黑龍江哈巴羅夫斯克站徑流變化規律

鄢 波，夏自強，3，周艷先，王景才，陳起川

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，2.河海大學水文水資源學院，3.河海大學國際河流研究所，江蘇南京 210098)

位于我國東北的黑龍江(俄羅斯稱阿穆爾河)流經蒙古東部、中國東北地區、俄羅斯遠東地區南部，是東亞和東北亞最大的河流之一，是一條國際河流，黑龍江全長4 370 km，它的中段為中俄界河，流經黑龍江省長達2 900 km［1］。近年來由于邊境地區經濟的迅速發展，中俄界河正扮演越來越重要的角色，中俄界河的水環境問題、水資源安全問題、跨境生態問題受到越來越多的重視［2］。近年來，各國學者對黑龍江流域的降水以及徑流等開展了大量的研究，取得了一些重要成果［1，3-5］。

哈巴羅夫斯克站(以下簡稱為哈巴站)地理位置重要，研究哈巴站的徑流變化特征、規律，對于分析黑龍江下游的水文情勢具有重要的意義，可為界河水資源的開發和保護提供科學的依據。該站的長期徑流系列是全流域各站展延的重要依據，尤其是對于資料相對短缺的國內各水文站點。由于近代黑龍江流域的人為干擾相對較少，依據該站的長期徑流系列可以進一步分析研究全球氣候變化對黑龍江流域水資源的影響。

1 研究區概況

哈巴站位于東經135°10'、北緯48°31'，地處黑龍江干流中下游的分界處，集水面積163.0 萬km2，占黑龍江流域面積的87.9%，是黑龍江下游重要的控制站，也是黑龍江干流接納結雅河、布列亞河、松花江和烏蘇里江等主要支流后的主要控制站，在流域中所處的位置見圖1 所示。徑流資料選用哈巴站1897—2005 年共109 a 年徑流資料和1897—1985年共89 a 月徑流資料。

該水文站所在的黑龍江流域屬大陸性季風氣候，冬季氣候嚴寒，氣溫低于0℃的時間長達6 個月之久，河流封凍時間170 ～200 d，北部有永久性島狀凍土分布區［6］。流域內夏季短暫，降水集中，流域產匯流條件良好，徑流量集中且豐富，徑流系數較大。徑流的補給以降水為主，約占65% ～80%;融雪徑流為輔，約占15% ～20%;地下徑流補給不足10%［6］。傳統的四季劃分不能體現黑龍江流域的季節特性，也不利于各個季節的水文分析。采用吳瓊等提出的四季劃分來分析黑龍江干流各個季節的徑流情況，該劃分為:冬季漫長，11 月—次年3 月;夏季適中，6—8月;春秋過渡季節短促，分別為4—5 月，9—10 月［7］。

圖1 哈巴站在黑龍江流域的位置

2 徑流的變化特征分析

2.1 徑流年際變化分析

2.1.1 年際和年代際變化特征

選用Mann-Kendall 法對哈巴站年徑流進行趨勢檢驗。Mann-Kendall 法最初由Mana［8］于1945 年提出，是檢驗序列變化趨勢的有效工具，被廣泛應用于氣象參數和水文序列的分析［9］。該檢驗法不需要樣本遵循一定的分布，也不受個別異常值的干擾，具體公式見文獻［10］。

年際變化上，綜合圖2 及表1，可以看出哈巴站多年平均徑流量為2 604.06 億m3，年徑流量最豐年為1897 年的4 221.7 億m3，最枯年為1979 年的1352.9 億m3，最豐、最枯年之比為3.12，年徑流量的變差系數Cv為0.225。通過5 a 滑動平均過程線可以較為直觀地看出哈巴站的年徑流趨勢變化。從趨勢線來看，哈巴站的年徑流在這個統計時段內呈現微弱下降趨勢，減少速率為3.068 億m3/a。年徑流量經過M-K 趨勢檢驗Z = -1.482，未通過95%顯著性檢驗，減少趨勢不顯著。

圖2 黑龍江哈巴站年徑流量變化過程

表1 黑龍江哈巴站各年代際徑流量統計

年代際變化上，只有20 世紀20、70、80 年代和21 世紀初的多年均值小于整個序列的多年均值。其中，19 世紀末徑流量最大，為3 010.07 億m3，其次是20 世紀50 年代，為2 961.71 億m3，21 世紀初最小，為1 946.82 億m3，各年代徑流量經歷了一個減少—增加—減少的變化過程，而各年代年徑流量變差系數Cv也處于0.15 ～0.35 這個區間里。

2.1.2 徑流豐枯分析

所謂連豐年是指該年段內各年都屬于特豐水年或偏豐水年，連枯年是指該年段內各年都屬于特枯水年或偏枯水年［2］。豐水年相應頻率P ＜37.5%，枯水年相應頻率P ＞62.5%［2］。根據標準，計算出連豐年和連枯年的時段均值及其與整個序列多年均值的比值(模比系數)K豐和K枯［2］，統計結果見表2。由表2 可以看出，哈巴站依次出現3 次連豐年，持續時間分別為3 a、9 a、3 a，K豐值分別為1.20、1.31、1.14;出現4 次連枯年，持續時間分別為3 a、4 a、7 a、7 a，K枯值分別為0.84、0.74、0.72、0.77。

