人類活動對潁河白沙水庫水文情勢影響分析

□焦迎樂（河南省許昌水文水資源勘測局）

□席獻軍（河南省鄭州水文水資源勘測局）

隨著經濟社會的發展，工農業用水量的增加，人類活動對自然環境影響愈加顯著，對河道徑流的影響越來越加劇，破壞了區域內原有的降雨徑流關系，本文以潁河上游白沙水庫以上區間為研究對象，對該區域內降雨、蒸發、徑流的變化規律進行分析研究，這對于研究人類活動影響下潁河上游水文情勢變化規律和水資源保護開發具有重要的現實意義。

一、研究區概況

潁河白沙水庫以上區域西、北、南三面環山，北部分水嶺是海拔1000m以上的嵩山山區，最高海拔1440m；中部、東部為丘陵，海拔350m左右；南部為低山區，海拔為600～700m。山區土層較薄，巖石裸露，植被較好；丘陵區絕大部分為耕地，土壤多為紅黏土。該區屬半干旱大陸性季風氣候，年降水多集中在汛期6～9月。支流主要有安廟河、焦河、少林河、石淙河、圈門河等，現有券門、紙坊、少林三座中型水庫，總控制面積143.8km2，其中紙坊水庫在告成水文站以下，小型Ⅰ、Ⅱ類水庫49座，總控制面積約150km2。

白沙水庫以上流域面積962km2，現有白沙水庫和告成兩個水文站，其中告成水文站控制流域面積627km2，占白沙水庫以上流域面積的65.2%，現有錢嶺、石道、大金店、西白坪、登封、高成、盧店、徐莊、白沙9個雨量站。

二、資料的選取和研究方法

（一）數據資料

本文利用潁河上游從20世紀50年代至2010年白沙、告成(1964年以前為曲河)兩站年徑流資料、區域內9個雨量站的雨量資料，白沙站的蒸發資料對潁河上游的水文情勢進行分析。年降雨量、蒸發量、年平均流量均來自水文年鑒，部分數據來自水文數據庫。

（二）研究方法

目前常用的水文變化趨勢分析方法有線性回歸、滑動平均、Mann-Kendall趨勢檢驗法等，對徑流量的研究還有年降雨徑流關系圖法。在此僅重點介紹Mann-Kendall趨勢檢驗法。

Mann-Kendall非參數統計檢驗法常用于水文、氣象、水質等行業，該方法變量可以不具有正態分布特征，較適用于檢驗水文變量的隨機時間系列要素變化趨勢是否具有顯著性。

對于序列Xt=（x1，x2，…，xn），先確定所有對偶值（xi，xj，j＞i）中xi與xj的大小關系（設為τ），然后計算檢驗統計量τ。

式中：

趨勢檢驗的統計量設為Z：

當＞10時，Z收斂于標準正態分布。原假設為該序列無趨勢，采用雙邊趨勢檢驗，在給定顯著性水平α后，在正態分布表中查得臨界值Zα/2，當|Z|＜Zα/2時，接受原假設，即趨勢不顯著；若|Z|＞Uα/2，則拒絕原假設，即認為趨勢顯著。

為檢測水文系列的突變特征，常采用Mann-Kendall突變檢測法和滑動t檢驗法。

三、水文情勢變化趨勢分析

（一）降水量和蒸發量變化趨勢

為研究該區域水文情勢變化趨勢，首先分析該區域的主要水文要素降水量和蒸發量，區域內年平均降雨量的計算主要根據各站年降水量資料由泰森多邊形法求得，以客觀反映區域內的年降水量，對50年代站點較少的個別年份采用算術平均法進行計算。區域蒸發量的分析直接選用白沙站年蒸發量數據進行分析，該站蒸發資料多為E601型蒸發器資料，對部分采用80cm蒸發器資料的數據，也進行了合理轉換。根據計算結果繪制區域內歷年年降水量和歷年蒸發量變化過程線圖（圖1、圖2）。

由圖1和圖2可以看出年降水量基本保持穩定，增大或減小的趨勢不顯著。而蒸發量存在顯著的逐年減小趨勢，1961～1970年、1971～1980年，1981～1990年、1991～2000年、2001～2010年平均蒸發量分別為 1162.5mm、1013.3mm、855.3mm、746.6mm、711.8mm，即每10年蒸發量都會有較大的遞減，且遞減量逐年趨緩，這也可由5年滑動平均值圖（圖3）得到進一步的驗證。

