佳木斯地區1956-2010年徑流量時間序列變異分析

曹偉征, 邢貞相, 李 衡, 婁 丹, 張玉國

(1.黑龍江省水文局, 哈爾濱 150001; 2.東北農業大學 水利與土木工程學院, 哈爾濱 150030;3.東北農業大學 農業部 農業水資源高效利用重點實驗室, 哈爾濱 150030)

徑流是地貌形成的外營力之一，影響土壤的發育，植物的生長和湖泊、沼澤的形成等。同時，一個國家或區域的徑流量的多寡對其國民經濟可持續發展具有重要的戰略意義。徑流量是構成地區工農業、城鄉居民生活供水和生態環境需水的重要保障條件，是制約社會經濟發展規模的重要因素。河川徑流與氣候變化、人類活動密切相關，其特性復雜多變[1-3]。

隨著區域氣候變化和人類活動影響的加劇，致使水文時間序列發生顯著的變異。為了區域水資源的高效利用和科學開發，各地對其年徑流量的變化特征進行了深入研究。Hou等[4]利用肯達爾檢驗方法分析了長江上游徑流的變化，發現嘉陵江、岷江、金沙江、烏江等地徑流量有所減少。Li等[5]利用Hurst指數對黃河流域1951—1998年徑流的趨勢性和持續性，分析結果表明，不同子區域的年徑流在洪水季節不僅有下降趨勢而且在一定程度上具有持久性。秦年秀等[6]認為20世紀90年代長江流域徑流冬季、夏季徑流增加明顯，90年代汛期徑流呈明顯增加趨勢，大大增加了洪災發生的可能，通過突變分析指出1926年宜昌、漢口徑流量明顯減小。這與20世紀20年代初，北半球變暖有關。Jha等[7]采用非參數Mann-Kendall趨勢檢驗對地貌和氣候不受干擾的東南亞馬來西亞半島4個主要流域的25 a極值徑流數據進行了分析，結果表明其中3個流域的最大流量都顯示出了減少趨勢。不同流域所處地理位置、氣候條件及其下墊面條件也差異較大，所表現出的徑流變化特征也不盡相同[2,8]。以上的研究表明，采用趨勢分析和突變檢驗研究徑流變化特征是可行的，但多針對徑流的大尺度徑流的變化趨勢進行分析，因而，難以發現流域內局部地區徑流變化特征。因此，本文對佳木斯地區1956—2010年的徑流量變化特征進行深入分析，研究成果可對以農業為主的區域防災排澇和灌區水資源的高效利用具有重要的意義。

1 研究區概況

佳木斯位于中國東北的松花江、黑龍江、烏蘇里江匯流而成的三江平原腹地。佳木斯行政區域包括佳木斯市及其所屬的樺川縣、樺南縣、湯原縣、富錦市、同江市、撫遠縣6個市縣。區域總面積為3.29萬km2，占黑龍江省總面積的7.21%，是中國重要的糧食儲備基地和商品糧生產基地。該區域內水系較為豐富，有松花江及其支流倭肯河、安邦河，黑龍江及其支流濃江河、鴨綠河，烏蘇里江及其支流別拉洪河，區內多年平均年徑流量約為3.7億m3，且年內分配不均，7—10月徑流量占多年平均徑流的45%左右。近些年來，佳木斯由于盲目擴展水田面積，加之農民節水意識淡薄，使得佳木斯地下水位普遍下降，進而誘發了一系列水資源短缺和水生態環境問題[9]。徑流量是區域發展中的限制性資源要素，揭示佳木斯地區年徑流量的變化特征對保障區域糧食安全、維持水生態健康都具有重要意義。

2 數據與分析方法

2.1 基本氣象數據

本文所用的主要摘錄自1956—2010年《黑龍江省水文年鑒》的相關統計數據，并結合相應年份的《黑龍江省經濟統計年鑒》中的統計成果，對部分縣市的徑流量進行了必要的對比和檢驗。

2.2 分析方法

本文分別從趨勢性、突變性和周期性3方面對徑流量時間序列變化特征展開分析。其中，趨勢性分析采用趨勢分析法[10]；突變性分析選用世界氣象組織(WMO)推薦的Mann-Kendall(M-K)突變分析法[11]；周期性分析采用Morlet小波分析方法[12-13]。

3 結果與分析

3.1 徑流量趨勢性分析

利用趨勢分析法可得出佳木斯地區年、季徑流量(圖1)。由圖1可知，年際變化上，近60年來佳木斯春季、夏季及秋季均呈下降趨勢，年際傾向率分別為-7.895億m3/10 a，-24.811億m3/10 a和-28.666億m3/10 a；冬季呈微弱上升趨勢，年際傾向率為0.635億m3/10 a。而整個佳木斯年總徑流量呈下降趨勢，年際傾向率為-60.737億m3/10 a。為消除周期變化對數據進行5 a滑動平均處理，結果表明近60年來徑流量并沒有明顯的上升或下降趨勢，而是呈波動狀態。

