汾河中游閘壩區(qū)河川徑流演變特性及驅(qū)動因素分析*

(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

水是地球萬物生命之源，是生物圈的血液，是維持人類和生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源已成為重要的戰(zhàn)略資源。河川徑流是水資源存在的重要形式，是人類社會生存和發(fā)展最主要的水源。20世紀(jì)以來，人類活動直接或間接地影響了河川徑流的質(zhì)量、數(shù)量和徑流過程，而徑流的變化對整個水文水資源系統(tǒng)的演化起著主導(dǎo)作用，并對資源環(huán)境和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響[1]。汾河流域是山西省生產(chǎn)力布局最密集、人口最集中的區(qū)域[2]，近年來，在氣候和人類活動影響下，汾河流域水資源情勢與水循環(huán)格局已顯著改變，導(dǎo)致中下游部分河段一度出現(xiàn)了斷流、泉水干涸、水質(zhì)惡化等問題[3]，進(jìn)一步加劇了該地區(qū)水資源供需矛盾。

為蓄滯雨洪，抬升地下水位，改善汾河生態(tài)環(huán)境，山西省在汾河中游二壩至義棠段堤內(nèi)建攔河節(jié)制蓄水閘15座，閘壩工程運行后，閘壩區(qū)將具有工程調(diào)節(jié)作用，汾河中游面臨河道人工干擾強(qiáng)度大、河流系統(tǒng)完整性受到威脅等問題，該河段上密集閘壩群的合理調(diào)度方案以及下游河道水量如何保障等問題亟待研究，而閘壩間水資源的合理調(diào)度與優(yōu)化配置均受上游來水規(guī)律的影響，因此研究汾河中游徑流變化規(guī)律及成因?qū)鉀Q河道片段化問題及15座閘壩的科學(xué)運行十分必要。國內(nèi)學(xué)者針對汾河流域已開展了大量的研究工作，這些研究多集中在汾河上游或下游，且研究多以單一影響因素對徑流的影響為主，研究成果對汾河流域徑流演變特性及影響因素分析缺乏系統(tǒng)性和全面性。因此，本文以汾河二壩站、義棠站實測徑流系列為基礎(chǔ)，從年際與年內(nèi)兩個時間尺度研究年徑流變化規(guī)律，基于Mann-Kendall法突變檢驗結(jié)果，建立降水-徑流雙累計曲線模型，對影響徑流的各項驅(qū)動因素進(jìn)行定量分析，探求河川徑流量減少的原因，為緩解汾河流域水資源危機(jī)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供依據(jù)。

1 資料與方法

本研究以汾河二壩水文站1965—2015年和義棠水文站1958—2015年實測年徑流量作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用累計距平法、Mann-Kendall趨勢檢驗和突變檢驗法對徑流的年內(nèi)分配與年際變化規(guī)律進(jìn)行了分析，采用雙累計曲線模型分析了徑流變化的驅(qū)動力。

1.1 Mann-Kendall趨勢檢驗法

Mann-kendal趨勢檢驗法是一種非參數(shù)檢驗方法，其具有不需要樣本規(guī)律分布、不受異常值干擾等優(yōu)點，可對降水、徑流、氣溫等非正態(tài)分布序列的變化趨勢進(jìn)行分析和檢驗。其原理為：設(shè)(x1,x2,…xn)是n個獨立、隨機(jī)樣本，統(tǒng)計量S為：

其中sign()為符號函數(shù)。當(dāng)(xi-xj)小于、等于或大于零時，sign(xi-xj)分別等于-1、0和1。M-K統(tǒng)計量公式S分別為：

Z為正表示趨勢增加，反之表示減小。當(dāng)|Z|≥1.28、|Z|≥1.64、|Z|≥2.32時，分別表示序列趨勢通過了信度為90%、95%、99%的顯著性檢驗，說明序列趨勢顯著上升或下降。

1.2 Mann-Kendall突變檢驗法

設(shè)序列x1,x2,…xn，構(gòu)造秩序列ri，ri為xi≥xj(1≤j≤i)的累計數(shù)，其統(tǒng)計量Sk及其均值和方差分別為：

將Sk標(biāo)準(zhǔn)化：

UFk組成一條UF曲線，其中UF1=0，將此方法用于反序列，計算UB曲線，其中UB1=0，給定顯著水平α，如果UF>0，表示序列趨勢呈現(xiàn)上升，反之呈下降，當(dāng)UF值超過信度線上下限時，表示序列上升或下降趨勢達(dá)到顯著水平。繪制UF和UB曲線圖，則兩條曲線在置信區(qū)間內(nèi)的交點為突變點。