圖1 潁河上游區歷年降水量變化過程線圖

圖2 潁河上游區歷年蒸發量變化過程線圖

對潁河上游區歷年降水量、蒸發量系列進行Mann-Kendall檢驗，降雨量系列（1951～2010年）統計量Z為-0.459，蒸發量系列（1952～2010年）統計量Z為-7.056，Z0.05=1.645，因此降雨量有下降趨勢，不顯著，而蒸發量有明顯下降趨勢。

大量研究證實，近幾十年來中國氣溫變化呈上升趨勢,河南省近50年年平均氣溫也存在上升趨勢，其中冬、春、秋季平均氣溫升高，夏季平均氣溫略有降低。容易認為全球變暖可能會使近地面層變干，陸地上水體蒸發量應上升，而實際結論卻與此相反。根據相關研究，蒸發量減少趨勢主要是因太陽輻射量減少所致,而非氣溫上升所致。

圖3 潁河上游區歷年降水量、蒸發量5年滑動平均過程線圖

圖4 潁河上游區告成、白沙站年實測徑流深5年滑動平均過程線圖

（二）徑流量變化趨勢

徑流深的計算分析分別采用告成、白沙兩站流量資料，為反映河道實際來水量的變化趨勢，未對徑流量、徑流深進行還原計算，其中白沙水庫站考慮了水庫蓄變量的影響。

根據兩站歷年徑流深歷年變化過程線圖（圖略），兩站徑流深均存在逐年減少的趨勢，且基本同步，告成站徑流深系列（1955～2010年）統計量Z為-2.813，白沙水庫站徑流深系列（1953～2010年）統計量Z為-4.783，因此兩站徑流深均有顯著下降趨勢。從2001年至2010年，兩站年徑流深差值較大，且白沙徑流深要小于上游告成站徑流深，這可由兩站5年滑動平均過程線圖得到進一步的反映。

為進一步分析徑流變化規律，繪制了潁河上游區告成、白沙站年降雨徑流關系圖（圖5），由圖5可知，年徑流深出現了較大變化，20世紀八十年代中期后，其年降雨徑流關系線均較以前的關系線左移，反映了因取用水增加，同樣降雨量造成河道來水減少。

圖5 潁河上游區告成、白沙站年降雨徑流關系圖

（三）突變分析

Mann-Kendall突變檢驗結果表明，蒸發量在1988年發生突變，告成徑流深在1986年發生突變，白沙水庫徑流深在1990年發生突變。而根據滑動t檢驗結果，蒸發量在1987年發生突變，告成徑流深在1984年發生突變，白沙水庫徑流深在1984年發生突變。綜合兩種方法可確定蒸發量和徑流量的變化點為20世紀80年代中期。

通過調查分析，白沙水庫下游的許昌市龍崗發電有限公司2001年開始從白沙水庫通過管道引水，近10年來年平均從白沙水庫取水1215萬m3，而上述水量并未反映在白沙水庫出庫實測水量中，因此也就解釋了為何從2001年至2010年，白沙、告成兩站實測年徑流深相差較大的主要原因。此外告成到白沙水庫區間工礦企業引水、煤礦開采疏干排水等也對白沙水庫站徑流深的的變化產生了一定的影響。

四、結語

根據對潁河上游白沙水庫以上降雨、蒸發、徑流等的分析，可得出以下結論：一是年降水量無明顯變化趨勢，蒸發量呈明顯的減小趨勢，告成站和白沙水庫站兩站年實測徑流量及徑流深也顯著減小，特別是近20多年；二是根據Mann-Kendall突變檢驗和t滑動檢驗結果，蒸發量和徑流量在20世紀80年代中期發生了突變；三是蒸發量減小原因可能是因人類活動影響太陽輻射，造成太陽輻射較少，從而造成蒸發量減小；四是隨著經濟社會的快速發展，流域內及沿河取用水量的增加，導致河道內實測徑流量急劇減少，說明人類活動對白沙水庫以上地表徑流的影響是比較嚴重的；五是通過對告成、白沙水庫兩站徑流數據的分析，近10年來白沙水庫實測水量顯著較少的主要原因系下游許昌市龍崗發電有限公司引水所致。

[1]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.

[2]彭文啟，張祥偉等.現代水環境質量評價理論與方法[M].北京：化學工業出版社，2005.

[3]王蕊，夏軍.近40年黃河中游徑流情勢變化分析[J]，水文，2007(5).

[4]汪麗娜，陳曉宏等.西江流域徑流演變規律研究[J]，水文，2009(4).

[5]劉敏，沈彥俊.海河流域近50年水文要素變化分析[J]，水文，2010(6).

[6]申雙和，盛瓊.45年來中國蒸發皿蒸發量的變化特征及其成因[J]，氣象學報，2008(3).

[7]MannHB.Non-parametrictestsagainsttrend.Econo -meric，1945，13：245-259.