表2 黑龍江哈巴站徑流量連豐年和連枯年統計值

2.1.3 徑流變化的階段性分析

為了更好地表示徑流年際變化的階段特征，采用距平累積法［11］進行分析。即

式中:Pt為第t 年的距平累積值;Ri為第i 年的徑流量;ˉR 為徑流序列平均值;n 為序列長度。

根據哈巴站年徑流序列距平累積年際變化過程(圖3)，可將哈巴站年徑流變化過程分為如下階段(表3):3 個豐水段即1928—1938 年、1955—1963年、1983—1985 年;2 個平水段即1940—1953 年、1986—1997 年;3 個枯水段即1916—1927 年、1974—1980 年、1999—2005 年。前面分析的連豐年和連枯年均包含在相應的階段當中。距平累積曲線不同程度的小波動說明在任何階段豐水年和枯水年的交錯出現的普遍性。

圖3 黑龍江哈巴站年徑流量距平累積變化過程

2.2 徑流年內分配分析

2.2.1 徑流年內分配過程分析

降水是黑龍江徑流的主要補給來源，流量過程與雨量過程也基本相應。黑龍江流域降水受氣候和地形的影響，年內降水主要集中在6—9 月份，約占全年降水的70%［7］。冬季僅占10%左右［7］。

黑龍江徑流的年內分配四季分明，徑流年內分配極不均勻，從哈巴站徑流年內分配曲線(圖4)和哈巴站四季徑流變化過程(圖5)可以看出，全年徑流主要集中在夏(6—8 月)、秋(9—10 月)兩季，占全年的76.01%。夏秋兩季徑流呈下降趨勢是導致20 世紀末至21 世紀初枯水年份增多的一個重要因素。夏秋兩季是洪水發生的時期，其中汛期(6—9月)的徑流量占全年的63.85%。冬季(11—次年3月)進入冰期，徑流主要依靠地下水補給，各月徑流量都很小，冬季徑流量只占全年的8.26%。春季(4—5 月)進入春汛，氣溫回升，進入春季后上游各支流先后開河，流域的積雪融化和河網儲冰解凍形成春汛，但春汛水量不大，春季徑流量占全年的15.73%［2］。

圖4 黑龍江哈巴站徑流年內分配過程

2.2.2 徑流年內分配特征分布

為進一步定量分析黑龍江徑流年內分配特征，采用年內分配不均勻系數Cu、完全調節系數Cr［12-14］、集中度Cn［15］等指標，從不同角度分析徑流年內分配的變化規律。年內分配不均勻系數越大，表明年內各月徑流相差越懸殊，年內分配越不均勻，完全調節系數越大，徑流年內分配越集中，不均勻程度越高。集中度反映徑流年內分配集中的程度。這3 個指標的具體計算公式可參考文獻［16-19］。

首先對黑龍江哈巴站徑流逐年代際的月徑流按多年平均值計算，然后按以上3 個指標進行計算，逐年代際的徑流年內分配特征指標值見表4。由表4 可見，1897—1985 年哈巴站徑流年內分配Cu為0.844，Cr為0.387，Cn為0.553。隨著時間推移，Cu和Cr均呈現增加-減少-增加的過程，兩值變化過程一致，兩值在20 世紀60 年代均最小，說明60 年代徑流年內分配最為緩和，在20世紀10年代兩值最大，年內分配最不均勻;Cn在20 世紀10 年代最大，20世紀60 年代最小，也正好對應Cu和Cr的最大值和最小值。

表3 黑龍江哈巴站年徑流量變化階段

圖5 黑龍江哈巴站1897—1985 年四季徑年際變化過程

表4 黑龍江哈巴站徑流逐年代際的年內分配特征指標值

綜上，徑流變化的原因:一方面可能是受氣候因素如流域降水影響的結果，黑龍江流域降水的年際變化較大且階段性明顯，連續多雨、連續少雨交替出現;另一方面還可能受到上游人類活動如農田灌溉、水庫調節、工業用水等的影響。

3 結 語

a. 研究分析了黑龍江哈巴站徑流年際變化規律、徑流年內分配特征，可為深入了解黑龍江流域水資源的變化趨勢，為流域的水利工程建設、生態環境保護和水資源合理利用，以及界河的開發和保護提供科學的依據。

b. 黑龍江哈巴站徑流連豐年、連枯年交替出現，徑流年際變化的階段性較為明顯:3 個豐水段，即1928—1938、1955—1963、1983—1985 年;2 個平水段，即1940—1953、1986—1997 年;3 個枯水段，即1916—1927、1974—1980、1999—2005 年。

c. 哈巴站徑流年內分配極不均勻，全年徑流主要集中在夏秋兩季(6—10 月)，占全年的76.01%，其中汛期(6—9 月)占全年的63.85%。哈巴站在20 世紀60 年代徑流年內分配最不集中、最為均勻，10 年代年內分配最為集中、最不均勻。

d. 筆者僅應用統計檢驗方法對徑流系列的變化做了初步分析研究，有關后繼成果將陸續發表。

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