1.3 雙累計曲線

人類活動影響時期實測水文變量與天然時期之間的差值主要包括兩部分，即人類活動影響和氣候變化影響，并提出了二者對徑流影響的分離分析方法[4-5]。計算過程如下：

ΔWT=WHR-WN

ΔWH=WHR-WHN

ΔWC=WHN-WN

式中ΔWT——徑流總量變化值；

ΔWH——徑流受人類活動影響變化量；

ΔWC——徑流受氣候影響變化量；

WN——天然徑流量；

WHR——人類活動影響時段實測的徑流量；

WHN——人類活動影響時段天然徑流量；

ηT、ηC——人類活動與氣候變化分別對徑流影響比例。

2 結(jié)果分析

2.1 河川徑流年內(nèi)分配

河川徑流量的年內(nèi)分配一般表現(xiàn)為明顯的洪水、枯水交替現(xiàn)象，這種變化因河流所處的地域不同而有所差異。因此，對同一流域，即使年徑流總量相差無幾，但如果該流域的河川徑流量年內(nèi)分配差異顯著，對從該流域取水的城市生產(chǎn)和生活用水、農(nóng)業(yè)灌溉用水等也會造成較大影響。因此，研究河川徑流的年內(nèi)分配也是確保社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

圖1 汾河二壩、義棠站徑流量年內(nèi)變化曲線

山西省降雨的主要水汽來源是夏季風(fēng)帶來的暖濕氣流，6—9月降水量占全年降水量的70%以上，7、8兩月降水尤為集中，從汾河二壩站和義棠站的徑流量年內(nèi)變化曲線(圖1)可知，汾河中游徑流年內(nèi)分配主要表現(xiàn)為典型的夏雨型，即月徑流量的豐枯程度和降水量的大小對應(yīng)。汾河中游區(qū)從11月到次年5月徑流量均較小，2—3月的徑流量為一年中的最小值，從6月開始，隨著降雨量的增加徑流量迅速上升，8月前后徑流量達(dá)到一年中的最大值，之后開始逐漸縮減。總體上，汾河中游閘壩區(qū)河川徑流量主要集中在汛期，且除3月外義棠站月徑流量均大于汾河二壩站月徑流量，3月是冬小麥等農(nóng)作物灌溉的高峰期，上游灌區(qū)灌溉用水量的增加是導(dǎo)致下游義棠站流量減少的原因之一。

2.2 年際變化規(guī)律分析

汾河二壩站和義棠站徑流年際特征值統(tǒng)計見表1，歷年徑流累計距平曲線如圖2所示。

表1 Mann-Kendall趨勢檢驗結(jié)果

注*表示通過了0.01的顯著性檢驗。

圖2 汾河二壩、義棠站年徑流量距平累計曲線

由圖2可以看出，汾河二壩站和義棠站年徑流量在20世紀(jì)70年代之前呈上升趨勢，而整個70年代為波動起伏狀態(tài)，1980—2010年呈逐漸減小趨勢，特別是1998—2008年的10年間，地表徑流大幅度減少，究其原因，主要是降水量減少所致，加之地下水大量超采，導(dǎo)致地下水位下降、泉水出流量劇減，流域產(chǎn)流也隨之急劇衰退，兩者共同作用造成河川徑流量大幅減少。2008年之后隨著外調(diào)水的增加和流域關(guān)井壓采、水源逐步置換，汾河中游河川徑流量才有所回升。根據(jù)Kendall趨勢檢驗結(jié)果(表1)，汾河二壩站1965—2015年、義棠站1958—2015年的河川徑流量整體處于下降趨勢，且這種趨勢通過了0.01的顯著性檢驗，表明汾河中游段河川徑流量下降非常顯著。

通過圖3、圖4顯示的汾河二壩站及義棠站年徑流量Mann-Kendall突變檢驗可以看出，汾河二壩站年徑流量1969—1975年表現(xiàn)為減少的趨勢，這種減少趨勢在1971年通過了0.05顯著性檢驗(U0.05=-1.96)，說明汾河二壩站年徑流量下降趨勢十分顯著；義棠站徑流量1969—1974年表現(xiàn)為減少的趨勢，但趨勢不顯著，1976—1979年徑流量略有回升，但從1980—1987年徑流量又表現(xiàn)為下降趨勢，且這種趨勢在1981年通過了0.05顯著性檢驗(U0.05=-1.96)，表明義棠站年徑流量下降趨勢十分顯著；從2008年開始兩站徑流量均開始回升，但未達(dá)到顯著性水平。

