祁連山主要河流出山徑流序列水文變異研究

張德棟，趙 清

(甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000)

1 概況

祁連山甘肅轄區(qū)分為疏勒河、黑河和石羊河三大水系。按年徑流劃分，年徑流量在300萬m3以上的主要河流有58條，其中年徑流量在10億m3以上的河流有2條，依次為黑河、昌馬河；年徑流量在1.0～10億m3之間的河流有13條；年徑流量在0.1～1.0億m3之間的河流有25條，年徑流量在0.03～0.10億m3之間的河流有18條[1]。水文部門監(jiān)測的主要河流基本情況見表1。

表1 甘肅轄區(qū)水文部門監(jiān)測河流基本情況統(tǒng)計表 單位：億m3

2 主要河流徑流過程變異分析

2.1徑流過程概況

將祁連山出山水量較多且有水文監(jiān)測的疏勒河、黨河、討賴河、洪水河(酒泉)、黑河、梨園河、洪水河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營河、東大河、西大河等13條河流作為研究對象，按照2017年國家啟動的第三次水資源調(diào)查評價1956～2000年、1956～2016年、1980～2016年、2001～2016年不同系列劃分統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，2000年以來出山徑流較二次評價系列(1956～2000)除黃羊河、金塔河小幅減少外，其余河流均呈增加趨勢。統(tǒng)計主要河流多年均值變化情況見表2。

2.2 徑流變異分析

根據(jù)表2統(tǒng)計結(jié)果，可將祁連山自西向東的疏勒河、黑河干流、雜木河作為西段、中段、東段的代表性河流。在此基礎(chǔ)上首先按照全國第三次水資源評價徑流確定的徑流序列對三個區(qū)段代表性河流進行徑流序列均值對比分析，然后采用M-K對三個區(qū)段代表性河流1956～2016年共計61年的長序列徑流系列進行趨勢檢驗，最后探討研究祁連山不同區(qū)段河流徑流序列變異情況。[2]

2.2.1 不同系列的比較

經(jīng)過分析研究西段疏勒河2000年以前年徑流量呈穩(wěn)定波動情勢，1980～2016年、2001～2016年與多年值相差較遠，徑流序列發(fā)生突變增加，尤其是2001～2016年大幅增加；中段黑河與西段總體趨勢一致，但2001～2016年徑流量增幅較?。粬|段雜木河總體呈穩(wěn)定波動情勢，1980～2016年小幅減少，2001～2016年小幅增加[3]。代表性河流的徑流過程線如圖1～3所示。

表2 祁連山主要河流徑流情況統(tǒng)計表 單位：億m3

圖1 祁連山西段疏勒河出山徑流過程線圖

圖2 祁連山中段黑河出山徑流過程線圖

圖3 祁連山東段雜木河出山徑流過程線圖

2.2.2 M-K趨勢檢驗

(1)趨勢檢驗方法

Mann-Kendall統(tǒng)計檢驗方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法。非參數(shù)檢驗方法亦稱無分布檢驗，其優(yōu)點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適用于類型變量和順序變量，計算也比較簡便。由于最初由Mann和Kendall提出了原理并發(fā)展了這一方法，故成其為Mann-Kendall統(tǒng)計檢驗法。

對于具有n個樣本量的時間序列x，構(gòu)造一秩序列：

(1)

可見，秩序列Sk是第i時刻大于j時刻數(shù)值個數(shù)的累計數(shù)。

在時間序列隨機獨立的假定下，定義統(tǒng)計量：

(2)

式中，UF1=0；E(Sk)、Var(Sk)—累計數(shù)Sk的均值和方差，在x1，x2…xn相互獨立，且有相同連續(xù)分布時，它們可由下式算出：

(3)

(4)

式中，UFi—標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，它是按時間序列x順序x1，x2…xn計算出的統(tǒng)計量序列，給定顯著性水平α，查正態(tài)分布表，若|UFi|>Uα，則表明序列存在明顯的變化。

按時間序列x逆序xn，xn-1…x1，再重復(fù)上述過程，同時使UBk=-UFk，k=n，n-1，…1，UB1=0。

分析給出UFk和UBk曲線圖。若UFk或UBk值大于0，則表明序列呈上升趨勢，小于0則表明呈下降趨勢。當(dāng)它們超過臨界直線時，表明上升或下降趨勢顯著。若超過顯著性α=0.05的臨界值，則說明發(fā)生突變的機率很大[4]。

(2)檢驗結(jié)果

通過對疏勒河、黑河、雜木河M-K趨勢檢驗，發(fā)現(xiàn)均發(fā)生超過顯著性檢驗α=0.05的臨界值1.96，因此徑流序列有變異情況發(fā)生[5]。其中：西段疏勒河2000年以前M-K值平穩(wěn)波動，之后由2.21增加至5.36，突破臨界值且年均增加0.19。中段黑河1974年之前M-K值平穩(wěn)波動，1975～1990年持續(xù)增加至2.00，突破臨界值；1991～2006年平穩(wěn)波動；2007～2016年由2.26增加至4.26，突破臨界值且年均增加0.20。東段雜木河1966年之前M-K值持續(xù)減小，但未突破臨界值；1967～1994年平穩(wěn)波動；1995～2002年突破臨界值，呈減小情勢；2003～2016年突破臨界值，呈增加情勢。代表性河流M-K趨勢檢驗結(jié)果如圖4～6所示。

圖4 祁連山西段疏勒河出山徑流M-K檢驗過程線圖

圖5 祁連山中段黑河出山徑流M-K檢驗過程線圖

圖6 祁連山中段雜木河出山徑流M-K檢驗過程線圖

3 結(jié)語

祁連山甘肅轄區(qū)主要河流是河西走廊經(jīng)濟社會賴以發(fā)展的水源，探討研究主要河流在區(qū)段、時段、演變過程的徑流變異特點，不僅對祁連山區(qū)生態(tài)保護和修復(fù)及河西走廊平原區(qū)水資源合理開發(fā)利用具有重要意義，還對涉及河流的水資源規(guī)劃編制、建設(shè)項目水資源論證審批，生態(tài)流量下泄指標(biāo)確定、用水總量和用水效率控制控制指標(biāo)確定等水資源管理工作具有直接指導(dǎo)作用。同時，研究得到的主要河流徑流的水文變異成果，對于水資源評價工作的徑流還原和一致性修正具有參考價值。研究僅從徑流入手，為了全面認識祁連山區(qū)的水文水資源的變化情況，應(yīng)該深入研究主要河流的降水徑流關(guān)系和氣候變化和人類活動對徑流的影響。