海河水系降水與徑流趨勢變化及突變分析

馬 穎，張松濤

（海河水利委員會海河下游管理局，天津 300061）

海河流域地處華北地區，是我國重要的政治、經濟、文化、科技、工業和農業集中分布區，大中城市眾多。流域總人口1.37億，占全國的10%。2008年，海河流域GDP達3.95萬億元，占全國的13%；人均GDP達2.88萬元，超過全國平均水平27.4%。海河流域是我國重要的糧食、燃料工業和高新技術產業基地。近年來，以電子信息、生物技術、新能源、新材料為代表的高新技術產業發展迅速以及天津濱海新區的開發開放，使海河流域成為我國新的經濟增長極。

流域經濟社會的快速發展，對水利基礎支撐提出了新的更高的要求。華北地區，水文循環機理比較復雜，它不僅與陸地表層系統中各種自然地理要素時空分布密切相關，而且與農業開發、都市化等土地利用／土地覆蓋植被直接相聯。隨著經濟社會的發展，人類活動加劇，改變了水循環自然變化的空間格局和過程，加劇了水資源形成與變化的復雜性。海河流域的徑流特性發生了變化，水資源短缺日益凸現，在一定程度上影響了社會的良性發展。開展自然變化和人類活動影響下的水循環及水資源安全研究，具有十分重要的科學意義和研究價值[1]。

筆者選取海河流域中的海河水系作為研究對象，按其北、南系的劃分，對其近幾十年來的降水量、徑流量的長期變化趨勢進行分析，并尋找突變點，尋求解決水資源緊缺的新的突破點。該內容是研究變化環境下的水文循環的主要內容之一，對合理規劃流域水資源、保護流域水土環境具有一定的意義。

1 研究區域概況

海河流域位于東經112～120°、北緯35～43°之間，處于干旱半干旱區。流域東鄰渤海，西倚太行，南界黃河，北接蒙古高原。流域面積31.8萬km2，由海河、灤河、徒駭馬頰河水系組成。其中，海河水系是其主要水系，流域面積23.4萬km2，由北系的薊運河、潮白河、北運河、永定河和南系的大清河、子牙河、漳衛河組成。

流域屬于溫帶東亞季風氣候區，屬半濕潤半干旱地帶。春季受蒙古大陸性氣團影響，往往形成干旱天氣；夏季受太平洋副熱帶高壓影響，降雨量多，且多暴雨，但降雨量的變差很大，旱澇時有發生；秋、冬季降水較少。流域多年平均降水量為 535 mm（1956—2007年降水系列），海河水系多年平均降水量為512 mm（1956—2007年降水系列），其中海河北系多年平均降水量為482 mm、海河南系為543 mm。

流域水資源總量為370億m3，人均占有量272 m3，僅為全國平均水平的1/8、世界平均水平的1/24。流域以不足全國1.3%的水資源量，承擔著全國10%的人口、12%的糧食生產以及13%的GDP用水，水資源承載能力嚴重不足，供需矛盾非常突出。

2 研究方法和對象

2.1 分析途徑

通過對降雨徑流變化趨勢的對比分析，來確定氣候因素和人類活動的影響[2]。若降雨、徑流同步變化，說明流域內降雨徑流關系保持較好，下墊面的一致性也未遭到嚴重的破壞，產匯流機制總體上沒有明顯的變化，氣候因素在對水文氣象要素的影響中占主導地位；如果它們的變化不同步，則說明降雨徑流關系遭到了破壞，下墊面的影響或者人類活動的影響是顯著的，即人類活動的影響占了主導地位。

2.2 資料

分別選用海河南系和海河北系1956—2000年的降水和年徑流資料，借助Mann-Kendall（M-K）趨勢及突變檢驗方法對這些時間序列進行趨勢和突變分析。

2.3 分析方法

趨勢是指在一段時間參數變化的方向（上升、下降或橫向延伸）。突變是自然界一種正常的現象，即描述某自然現象的時間系列從一種穩定態 （或穩定持續的變化趨勢）跳躍式地轉變到另一種穩定態（或穩定持續的變化趨勢），它表現為該系列正處在從一個統計特征到另一個統計特征的急劇變化中[3，4]。

筆者采用Mann-Kendall（M-K）非參數統計檢驗方法和Z統計量檢驗法，基于秩的M-K非參數統計檢驗方法常用來預測如水質、徑流、溫度、降水等水文氣象時間序列資料的長期變化趨勢[5]，對海河水系的徑流量及降水量資料序列進行趨勢分析及突變檢驗。

