唐河下游典型水文站徑流演變規律研究

李明然

唐河下游典型水文站徑流演變規律研究

李明然

（河北省保定水文水資源勘測局，河北保定071000）

分析了唐河下游典型水文站1969—2002年34年來徑流的年際、年代際及豐枯變化規律，采用Mann-Kendall方法研究了其徑流演變趨勢，得出唐河下游的年徑流序列變化存在顯著遞減趨勢和變異點，為唐河下游水資源可持續利用提供一定參考。

徑流；年際變化；年代際變化；豐枯變化；趨勢變化；唐河下游

1　流域概況

唐河為大清河水系南支的一條主要支流，發源于山西省渾源縣搶風嶺，經山西省靈邱縣東南流入河北省，穿河北省淶源縣、唐縣，至唐縣西大洋村與主要支流通天河匯流，出山區，經定州市、望都縣、清苑縣，于安新縣注入白洋淀，全長302 km，流域面積4 993 km2。西大洋水庫以上流域面積4 420 km2，占唐河流域總面積的88.7％。主河道長226 km，流域平均寬度30.2 km，河道縱坡4.6‰。上游地表植被覆蓋率小于30％，水土流失嚴重。

唐河流域地處溫帶半干旱大陸性季風氣候區，具有春季干旱多風、夏季炎熱局地暴雨多、秋季晝暖夜涼、冬季寒冷少雪的特點。多年平均氣溫12.1℃，最高氣溫40.7℃，多發生在7月；最低氣溫-22.6℃，多發生在1月。初霜一般出現在10月下旬，終霜期多在次年4月中旬，全年無霜期190 d左右。全年風向多為西北風，風力一般達6級，陣風可達8級，冰凍期在12月至次年3月。

2　唐河下游典型水文站徑流年際及年代際變化特征分析

2.1徑流年際變化

徑流年際變化的總體特征常用變差系數Cv或年極值比（最大、最小年流量的比值）等來表示。Cv反映一個流域徑流過程的相對變化程度，Cv值大則表示徑流的年際豐枯變化劇烈。下面分別對唐河下游倒馬關、中唐梅水文站的徑流年際變化規律進行分析。

分析倒馬關站的數據，得到倒馬關站年徑流量隨時間的變化規律，如圖1所示。從傾向率來看，該站傾向率為負，說明該站徑流量呈現逐年減少的趨勢。

圖1　倒馬關站年徑流量變化

分析中唐梅站的數據，得到中唐梅站年徑流量隨時間的變化規律，如圖2所示。從傾向率來看，該站傾向率為負，說明該站徑流量呈現逐年減少的趨勢。

根據倒馬關站和中唐梅站1969—2002年共34年的徑流資料，經計算得到兩站的Cv值和年極值比，見表1—2。

圖2　中唐梅站年徑流量變化

表1　倒馬關站和中唐梅站年徑流多年變化特征值

表2　倒馬關站和中唐梅站年徑流量特征值　億m3

由圖1—2和表1可知，1969—2002年倒馬關站徑流量年際變化較大且呈遞減的趨勢，年均遞減0.028 4億m3；中唐梅站徑流量年際變化較大且呈遞減的趨勢，年均遞減0.024 6億m3。

2.2徑流年代際變化

分析唐河下游典型水文站徑流量的年代際變化發現，徑流量的年代際變化呈現規律性的波動變化趨勢。其中，倒馬關站20世紀70年代水量最豐，自80年代起相對于70年代呈下降趨勢，90年代較70年代下降28.20％；中唐梅站20世紀70年代水量最豐，自80年代起相對于70年代呈下降趨勢，90年代較70年代下降27.83％，詳見表3—4。

表3　倒馬關站和中唐梅站徑流年代際變化率（相對于20世紀70年代）％

2.3徑流豐枯變化

徑流豐枯變化的計算方法很多，本文采用設計頻率算法。

表4　倒馬關站和中唐梅站徑流年代際變化　億m3

分析唐河流域不同頻率年徑流量的取值區間及出現年數，詳見表5。

表5　唐河流域典型水文站豐枯比例

3　唐河下游典型水文站徑流變化趨勢、變異點分析

3.1趨勢性分析

本次趨勢性分析采用Mann-Kendall秩次相關檢驗法，對年徑流序列X1，X2，…，Xn先確定所有對偶值（Xi，Xj，i＜j）中的Xi＜Xj出現次數di。其計算公式為：

