(xiàn)下降趨勢，冬季傾向變化率最小，為-0.26億m3/10a。武都—碧口區(qū)間春、夏、秋、冬季徑流多年均值分別為7.74億、15.25億、11.99億、4.97億m3，占比19.37%、38.17%、30.02%、12.44%，秋季傾向變化率最大，為-1.51億m3/10a，四季均呈現(xiàn)下降趨勢，冬季傾向變化率最小，為0.10億m3/10a。

表3 白龍江干流各區(qū)間季節(jié)徑流量變化

3.4 徑流量階段性變化特征

各區(qū)間具有顯著的豐、平、枯等階段特征，依據(jù)GB/T22482—2008《水文情報預(yù)報規(guī)范》中的距平百分率P作為劃分徑流豐平枯的標(biāo)準(zhǔn)，其中P=(年徑流量-多年平均徑流量)/多年平均徑流量×100%，特豐水年P(guān)>20%，偏豐水年10%

表4 白龍江干流各區(qū)間徑流量變化階段性特征

3.5 徑流年際周期變化分析

通過Morlet小波系數(shù)及小波方差對白龍江干流各區(qū)間58 年年徑流量的周期演變規(guī)律進行分析，得到小波系數(shù)實部等值線和小波方差圖(如圖3所示)。當(dāng)小波系數(shù)實部為正數(shù)時，表示為豐水期；實部為負代表枯水期；實部為0 意味著為豐枯轉(zhuǎn)折點。

根據(jù)圖3可知，白龍江年徑流演變過程中存在多時間尺度變化，年徑流序列變化過程存在著5～6年、8～9年、15～16年 的振蕩周期，其中15～16年時間尺度上出現(xiàn)“枯-豐”兩次交替震蕩，出現(xiàn)兩個偏豐中心與兩個偏枯中心。依據(jù)小波方差圖可以看出年徑流演化過程中的主周期變化過程，舟曲以上干流徑流時間序列存在2個較為明顯的方差極值，依次對應(yīng)著8、15 年的時間尺度，年徑流變化的第1 主周期為15年，第2 主周期為8年；舟曲—武都干流區(qū)間徑流時間序列存在3個較為明顯的方差極值，依次對應(yīng)著6、9、16年的時間尺度，年徑流變化的第1 主周期為16年，第2、第3 主周期為9、6年；武都—碧口干流區(qū)間徑流時間序列存在3個較為明顯的方差極值，依次對應(yīng)著6、9、15 年的時間尺度，年徑流變化的第1 主周期為15年，第2、第3 主周期為9、6年。由此可見，白龍江干流區(qū)間徑流第一主周期15年左右，第二主周期9年左右，第三主周期6年。結(jié)論與張曉曉[9]關(guān)于1961—2010年白龍江上游徑流有7年和13年準(zhǔn)周期大體一致，存在差異考慮可能由于研究時段長短、單個水文站時間序列和區(qū)間徑流時間序列差異造成，單個水文站徑流序列包括站點斷面以上流域徑流量，區(qū)間徑流包括兩個站點斷面間流域的徑流量。

圖3 各區(qū)間徑流小波系數(shù)實部時頻分布及小波方差變化

4 結(jié)論與建議

白龍江干流3區(qū)間多年平均徑流量大小不同，其中武都—碧口區(qū)間多年平均徑流量最大，舟曲—武都區(qū)間多年平均徑流量最小，各區(qū)間徑流整體呈減少趨勢，這對做好流域水資源規(guī)劃、管理、保護等工作提出更高的要求，特別是在枯水年份，科學(xué)預(yù)測與評估徑流變化具有重要現(xiàn)實意義。各區(qū)間徑流量年內(nèi)各月分配不均勻，集中于5—10月，均達到70%以上，徑流量分布不均勻，導(dǎo)致洪水發(fā)生，容易出現(xiàn)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，加大流域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險。考慮白龍江各區(qū)間徑流周期性變化規(guī)律，精準(zhǔn)規(guī)劃，加強水庫調(diào)節(jié)與調(diào)度，充分減輕工農(nóng)業(yè)用水、生態(tài)用水與經(jīng)濟發(fā)展之間的矛盾。