假設有一時間序列為X1，X2，X3，…，Xn，所以其趨勢檢驗統計量公式是：

其中，sign（）為符號函數。當Xi-Xj小于、等于或大于零時，sign（Xi-Xj）分別為-1、0或1。

若M-K統計量公式S分別大于、等于、小于零時，則有：

其中，Z為正值表示增加趨勢，負值表示減少趨勢。｜Z｜≥1.28、1.64、2.32時表示分別通過了信度90%、95%、99%顯著性檢驗。

dk均值以及方差定義如下：

在時間序列隨機獨立假定下，定義統計量為：

這里UFk呈標準正態分布，給定一顯著性水平a0，查正態分布表得到臨界值t0。當｜UFk｜＞｜t0｜時，表明序列存在一個明顯的增長或減少趨勢，所有UFk將組成一條曲線C1，通過信度檢驗可知其是否具有明顯的變化趨勢。

把以上方法應用到反序列中，重復上述計算過程，并使計算值乘以-1，得出UBk。UBk在圖中表示為C2，若C1和C2的交點位于信度線之間，則此點可能就是突變點的開始[6]。

3 結果分析與討論

3.1 降水、徑流趨勢分析

趨勢反映了降水、徑流演變的總體規律。

首先，應用非參數M-K檢驗法對海河南系和海河北系的降水量、徑流量年序列進行變化趨勢的顯著性檢驗，得到各要素的趨勢統計結果見表1。

從表1和圖1-2中可以看出，降水與徑流量具有相同的變化趨勢，均呈減少趨勢。與整個流域相比，海河水系的降水及徑流變化趨勢更為明顯。海河流域近年來水量持續的減少主要是由于降水量的減少引起的。其中，海河南系徑流量的下降幅度較降水量更為明顯。從圖2可以看出，海河南系徑流量5年滑動平均與多年平均值偏離得更遠，說明人類活動起到了一定影響作用。

表1 降水、徑流量趨勢統計結果

圖1 海河北系降雨徑流序列變化過程

雖然降水量與徑流量均呈減少趨勢，但徑流量的年際間變化更為明顯。從表2中可以看到，徑流量的Cv值明顯大于降水量的Cv值，特別是海河南系的變化尤為明顯，水量最豐的1963年與最枯的1999年徑流量比值為7.76、降水量比值僅為2.16；海河北系水量最豐的1959年與最枯的1999年的兩個比值（徑流量、降水量）分別為6.35和2.17。從圖1-2中也可以發現，降水與徑流的變化雖然同步，但是徑流的變化幅度更大，與均值偏離得更遠。

圖2 海河南系降雨徑流序列變化過程

表2 降水、徑流量離散系數

3.2 降水、徑流量突變分析

利用M－K檢驗突變分析研究了海河北系和南系的降水、徑流變化趨勢。圖3—4表明海河北系降水、徑流突變起始時間發生在1959年，并且通過了置信度為95%的顯著性檢驗。圖5—6表明海河南系的降水和徑流突變分別起始于1964和1967年，并且通過了置信度為95%的顯著性檢驗。即從海河北系和海河南系發生1956和1963年大水后，海河水系降水和徑流就轉入減少趨勢。這與海河水系降水、徑流趨勢檢驗的結果相一致。同時，可以看出降水和徑流突變基本同步，說明海河水系徑流變化的主要影響因素是降水量。

圖3 海河北系年降水量M－K突變檢驗

4 結論

通過對海河水系降水和徑流的變化趨勢及突變分析表明，海河水系降水和徑流從20世紀50年代以來均呈減少趨勢，比較而言徑流量的變化幅度更為明顯。海河北系與海河南系降水、徑流轉入減少趨勢分別開始于20世紀50年代末和60年代中期，具有比較好的同步性。海河流域徑流減少的主要影響因素是降水量的減少，同時人類活動也產生了一定的影響作用。

圖4 海河北系年徑流量M－K突變檢驗

圖5 海河南系年降水量M－K突變檢驗

圖6 海河南系年徑流量M－K突變檢驗

[1]夏軍，談戈.全球變化與水文科學新的進展與挑戰[J].資源科學，2002，24（3）：1-7.

[2]秦毅.黃河上游主要干支流降水、徑流近期統計特性變化分析 [A].黃河源區徑流及生態變化研討會專家論壇[C].鄭州：黃河水利委員會，2004.

[3]符宗斌，王強.氣候突變的定義和檢驗方法[J].大氣科學，1992，16（4）：483-493.

[4]魏鳳英.現代氣候統計診斷與預測技術[M].北京：氣象出版社，1999.

[5]黃振平.水文統計學[M].南京：河海大學出版社，2003.

[6]KendallMG.RankCorrelationMethods[M].London：Griffin，1975.