圖3 汾河二壩站年徑流量突變檢驗曲線

圖4 義棠站年徑流量突變檢驗曲線

圖3、圖4中UF(k)和UB(k)曲線在1970年和1971年在臨界線之間有一個交點，并且汾河二壩站UF(k)曲線在1971年、義棠站UF(k)曲線在1981年后超出了臨界線，因此汾河二壩站河川徑流量在1971年、義棠站河川徑流量在1981年后顯著下降，汾河二壩站在1970年、義棠站在1971年發(fā)生突變。

2.3 驅(qū)動因素分析

氣候變化和人類活動是導(dǎo)致徑流發(fā)生變化的雙重驅(qū)動因素[6]，降水-徑流雙累積曲線可反映出氣候變化與人類活動對徑流的影響。通過趨勢分析和突變檢驗，汾河二壩站、義棠站徑流序列均呈顯著遞減趨勢，突變年份分別為1970年和1971年，因此，汾河二壩站可將1970年以前的徑流量視為基準(zhǔn)期，義棠站可將1971年以前的徑流量視為基準(zhǔn)期，基準(zhǔn)期內(nèi)徑流變化只受氣候變化的影響，之后的時段視為變化期，變化期內(nèi)徑流不僅受氣候變化的影響，同時還受人類活動的干擾。根據(jù)雙累計曲線建模原理，計算出降水、人類活動對徑流的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 汾河二壩站、義棠站降水-徑流雙累計曲線

汾河二壩站和義棠站，降水因素對徑流的影響量分別為0.38億m3和0.74億m3，影響率分別為10.27%和12.71%；人類活動對徑流的影響量分別為3.32億m3和5.08億m3，影響率分別為89.73%和87.29%，見表2。

表2 降水、人類活動對徑流影響統(tǒng)計結(jié)果

流域徑流分布特性主要受氣候因素和人類活動兩個因素影響。氣候因素對徑流產(chǎn)生著持久且基本穩(wěn)定的影響。人類活動對流域地表徑流量的影響可分為兩方面：?以地表水為水源的工農(nóng)業(yè)用水、生活用水以及水利工程的調(diào)蓄，直接改變了下游水文站控制斷面的實測徑流量；?生產(chǎn)實踐和社會活動改變流域下墊面條件，導(dǎo)致入滲、徑流、蒸散發(fā)等平衡要素變化，使得流域產(chǎn)匯流條件發(fā)生變化，同時改變徑流的時程分配。

對比分析各驅(qū)動因素的影響結(jié)果得出如下結(jié)論：

a.義棠站的人類活動對徑流總影響量遠(yuǎn)大于汾河二壩站，但影響程度略小于汾河二壩水文站，主要由于義棠水文站控制流域面積更大，范圍更廣。

b.從汾河二壩站和義棠站降水和人類活動對徑流的影響比例來看，雖然結(jié)果有微小差異，但總體上保持一致性，表明氣候和人類活動對汾河流域河川徑流的影響具有一致性。

c.降水量偏少以及時空分布不均是造成汾河中游徑流量減少的原因，但影響程度有限。

d.人類活動干擾是汾河中游徑流減少的主要原因。隨著人口的增加和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人為大量開采地下水，尤其是開采巖溶水，導(dǎo)致巖溶大泉自然出流量嚴(yán)重衰減，加之煤礦的無序開采對地下水造成了永久性和不可逆轉(zhuǎn)性的破壞，導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降，使淺層地下水疏干，加速了土壤退化和植被衰退，植被破壞又進(jìn)一步導(dǎo)致涵養(yǎng)水源能力減弱，地表濕地面積萎縮、地下水補(bǔ)給減少，加劇了地下水位快速下降，形成生態(tài)系統(tǒng)的惡性循環(huán)。

3 結(jié) 語

本文采用Mann-Kendall法對汾河中游二壩站1965—2015年、義棠站1958—2015年實測徑流量進(jìn)行了趨勢檢驗和突變檢驗，系統(tǒng)地分析了汾河中游徑流年內(nèi)分配和年際變化規(guī)律，并根據(jù)突變檢驗結(jié)果建立了降水-徑流雙累積曲線模型，研究表明:汾河中游段徑流量年內(nèi)分配不均，年際變化大，年徑流量總體呈現(xiàn)減小趨勢，降水量偏少以及時空分布不均是造成汾河中游徑流量減少的部分原因，而人類活動干擾是汾河中游徑流減少的主要原因，特別是人為大量開采地下水，導(dǎo)致巖溶大泉自然出流量嚴(yán)重衰減，加之煤礦的無序開采造成地下水位持續(xù)下降，使淺層地下水疏干，加速了土壤退化和植被衰退，植被破壞又進(jìn)一步導(dǎo)致涵養(yǎng)水源能力減弱，進(jìn)一步加劇了地表徑流的衰減。