3.2 突變性分析

水文時間序列的突變點往往包含豐富的突變信息，它反映了引起突變的氣候原因、人類活動的影響等，但趨勢性分析只能發現時間序列的整個變化趨勢，無法具體反映序列內部的變化特征，因此采用M-K方法深入分析徑流量時間序列內部的突變特征，M-K突變檢驗分析結果如圖2所示(圖中虛線表示α=95%的顯著性水平的臨界值)。

春季徑流量UF-UB兩條曲線在1968年、1995年交于臨界線之間。表現為春季徑流量1968年前呈明顯下降趨勢，1968—1995年后呈明顯上升趨勢，1995年后呈明顯下降趨勢。

夏季徑流量UF-UB曲線在1967年、1975年和1998年交于臨界線之間。表現為夏季徑流量1967年前呈明顯上升趨勢，1967—1975年呈明顯下降趨勢，1975—1998年呈明顯上升趨勢，1998年后呈明顯下降趨勢。

圖1 佳木斯徑流量趨勢變化特征

秋季徑流量UF-UB曲線在1966年、1998年交于臨界線之間。表現為秋季徑流量1966年前呈明顯下降趨勢，1966年后呈明顯上升趨勢，1998年后呈明顯下降趨勢。

冬季徑流量UF-UB兩條曲線只有2008年一個交點且交于臨界線之間。表現為冬季徑流量2008年發生突變后呈明顯上升趨勢。

年徑流量UF-UB曲線在1967年、1972年和1998年交于臨界線之間。表現為年徑流量1967年前呈明顯上升趨勢，1967—1972年呈明顯下降趨勢，1972—1998年呈明顯上升趨勢，1998年后呈明顯下降趨勢。

各季節徑流量及年徑流總量表現出的突變點基本都出現在1967年、1972年、1998年左右，究其原因可能是以下兩類所致。一是由于氣候因素中的降水變化所致。因為松花江流域20世紀60年代后期到80年代初、90年代后期出現少雨期，其降水量均表現下降趨勢[14]。二是區域土地利用發生變化。佳木斯地區所在三江平原于20世紀60年代末—70年代初進行過大規模農業開發，90年代末—21世紀初，水田種植面積驟增致使農業灌溉用水量增加，河道徑流量減少[15]。

3.3 周期性分析

運用小波分析對1956—2010年佳木斯年徑流量數據進行分析，得到小波變換系數實部時頻分布圖(圖3)。從圖3可以看出，近60年來佳木斯四季及全年包含了不同尺度的周期變化。為進一步分析其周期性，圖4給出了佳木斯四季及年徑流Morlet小波方差分布。綜合分析圖3和圖4可知，佳木斯22 a，13 a，9 a，4 a左右尺度波動較為明顯，存在徑流量偏多偏少循環交替變化，在2010年后上述尺度的小波正在形成，小波系數為正，因此預測未來徑流量在這4種尺度上均呈偏多趨勢(表1)。

表1 佳木斯主周期變化 a

圖2 佳木斯徑流量M-K突變分析結果

圖3 小波變換系數實部時頻分布

圖4 Morlet小波方差分布

4 結 論

(1) 年際變化上，近60年來佳木斯春季、夏季及秋季徑流量均呈下降趨勢，年際傾向率分別為-7.895億m3/10 a，-24.811億m3/10 a和-28.666億m3/10 a；冬季徑流量呈微弱上升趨勢，年際傾向率為0.635億m3/10 a。而整個佳木斯年徑流量呈下降趨勢，年際傾向率為-60.737億m3/10 a。為消除周期變化對數據進行5 a滑動平均處理，結果表明近60年來徑流量并沒有明顯的上升或下降趨勢，而是呈波動狀態。

(2) 時間突變上，春季徑流量1968年前呈明顯下降趨勢，1968—1995年后呈明顯上升趨勢，1995年后呈明顯下降趨勢；夏季徑流量1967年前呈明顯上升趨勢，1967—1975年呈明顯下降趨勢，1975—1998年呈明顯上升趨勢，1998年后呈明顯下降趨勢；秋季徑流量1966年前呈明顯下降趨勢，1966年后呈明顯上升趨勢，1998年后呈明顯下降趨勢；冬季徑流量2008年發生突變后呈明顯上升趨勢；年徑流量1967年前呈明顯上升趨勢，1967—1972年呈明顯下降趨勢，1972—1998年呈明顯上升趨勢，1998年后呈明顯下降趨勢。

(3) 周期變化上，佳木斯地區春季徑流量22 a為第1主周期，10 a，16 a，4 a分別為第2、第3和第4主周期；夏季徑流量26 a為第1主周期，27 a，6 a，15 a分別為第2、第3和第4主周期；秋季徑流量22 a為第1主周期，13 a，5 a，9 a分別為第2、第3和第4主周期；冬季徑流量27 a為第1主周期，12 a，4 a，8 a分別為第2、第3和第4主周期；年徑流量23 a為第1主周期，13 a，6 a，4 a分別為第2、第3和第4主周期。