涼水河子站年徑流變化趨勢及突變分析

(遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000)

1 概 況

涼水河子河位于遼寧省西部的北票地區，是大凌河流域一級支流，由西官營子河和東官營子河兩條河交匯而成，全長44km，流域面積731km2。涼水河子河在北票市涼水河鄉雙樓村注入大凌河。該區徑流主要補給源為大氣降水、冰雪融水等。

涼水河水文站位于涼水河子河入大凌河匯合處7km處，該站建于1960年4月，2001年1月由原站址上遷3.5km處。涼水河子站徑流年際變化很大、豐枯懸殊。徑流年內分配極不均勻，每年6—9月為汛期，汛期徑流占年徑流量的69.4%；10月至次年5月為枯水期，期間徑流量僅占30.6%。

本文選取涼水河子站1960—2012年的實測徑流資料，對徑流的年際變化進行趨勢分析及預測，為該流域的防洪、抗旱及水資源開發利用提供科學依據。

2 資料選取與研究方法

本次分析選取涼水河子站1960—2012年的實測徑流資料，采用線性趨勢、矩平、變差系數等對徑流的年際變化特征進行分析，運用滑動平均法、累積濾波器法、Mann-Kendall分析法對分析徑流的趨勢變化特征及突變特征進行分析，結合Mann-Kendall法和R/S分析法對徑流持續性進行預測。

3 結果分析

3.1 徑流年際變化特征

影響徑流的因素很復雜，徑流不僅受降水量年際變化的影響，同時也受河流所處的地理位置、地形地貌、人為因素等影響。涼水河子站多年平均年徑流量為3767萬m3, 徑流年際變化很大、豐枯懸殊，涼水河子站最大年徑流量11306萬m3(1963年)，最小年徑流量1035萬m3(2012年)，年際極值比為10.9，年徑流變差系數Cv為0.66。

涼水河子站1960—2012年間，從距平曲線上看，有16年年徑流量高于平均值(見圖1)，其中有5年發生大洪水；其余的37年年徑流量低于平均值，偏枯年占70%，說明這53年中主要是以枯水年為主。

圖1 涼水河子站年徑流距平

3.2 徑流趨勢分析

根據涼水河子站年徑流資料做出徑流變化曲線，如圖2。

采用線性趨勢法，對涼水河子站年徑流變化曲線做線性趨勢分析，線性趨勢法假定徑流序列以恒定速率增加或減少。從圖2線性趨勢看出，涼水河子河徑流整體呈下降趨勢，以80.537萬m3/a在下降。

圖2 涼水河子站徑流變化及其滑動平均曲線

運用滑動平均法繪制滑動平均曲線，選取5年作為滑動周期。經過滑動平均后，序列中短于滑動長度的周期被削弱，體現出變化趨勢來[1]。從5年滑動平均曲線可以看出：?1960—1965年呈上升趨勢；?1966—1991年呈明顯的下降趨勢，下降趨勢持續26年之久，這26年間，只有8年徑流量高于平均值(見圖1)；?1992—1996年呈上升趨勢，其間，1994年發生了一場大洪水，致使出現了短暫的上升趨勢；?1997—2003年呈現下降趨勢；?2004-2007年呈較平緩的上升趨勢；?2008年以后又呈現出下降趨勢。從滑動平均曲線上看，總體上上升趨勢時長較短，下降趨勢持續時間較長。

累積濾波器法能充分反映時間序列定性的變化趨勢[2-3]，運用累積濾波器法繪制涼水河子站徑流累積平均曲線(見圖3)，涼水河子站徑流量整體上呈現下降趨勢，1960—1965年呈現明顯的上升趨勢，1966—1992年呈現明顯的下降趨勢，1993年以后呈現比較平緩的下降趨勢。

圖3 涼水河子站年徑流量累積平均曲線

通過Mann-Kendall趨勢分析法[4]，計算U值，經計算，U=-4.41，說明涼水河子站徑流系列呈下降趨勢，且U>U0.05/2=1.96，表明徑流序列下降趨勢變化顯著。

3.3 突變分析

Mann-Kendall(簡稱“M-K”)突變檢驗法的優點是不需要觀測值服從一定的分布，也不受個別異常值的干擾，計算簡便。M-K檢驗法以實用范圍廣、人為影響少、定量化程度高而廣泛應用于流域年徑流序列突變點檢驗[5]。

圖4 涼水河子站年徑流序列M-K趨勢變化分析

采用M-K突變檢驗法，繪制涼水河子站年徑流序列M-K趨勢變化分析圖(見圖4)。由圖4可看出：1960—1966年，UFk>0，說明徑流呈上升趨勢；1967年以后，除了1968年UFk>0，其余年份UFk均小于0，說明這區間徑流整體呈現下降趨勢。UFk和UBk曲線在1960—2012年有3個交點:其中1975年發生下降的突變，并且1975年以后超過臨界范圍，達到突變程度，即1975年為下降突變點，1993年和1995年，存在上升的突變點，即1993—1995年徑流量呈短暫的上升趨勢，但上升趨勢沒有達到突變的程度。

3.4 年徑流持續性分析

R/S( Re-scaled Range )是一種時間序列統計法[6]。利用R/S分析法可以計算得Hrust指數H，該指數可以反映具有統計特性的非線性數據系列的持續性，同樣適用于水文徑流序列。通過Hurst 指數，可判定徑流時序的狀態持續性及其記憶長度[7]。

R/S分析法從定性的角度揭示未來的變化特征，但無法揭示出未來的趨勢特征是上升還是下降，所以，綜合M-K法揭示序列的趨勢特征, 最后由兩個統計量綜合就可以得出未來的趨勢特征。

因此只要對序列用M-K法分析其趨勢特征，再由Hurst指數所揭示的持續性或反持續性特征就能說明未來趨勢特征[8]。水文時間序列未來的趨勢特征見下表。

水文時間序列未來的趨勢特征表

利用R/S方法對涼水河子站1960—2012年徑流量序列進行計算，繪制lgT-lg(R/S)圖，見圖5。從圖5中可以看出，Hurst系數即斜率為0.725。Hurst系數大于0.5，說明年徑流序列具有持續性，即下一個狀態將持續上一個狀態的態勢，結合M-K法趨勢方程計算得到的U=-4.41，根據上表可以得到，涼水河子站2012年以后的一定時間內徑流總體上會呈現顯著的下降趨勢。

圖5 涼水河子站徑流量R/S分析結果

4 結 論

本文基于線性趨勢法、滑動平均法、累積濾波器法、M-K趨勢法對涼水河子站年徑流趨勢變化進行分析，得出一致的結論：涼水河子河徑流整體呈下降趨勢，且下降趨勢顯著；并結合R/S法和M-K法對徑流的趨勢進行預測，涼水河子站2012年以后的一定時間內徑流總體上會呈現顯著的下降趨勢。

徑流的變化特征和未來趨勢是水文水資源研究中的重要內容，通過對涼水河子站的徑流分析，可以為涼水河子河流域的防洪抗旱提供科學依據，從而為城市用水、水資源合理利用提供參考。

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[2] 李永坤,薛聯青,丁曉潔,等.塔里木河流域上游徑流變化特征分析[J].水電能源科學,2011,29(7):10-12.

[3] 肖鵬嵩,代俊峰,王娜.廣西降雨量變化趨勢分析[J].節水灌溉2013(2):38-40.

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[8] 于延勝,陳興偉.R/S和Mann-Kendall法綜合分析水文[J].水資源與水工程學報,2008,19(3):41-44.