甘南高原區大峪溝流域水文要素特性分析

仲復捷，王 東，曹 杰

(甘肅省臨洮水文水資源勘測局，甘肅 臨洮 730500)

近年來，流域連續出現冬春季節降水量偏少、河川徑流持續偏枯的情況，水資源供需矛盾日益加劇，同時隨著旅游資源的進一步開發、水利水電工程的建設和運行，人類活動改變了地表徑流的時空分布特征，因而針對流域生態水文方面的研究近來也變得越發重要和急需。甘南水資源在涵養和補給水源、調節氣候、 保持水土、維護生物多樣性方面發揮著重要作用，在維系黃河流域水資源和生態安全方面發揮著不可替代的作用[1]。大峪溝地處甘肅省東南部迭山北麓的卓尼縣境內，屬青藏高原東北邊緣與黃土高原的交匯地帶，2005 年被甘肅省國土資源廳列入省級地質公園名錄(即洮河大峪省級地質公園)，2007年被國家旅游局批準為國家AAAA級旅游景區[2]。本文通過探究各要素的變化特征，為今后大峪溝流域的合理開發利用提供科學依據。

1 流域概況

大峪溝發源于甘肅省甘南藏族自治州卓尼縣境內迭山主峰扎伊克嘎北麓，北流經卓尼縣木耳鎮多壩村匯入洮河，介于東經103°41′～103°4′，北緯34°11′～34°34′之間，源地海拔4 920 m，全長63.3 km，流域面積782 km2，流域地表起伏較大，山大溝深，氣候高寒濕潤，山地陰坡森林茂盛，植被良好，主要支流有尼嘎溝、阿角溝、旗步溝、燕麥溝、桑布溝、頭溝等，流域內徑流補給主要為降水補給，植被垂直地帶性分布差異明顯，半山雪線以上為裸巖，以下依次為高山草場、原始森林、低山草甸、灌木、農家田園等。多年平均徑流量3.2億 m3，年蒸發量1 118.3 mm，年降水量610 mm，年平均氣溫4.6℃，最高氣溫23.4℃，最低氣溫7.1℃，平均無霜期119 d。

2 資料與方法

2.1 資料來源

大峪溝多壩水文站設立于1958年，1958年開始徑流、降水等要素監測，1975年開始蒸發要素監測，該站集水面積779 km2，占全流域總面積的99.6%，為能客觀地分析流域水文要素變化特征，采用1959-2018徑流、降水資料及1976-2018年的蒸發量資料，分析水文要素的變化特征。

2.2 分析方法

(1) 趨勢分析法：通過建立水文序列xi與相應的時序i之間的線性回歸方程，進而檢驗時間序列的趨勢性，其斜率在一定程度上表征了時間序列的平均趨勢變化率。用一次線性回歸方程表示為[3]：

xi=a×i+b

式中：xi為時間序列，i為相應時序；a為線性方程斜率，用于定量描述序列的趨勢變化特征；b為截距。

(2)距平分析法：運用距平分析法，將各數值與其平均值進行對比，可以直觀的反映數值的變化趨勢以及變化程度。其公式為[4]：

Pi=(Hi-H0)/H0

式中：Pi為距平百分數，(i=1，2，3…，n)；Hi為第i個觀測值；H0為時間序列平均值。

(3)非參數Mann-Kendall(以下簡稱M-K法)[5-6]，趨勢分析檢驗法是用來評估氣候要素時間序列趨勢的常用檢驗方法之一，以適用范圍廣、人為性少、定量化程度高而著稱，其檢驗統計量公式是

(1)

其中，sign()為符號函數。當xi-xj小于、等于或大于零時sign(xi-xj)分別為-1、0或1；M-K統計量公式分別在s大于、等于、小于零時為z

(2)

3 分析與結果

3.1 水文要素年內變化特征

由圖1可知，降水主要集中在五月至九月，占全年的77.1% ，各月份的比例在13.2%～17.3%之間。七月降水量最大，占年降水量的17.3%，十一至次年三月占年降水量的6.7%，其中十二月最小，僅占年降水量的0.3%；徑流的年分布主要受供水來源的影響，徑流主要集中在五月至十月，占年徑流量的82.4%，各月份的比例在10.4%～17.4%，七月為17.4%，此期間徑流補給主要為降水，二月份和三月份徑流量最小，僅占全年的1.8% 和2.0%；蒸發量主要集中在四月至八月，占全年蒸發量的61.1%，各月份的比例在10.7%～13.1% 之間，十二月和一月蒸發量最少，僅占3.0%和3.6%；降水、徑流、蒸發年內分配不均勻。

圖1 大峪溝流域水文要素年內變化圖

3.2 水文要素年際變化特征

3.2.1 年際變化趨勢分析

從圖2可知：降水量年際變化為減少的趨勢，減少傾向率為1.127 6 mm/a，擬合的趨勢線方程為y=-1.127 6x+2 852.1，1984年為最多年份，降水量為823.2 mm，1997年為最少年份，降水量為431 mm；徑流量年際變化為減少的趨勢，減少傾向率為0.027 6億 m3/a，擬合的趨勢線方程為y=-2.756 1x+5 801.2，1964年為最豐年份，徑流量為5.48億 m3，1997年為最枯年份，徑流量為1.908億 m3；蒸發量總體呈現增加的趨勢，增加傾向率為1.601 mm/a，擬合的趨勢線方程為y=-1.127 6x+2 852.1，2010年為蒸發量最大的年份，蒸發量為1 252.2mm，1976年為最小的年份，為961.8 mm。

