小興安嶺典型凍土區徑流特性及影響因素分析

孫穎娜,易欣欣，孫海寧，張一丁

(黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

黑龍江省是典型的季節性凍土區，冬季積雪是該地區的典型特性之一[1]。融雪徑流在春季對河流的補給量高達75%以上[2]，融雪徑流既是一種資源，又是造成春季洪水災害的主要原因之一，因此，研究凍土區徑流特性及影響因素對水資源管理、防洪減災等都具有十分重要的意義。

河川徑流過程受眾多不確定性因素的影響，是一個十分復雜的過程[3-6]。特別是在季節性凍土區，由于凍層的存在，使下墊面性質發生了改變，在春季融雪徑流時起到了阻礙融雪水入滲量，從而增加產流量[7]。本文以小興安嶺永翠河流域為研究對象，對季節性凍土區徑流特性進行分析探討，初步分析影響徑流的主要因素。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

永翠河流域位于黑龍江省伊春市帶嶺區，河流發源地為寒月林場的翠嶺南麓，為西南岔河一級支流，其上一出口控制水文站為帶嶺(二)站，集水面積為678.0 km2，另有育林、新功、新曙光三個水文站，其控制面積分別為8.3 km2、28.0 km2、169.0 km2，為徑流試驗站。永翠河流域為中溫帶大陸季風氣候區，多年平均降水量為661 mm，年內分配不均，主要集中在6—9月份，多年平均徑流量為343.4 mm，多年平均氣溫4.3 ℃，一般情況下流域內河流每年11月中旬封凍，次年4月中旬解凍，土壤最大凍深達2.15 m。

圖1 研究區水文站網分布圖

1.2 數據來源

本文采用數據摘自《黑龍江省水文年鑒》中永翠河帶嶺(二)站水文站的年降水量、年徑流量資料，其他三站降水量及年徑流量資料來自黑龍江省水文局，序列長度為1995—2014年，共20 a。

2 水文特性分析

2.1 研究方法

本文采用滑動平均法及Spearman秩次相關檢驗法對永翠河流域降水徑流變化趨勢進行分析。

Spearman相關檢驗法可用于時間序列的趨勢檢驗，通過分析水文序列xt與時序t的相關性來檢驗序列的趨勢性，該種方法對于樣本的分布及容量無嚴格要求，適用于水文序列數據。其具體步驟如下：

(1)將水文時間序列從小到大的順序排列，其秩次Rt為排列后序列對應的序號(把序列xt從小到大排列時xt所對應的序號)，用式(1)計算秩次相關系數r。

(1)

式中：dt=Rt-t；n為序列長度；t為時序。

(2)構造t檢驗的統計量，見式(2)。

(2)

給定顯著性水平α，如果|T|>tα/2，拒絕原假設，認為序列有明顯的趨勢，否則，接受原假設，認為序列趨勢變化不明顯。

2.2 徑流年內分配特性分析

利用已有水文資料，對永翠河流域基本特性分析，其徑流年內分配均勻性及集中程度采用下列公式計算。

(3)

(4)

(5)

D=arctan(Ry/Rx)

(6)

計算得出，流域年內不均勻系數平均為0.43，集中度為0.62～0.74，集中期為181.9°～197.9°間，說明永翠河流域徑流年內分配不均勻，最大徑流量出現在6—7月份。

2.3 徑流年際變化特性分析

2.3.1 統計特性分析

永翠河流域內各水文站徑流量、降雨量統計參數見表1。

表1 永翠河流域水文站統計參數表

分析表明，研究時段內，各站年徑流量從上游到下游遞增，變差系數從上游向下游遞減，新功站極值比最大，新曙光站極值比最小。下游控制斷面帶嶺(二)站最大徑流量為2013年4.29×108m3，最小年徑流量為2001年的0.85×108m3，年際變差系數平均為0.43，變化幅度較大，相對比較，年際降水量的變差幅度較小。從圖2中可以看出，育林站和帶嶺(二)站的變化趨勢一致，降雨空間分布較均勻，上游育林站降雨量略大于下游帶嶺(二)站降雨量，但相差不大，主要因為流域面積較小，兩站距離較近，多年平均降雨過程變差系數為0.22，表明研究時段內變化起伏較小，由圖3可以看出，流域內平均降雨量體現上升趨勢。

流域內降雨量空間分布不均勻，上游降雨量大于下游降雨量，建立育林和帶嶺(二)兩站的降雨徑流相關關系如圖4(a)及圖4(b)，可以看出，永翠河流域內降雨徑流相關趨勢明顯，相關關系較好。

2.3.2 年徑流趨勢分析

徑流變化趨勢是河川徑流水文特性的主要分析內容之一。為了更進一步揭示永翠河流域的徑流變化特征，采用滑動平均法、Spearman秩次相關檢驗法對永翠河流域年徑流趨勢進行分析。

根據永翠河流域徑流序列變化趨勢(圖5)來看，總體呈上升趨勢變化，帶嶺(二)和育林兩站變化明顯，新功站相對較平緩。

圖2 育林、帶嶺(二)站降雨量比較圖 圖3 流域平均降雨量過程

圖4 永翠河流域Spearman徑流趨勢變化圖

圖5 永翠河流域徑流Spearman趨勢變化圖

采用Spearman秩次相關檢驗法對徑流的變化趨勢進行顯著性檢驗，結果見表2。由表2數據分析得出，永翠河流域內4個測站的年徑流序列增加趨勢顯著。綜合上述兩種方法分析比較結果可以看出，永翠河流域近20 a的年徑流呈明顯的上升趨勢。

表2 永翠河流域年徑流Spearman趨勢檢驗

3 徑流影響因素分析

3.1 凍融期水熱性質的影響

融化期土壤上層融雪水入滲能力增強，下層未化層具有阻水作用，入滲能力較差，使入滲水量聚集在相對不透水層，形成徑流。影響土壤水熱性質的主要因素之一為土壤溫度，土壤溫度的變化是影響土壤水分凍結消融的直接因素。永翠河流域氣溫資料表明，近20 a溫度時間序列有較平緩的上升趨勢。

3.2 氣候因素的影響

降水是形成徑流的主要影響因素，根據永翠河流域降雨徑流相關關系分析發現，降雨與徑流變化趨勢一致，均呈現出上升趨勢。

4 結 論

(1)永翠河流域徑流年內分配不均勻，最大徑流量出現在6—7月份，融雪徑流所占比例較大。

(2)流域內年降雨徑流變化趨勢一致，采用滑動平均法和 Spearman秩次相關檢驗法分析年徑流趨勢變化，結果表明，永翠河流域年徑流變化呈顯著上升趨勢。

(3)初步分析徑流變化影響因素，主要原因可能是季節性凍土下墊面及氣候條件變化導致的。