邯鄲主城區降水徑流變化趨勢分析

王小鵬，王玉梅，吳 旭

邯鄲主城區降水徑流變化趨勢分析

王小鵬1，王玉梅2，吳 旭2

（1.河北建設勘察研究院有限公司，河北石家莊050030；2.河北省邯鄲水文水資源勘測局，河北邯鄲056001）

城市化是促使自然環境變化的最強大的因素之一，城市化的過程增進了人類社會與周圍環境之間的相互作用過程。隨著邯鄲城市化水平的不斷提高，引發了一系列城市水資源與水環境問題。研究了1956年以來邯鄲主城區降水量與徑流量的變化趨勢，并對二者進行相關分析。研究結果表明，邯鄲主城區降水量無明顯變化趨勢而徑流量則有明顯下降趨勢，且1970年以后二者的相關性顯著下降。

城市化；M-K檢驗；趨勢法；相關性；邯鄲

1 研究背景

華北山前平原西依太行山，北依燕山，是我國第二三階梯過渡地帶。近年來，隨著城市化進程的加快，山前平原城區水資源供需矛盾突出，地下水位處于下降趨勢，城區洪澇災害嚴重[1]。邯鄲主城區位于太行山前平原，其氣候條件和城區下墊面條件都具有代表性，具有重要的研究意義。

邯鄲市主城區位于河北省最南部，西依太行山，東連邯鄲平原，是滏西平原的一部分，位于北緯36° 14′～36°43′、東經113°53′～114°28′，包含叢臺區、復興區與邯山區3個行政區。2014年邯鄲市行政區劃重新劃分后，邯鄲縣三陵鄉、黃粱夢鎮并入叢臺區，康莊鄉與戶村鎮并入復興區，邯鄲主城區行政面積由177.3 km2增大至392.4 km2。

1.1 地形地勢

邯鄲主城區地勢西高東低，由丘陵、崗坡地、沖洪積扇和沖積平原組成。丘陵區主要分布在城區西部，海拔高程為300～1 000 m，地表由閃長巖、砂頁巖和較大面積的黃土組成。崗坡地主要分布在城區中部，海拔約為60～100 m，為丘陵與平原的過渡地帶，地面多由黃土組成。沖洪積扇和沖積平原位于城區東部，海拔約45～60 m，由黃土沉積物和夾雜碎石洪積物組成。

1.2 氣象水文

邯鄲主城區屬北溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，四季分明，雨熱同期，具有春季干旱多風、夏季炎熱多雨、秋季天高氣爽、冬季寒冷少雪等特征。

據歷年氣象資料統計，邯鄲主城區多年平均氣溫為14.0℃，極端最高氣溫為1972年6月11日的41.0℃，極端最低氣溫為1972年1月26日的-18.3℃；年日照時數為2 370.3 h，年日照率為53.0%；無霜期為207.8 d，初霜期一般出現在10月下旬，終霜期則出現在3月下旬。經統計計算，邯鄲主城區1956—2014年系列的多年平均年降水量為502.2 mm，其中多年平均汛期（6—9月）降水量為376.8 mm，占多年平均年降水量的75.0%。

1.3 河流水系與水利工程

邯鄲主城區內的天然河流有滏陽河及其支流渚河、沁河、輸元河，人工河道有南水北調中線渠，自南向北穿過城區。其中，滏陽河為常年性河流，渚河、沁河、輸元河為季節性河流。滏陽河為子牙河水系一級支流，發源于邯鄲市峰峰礦區和村鎮附近，經東武仕水庫調節后，流經磁縣，由南向北穿過邯鄲主城區。渚河、沁河與輸元河均自西向東先后匯入滏陽河，是排泄主城區南、中、北大部雨、污水的主要河道。渚河位于邯鄲市城區的西南部，上游有分別發源于復興區西望莊和會星頭的南、北2條支流，2條支流于西大屯村匯合后稱渚河，向東流經邯山區張莊橋村南于節制閘上游匯入滏陽河，河道全長28.7 km，流域面積84.0 km2。沁河發源于武安市康二城鎮車網口、興盛莊一帶，向東流入邯鄲主城區，于叢臺區春廠匯入滏陽河，河道全長43.8 km，集水面積186.5 km2。1957年，在沁河齊村修建攔河壩并開挖溢洪道，使齊村攔河壩以上的沁河水改道流入輸元河。輸元河位于邯鄲主城區西北部，發源于叢臺區紫山東麓姜窯村一帶，并匯入齊村大壩以上沁河來水，于蘇里村西北匯入滏陽河，河流全長19.9 km，流域面積73.1 km2。

自新中國成立至今，經過邯鄲水利人的奮斗拼搏，興建了眾多的防洪、除澇、灌溉和水土保持等水利工程。目前，邯鄲市主城區包含小（1）型水庫2座、小（2）型水庫9座、橡膠壩3處、節制閘4處。各類水利工程設施的興建，大大提高了邯鄲主城區抵御自然災害的能力，但同時也改變了當地下墊面狀態與徑流形成條件。由于大部分水利工程集中修建于1970年以前，故本文以1970年為界，將1956—2014年降水與徑流量實測資料序列分為先后兩部分，分別進行趨勢計算分析，并進行比較。

2 M-K檢驗法介紹

曼-肯德爾檢驗法（即Mann-Kendall檢驗）是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數檢驗方法，簡稱M-K檢驗法。它可以檢測流域降水的長期變化趨勢和突變情況。在時間序列趨勢分析中，M-K檢驗法最初由Mann和Kendall提出，許多學者不斷應用該方法分析降水、徑流、氣溫和水質等要素時間序列趨勢變化[2-3]。