當n增加，U很快收斂于標準正態分布。

假設該徑流序列無趨勢，根據年徑流序列統計di計算出檢驗統計量U，給定顯著性水平a，在正態分布表中查出臨界值Ua/2，當U的絕對值比臨界值大，則趨勢顯著；反之，則不顯著。如檢驗統計量U〉0，說明序列存在遞增趨勢；反之，則為遞減趨勢。

分別對倒馬關站和中唐梅站數據進行趨勢性分析計算，得出倒馬關站檢驗統計量U=-2.535，|U|大于Ua/2，所以倒馬關站年實測徑流量呈顯著性遞減趨勢；得出中唐梅站檢驗統計量U=-0.933 94，|U|小于Ua/2，所以中唐梅站年實測徑流量呈不顯著性遞減趨勢。倒馬關站和中唐梅站年徑流序列趨勢分析結果，見表6。

表6　倒馬關站和中唐梅站年徑流序列趨勢分析結果

3.2唐河干流徑流序列趨勢分析

應用Mann-Kendall法和累積距平法對流域徑流進行突變檢測。通過Mann-Kendall檢驗得到統計量U的順序、逆序變化曲線UF、UB。取顯著性水平a=0.05，得到兩條臨界線y=±1.96，若UF、UB曲線在臨界線間有交點，則它有滿足一定置信度的突變點。采用累積距平法與Mann-Kendall法相結合的方法進行變異點診斷。

3.2.1倒馬關站徑流序列趨勢分析

應用Mann-Kendall法對唐河下游倒馬關站1969—2002年34年的年徑流序列進行變異診斷，發現其年徑流量變化趨勢如圖3所示。

圖3　倒馬關站年徑流量趨勢變異線

由圖3可知，倒馬關站多年徑流變化具有顯著的下降趨勢，通過了P=95％的置信度檢驗。在顯著水平a=0.05的情況下，UF和UB曲線之間有1個交叉點，位于1998年，這說明徑流在1998年發生了變異。

3.2.2中唐梅站徑流序列趨勢分析

應用Mann-Kendall法對唐河下游中唐梅站1969—2002年34年的年徑流序列進行變異診斷，發現其年徑流量變化趨勢如圖4所示。

圖4　中唐梅站年徑流量趨勢變異線

由圖4可知，中唐梅站多年徑流變化具有顯著的下降趨勢，通過了P=95％的置信度檢驗。在顯著水平a=0.05的情況下，UF和UB曲線之間有2個交叉點，分別位于1973和1998年，這說明徑流在1973 和1998年發生了變異。

4　結論

通過分析研究唐河下游典型水文站的徑流變化，得出如下結論：

（1）年際變化。倒馬關站和中唐梅站年際變化較大，從上到下各站徑流年際變化逐漸變大；年徑流量最大值倒馬關站出現在1988年，中唐梅站為1988年；年徑流量最小值倒馬關站出現在2001年，中唐梅站為1972年。徑流的年際變化起伏較大，對水資源的開發利用造成不利影響。

（2）年代際變化。倒馬關站20世紀70年代水量最豐，自80年代起相對于70年代呈下降趨勢，90年代較70年代下降28.20％；中唐梅站20世紀70年代水量最豐，自80年代起相對于70年代呈下降趨勢，90年代較70年代下降27.83％。

（3）豐枯變化特征。倒馬關站的豐水年、平水年、枯水年交替出現，其中豐水年占26.4％、平水年占52.9％、枯水年占20.6％；中唐梅站的豐水年、平水年、枯水年交替出現，其中豐水年占26.5％、平水年占50％、枯水年占23.5％。

（4）運用Mann-Kendall秩次相關檢驗法，分析得到唐河下游典型水文站的年徑流序列的變化趨勢，倒馬關站呈顯著遞減，中唐梅站呈不顯著遞減；唐河下游存在變異點，倒馬關站為1998年，中唐梅站為1973和1998年。

唐河流域受不同地域的氣候條件、自然地理和人類活動的綜合影響，徑流變化復雜，突變性強。在分析和研究其演變規律過程中，應當深入分析流域局部地區的徑流變化特性，找出影響徑流變化的主要因子，進一步弄清區域徑流變化的內在特性，才能真正把握唐河徑流自身的變化規律。

［1］王銀堂，胡四一，王宗志.流域初始水權分配及水量水質調控［M］.北京：科學出版社，2011.

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1004-7328（2016）04-0040-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.04.013

2016—04—15

李明然（1981—），男，工程師，主要從事水文水資源科研工作。