圖2 大峪溝流域水文要素年際變化趨勢

3.2.2 不同年代變化特征分析

1959-2018年系列平均年降水量609.8 mm。1959-1970年高于多年均值7.7%，1971-1980年低于多年均值0.11%，1981-1990年高于多年均值1.8%，1991-2000年低于多年均值10.2%，2001-2010年高于多年平均值0.39%，2011-2018年低于多年平均值1.3%；1959-2018年以來，1984年降水量最多，為823.2 mm，1997年降水量最少，僅為431 mm，最大是最小的1.91倍；各時間段的極值比在1.43～1.78之間，說明降水量的年際間變化相對平穩。

1959-2018年系列平均年徑流量3.21億 m3。按照《水文情報預報規范》(SL250-2000)豐枯水評定標準[7]，1959-1970年高于多年均值32.4%，屬豐水時期；1971-1990年高于多年均值5.6%～0.62%，屬正常水平；1991-2010年低于多年均值23%～20.9%，屬枯水時期；2011-2018年低于多年平均值2.49%，屬正常水平；1959-2018年以來，1964年為最豐年份，徑流量為5.48億 m3，1997年為最枯年份，徑流量為1.908億 m3，最大是最小的2.96倍；各時間段的極值比在1.56～1.98之間，變化幅度不大，說明徑流量的年際間變化基本保持平穩。

1976-2018年系列平均年蒸發量1 118.3 mm。1976-1980年低于多年均值2.7%，1981-1990年低于多年均值1.6%，1991-2000年低于多年均值0.96%，2001-2010年高于多年平均值3.9%，2011-2018年低于多年平均值0.06%；1976-2018年以來，最大年蒸發量1 252.2 mm，出現在2010年，最小年蒸發量961.8 mm，出現在1976年，最大是最小的1.37倍；從各時間段的極值比來看，略呈減小趨勢，但總的來說變化幅度不大，說明蒸發量的年際年變化相對平穩。

4 水文要素的趨勢檢驗

用非參數Mann-Kendall法對1959年-2018年降水量、徑流量和1976年-2018年蒸發量序列的變化趨勢做顯著性檢驗，給定顯著性水平α=0.05，即u0.05=±1.96。計算結果見圖3～圖5。

圖5 大峪溝流域蒸發量Mann-Kendall統計量曲線

表1 大峪溝流域水文要素變化特征

圖3 大峪溝流域降水量Mann-Kendall統計量曲線

圖4 大峪溝流域徑流量Mann-Kendall統計量曲線

由曲線可知，自上世紀60年代以來，大峪溝流域降水量呈減少趨勢，總體減少趨勢不顯著，1995年后這種趨勢超過0.05臨界線，表明降水量的減小趨勢顯著；徑流量呈減少趨勢，1983年后這種減少趨勢超過0.05臨界線甚至超過0.001顯著性水平(u0.001=±2.56)，表明這種減少趨勢十分顯著；蒸發量呈增加趨勢， 2008-2017年這種增加趨勢超過0.05臨界線，表明這段時間增加趨勢顯著，但總體增加趨勢不顯著。可以看出，該流域徑流量的減少、蒸發量的增加與降水量減少有密切關系，徑流量的補給主要是降水補給，影響蒸發量的因素主要為降水量，這與該流域徑流量、蒸發量特性基本一致。

5 結語

(1)降水量主要集中在5-9月，占全年降水量的77.1%；徑流主要集中在5-10月，占全年徑流的82.4%；蒸發量主要集中在4-8月，占到全年蒸發量的61.1%；降水量、徑流量、蒸發量年內分配不均勻。

(2)降水量、徑流量年際變化總體呈減小的趨勢變化，減小傾向率為1.127 6 mm/a、0.027 6億 m3/a；蒸發量年際變化總體呈現增加的趨勢變化，增加傾向率為1.601 mm/a。降水量、蒸發量的變化趨勢不顯著，徑流量的變化趨勢顯著。

(3)以10 a為時間段而言，降水量的變化較為平穩，處于正常水平；徑流量年際變化幅度不大，60年代屬豐水時期；70年代、80年代屬正常水平；90年代、21世紀前十年屬枯水時期；2011-2018年屬正常水平；蒸發量年際變化相對平穩，20世紀70年代后期小于多年均值2.7%，80年代小于多年均值1.6%，90年代小于多年均值0.96%，21世紀前十年大于多年平均值3.9%，2011-2018年小于多年平均值0.06%。

(4)該流域徑流量的減少、蒸發量的增加與降水量減少有密切關系，徑流量的補給主要是降水補給，影響蒸發量的因素主要為降水量。