M-K檢驗法無需樣本服從一定的分布，也不受個別異常值的干擾影響，適用于水文非正態分布數據且計算簡便。在M-K檢驗中，原假設H0為時間序列數據（x1,…,xn），是n個同分布的獨立隨機變量的樣本；假設H1是雙邊檢驗，對于所有的k，j≤n，且k≠j，xk和xj的分布不相同，統計變量S計算公式為：

式中：x為被檢測樣本值，本文采用邯鄲主城區的年降水量序列。

其中：

S為正態分布，其均值為0，方差var(S)=n(n-1) (2n+5)/18。當n≥10時，標準正態統計變量z通過下式計算：

在雙邊的趨勢檢驗中，在給定的α置信水平上，如果|z|≥z1-α/2，則原假設是不可接受的，即在α置信水平上時間序列數據存在明顯的上升或下降趨勢：大于0時是上升趨勢，小于0時是下降趨勢。當|z|＜z1-α/2時，接受原假設，即趨勢不顯著。

3 降水量變化趨勢分析

根據邯鄲主城區及其周邊1956—2014年的雨量資料，選取臨洺關、武安、張莊橋、淑村等雨量站計算邯鄲主城區逐年降水量，分別采用趨勢線法和M-K檢驗法對比分析邯鄲主城區近59 a年降水量的變化趨勢。由于從1970年開始人類活動影響顯著，各種水利工程不斷建成運行，城市建設進程明顯加快，為了更好地反映現狀及未來來水情勢，現采用1956—2014、1971—2014年兩段系列資料分別分析，如圖1—2所示。

圖11956 —2014年年降水量系列趨勢分析

圖21971 —2014年年降水量系列趨勢分析

由圖1—2可知，降水量極大值1 300 mm出現于1963年，極小值194.8 mm出現于1986年，1956—2014年降水量系列呈下降趨勢而1971—2014年降水量系列變化趨勢不明顯。

采用M-K檢驗法，在置信水平0.95下，邯鄲主城區兩系列降水量資料均無明顯趨勢，見表1。

表1 降水量及徑流量系列資料M-K檢驗法結果

4 徑流量變化趨勢分析

依據《河北省邯鄲縣水資源評價》、歷年邯鄲市水資源公報成果及張莊橋水文站實測資料進行計算，得到邯鄲主城區1956—2014及1971—2014年年徑流量系列。通過趨勢法及M-K檢驗法對徑流量系列進行趨勢分析，如圖3—4所示，見表1。

圖31956 —2014年年徑流量系列趨勢分析

圖41971 —2014年年徑流量系列趨勢分析

由圖3—4可知，邯鄲主城區徑流量呈下降趨勢且下降趨勢較降水量更為顯著，1970年后徑流量下降趨勢減緩。

M-K檢驗法與趨勢法結果均表明，邯鄲主城區年徑流量呈明顯下降趨勢且1971—2014年年降水量無明顯變化趨勢。

以1970年為界，將1956—2014年分成2個時間序列，分別對1956—2014、1956—1970、1971—2014年3個系列的降水量與徑流量進行相關分析，如圖5—7所示。

圖51956 —2014年年降水量與徑流量系列相關分析

圖61956 —1970年年降水量與徑流量系列相關分析

圖71971 —2014年年降水量與徑流量系列相關分析

由圖5—7可知，1956—1970年系列年降水量與徑流量相關性最好，相關系數達到0.95；而1971—2014年系列相關性最差，僅為0.71。

經分析發現，從1970年開始，人類活動影響顯著，城市建設進程明顯加快，城區面積不斷擴大，使得城區蒸發量減小、徑流量增大，改變了徑流的形成與排出比例，致使1970年以后的邯鄲主城區年徑流量與降水量相關程度下降。

5 結論

（1）由以上分析結果證明，M-K檢驗法能較好地揭示年降水量及徑流量序列變化趨勢特征。

（2）降雨量是影響徑流量變化的主要原因，但城市化速度越來越快，對城市自然環境影響越來越顯著[4]。城市化進程明顯改變了徑流的形成和排出比例，不僅使城市水資源大量流失，使枯季徑流量減少，汛期徑流量增大，而且易形成城市內澇，給城鎮居民的生命財產安全帶來嚴重威脅。

（3）城區不斷建設與擴大，改變了區域下墊面條件（包括植被、土壤、水面、耕地等因素），徑流、下滲、蒸發等水平衡要素發生變化，致使當地徑流系數發生改變，徑流資料出現“拐點”，不能直觀地反映當地氣象水文情況。

[1]郭鳳震.華北山前平原城區雨洪預報及資源利用關鍵技術研究[J].河北水利，2014（9）：21-22.

[2]張璐，周躍.Mann-Kendall檢驗及其在河流懸沙濃度時間序列分析中的運用[J].新疆環境保護，2007，29（3）：19-22.

[3]張燕明，文俊，王新華.基于Mann-Kendall分析的昆明降雨與氣溫變化趨勢研究[J].安徽農業科學，2011，39（25）：15755-15757.

[4]袁建球.蘇州市區降雨徑流關系初步分析[J].水文科技信息，1997（2）：46-48.

TV121+.1

A

1004-7328（2017）02-0052-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.02.016

2017—01—15

王小鵬（1980—），男，工程師，主要從事水文地質工作。