渭河上游干流代表水文站徑流一致性分析

李 芳，黃維東，王啟優，徐 娟，朱 詠

(1.甘肅省水利水電學校，甘肅 蘭州730021； 2.甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730031；3.甘肅農業大學，甘肅 蘭州 730070； 4.甘肅省氣象局，甘肅 蘭州 730020)

渭河是黃河的最大支流，渭河流域是中華民族、中華文化的重要發祥地。受全球氣候變化和人類活動影響，近年來渭河流域的徑流時空分布發生了很大變化，水資源持續減少，用水矛盾突出，生態環境脆弱，給水資源合理和可持續利用帶來了極大的挑戰[1-2]。為了客觀準確評價現狀條件下河流來水情況，為流域水資源管理、生態環境保護及社會經濟發展提供更加合理可靠的徑流數據，有必要對實測徑流資料系列進行一致性分析，包括徑流的還原計算和一致性修正[3-4]。

胡安焱等[5]研究發現渭河流域水沙呈減少趨勢，主要是人類活動和氣候變化影響所致。徐瑞瑞等[6]分析了渭河流域不同區間水沙變化特征及驅動因素，結果表明渭河流域大部分區間徑流量和輸沙量呈顯著減少趨勢，退耕還林還草、淤地壩、水庫攔蓄等工程的實施是主要原因。蔣憬[7]結合甘肅省第三次水資源調查評價對秦安站的徑流進行了還原和一致性修正。以往對區域水資源進行評價時，一般采用實測或還原后的天然徑流資料，但受氣候變化和人類活動影響，流域前后時段的下墊面條件發生了較大改變，采用長系列多年平均值不僅不能代表現階段的實際情況，而且會導致分析評價和規劃設計成果的較大偏差[8]。本研究利用渭河上游干流代表站最新實測水文資料系列和水資源開發利用數據，對河流歷年實測徑流進行了還原計算，將過去的年徑流資料修正為近期下墊面條件下的徑流數據，以保證水文資料具有代表性、可靠性、一致性，希望能為渭河流域抗旱防汛、水資源管理、水生態保護提供科學依據。

1 數據與方法

1.1 研究區域

渭河發源于甘肅省渭源縣的鳥鼠山，于陜西省渭南市潼關縣匯入黃河，全長818 km，流域面積13.43萬km2。渭河干流林家村以上為流域上游，其南岸氣候濕潤、水源豐沛、植被較好，是渭河的主要水源涵養區；北岸氣候干旱、降水量少、水土流失嚴重，是渭河泥沙的主要來源區。渭河上游區域年降水量400～600 mm，年蒸發量1 270～1 660 mm，年平均氣溫4～10 ℃，年平均風速1.3～2.9 m/s，無霜期138～206 d，共有年徑流量大于1.0億m3的支流5條，即榜沙河、大南河、葫蘆河、藉河、牛頭河。渭河上游水系分布見圖1。

圖1 渭河上游水系分布

本次選取渭河上游干流代表站武山站、北道站控制流域作為研究區。武山站1958年設站，距河口693 km，控制流域面積8 080 km2，實測多年平均年徑流量5.36億m3。北道站1946年設站，距河口564 km，控制流域面積24 871 km2，實測多年平均年徑流量10.71億m3。

1.2 數據來源

本研究數據主要來自甘肅省第三次水資源調查評價成果，評價系列統一采用1956—2016年，包括：北道站控制流域內78個雨量站降水量觀測資料；武山站和北道站徑流實測資料；甘肅省第三次水資源調查評價成果中渭河干流水文站徑流還原數據；流域水土保持措施面積和植被覆蓋度。其中：歷年降水、徑流資料為水文部門依據國家標準規范實測整編成果，水利水保措施數據為水利部門統計資料，資料基本可靠，數據精度較高。

1.3 研究方法

研究流域降水形成的天然徑流時，一般通過調查水文站控制區域的社會經濟用水情況，采用水量平衡法將實測徑流還原為天然徑流。但受流域下墊面變化的影響，還原后的天然徑流與降水的關系會發生一定變化，因此需通過趨勢性檢驗找到徑流突變年份，將突變年份以前的徑流進行一致性修正，使分析計算的多年平均年徑流量更能反映現狀下墊面條件的產匯流情況。

(1)水量平衡法。水量還原計算主要采用水量平衡法，以水文站控制流域內總水量平衡為依據，建立水量平衡方程式為

W天然=W實測+W還原

(1)

W還原=W農業+W工業+W生活±W引水±W分洪±W蓄水

(2)

式中：W天然為天然河川徑流量，m3；W實測為實測河川徑流量，m3；W還原為還原水量，m3；W農業為農業灌溉耗損量，m3；W工業為工業用水耗損量，m3；W生活為城鎮生活用水耗損量，m3；W引水為跨流域(或跨區間)引水量，m3，引出為正，引入為負；W分洪為河道分洪后不能回歸到原河道的水量，m3，分出為正，分入為負；W蓄水為大中型水庫蓄水變量(年末蓄水量與年初蓄水量之差)，m3，增加為正，減少為負。

對水文站實測徑流量影響較大的還原項目，可根據具體情況增減。對于控制面積內不存在蓄水、引水、提水，以及河道分洪或堤防決口的水文站，實測河川徑流量即為天然河川徑流量。

(2)趨勢性檢驗。對還原后的天然徑流系列分別采用Kendall秩次相關法、Spearman秩次法、線性趨勢法進行一致性檢測，α均采用0.05，判別值分別取Uα/2=1.96、Tα/2=1.64、Tα/2=1.64。采用Hurst指數法對徑流序列進行突變點顯著性檢驗。點繪各站降水量和天然徑流量雙累積曲線，確定徑流變化的轉折點，并與幾種趨勢性檢驗方法結果對照，結合流域情況和徑流成因進行研判，合理確定各站徑流量跳躍點年份。

(3)徑流一致性修正。在進行一致性修正時，一般要建立徑流轉折年份前后的年降水量和年徑流量相關關系，將轉折前的年降水量代入轉折后的相關公式，計算值即為修正后的年徑流量。也可以建立年降水量和年徑流深的相關關系，分別從兩條曲線查算出不同降水量對應的兩個年徑流深值(R1和R2)，計算年徑流衰減系數和修正系數，計算公式為

γ=(R1-R2)/R1

(3)

Ψ=R2/R1

(4)

式中：γ為年徑流衰減系數；Ψ為年徑流修正系數；R1為轉折前年降水量與年徑流深關系曲線上的天然年徑流深，mm；R2為轉折后年降水量與年徑流深關系曲線上的天然年徑流深，mm。

計算不同量級年降水量的Ψ值，繪制年降水量P與Ψ關系曲線。根據轉折前歷年降水量，從曲線上查算對應的修正系數，再乘以天然年徑流量，即可得到修正后的年徑流量。

2 降水與徑流變化

2.1 降水變化

收集北道站以上流域內78個雨量站觀測資料，用泰森多邊形法分別計算武山站以上、北道站以上區域面平均降水量，點繪歷年降水量變化過程(圖2)。兩站控制流域多年平均年降水量分別為485.7、482.8 mm；在年際變化上，兩站歷年降水量總體呈減少趨勢，平均每年分別減少0.85、0.87 mm，1997年以前持續減少，之后略有增加；降水量年內分配不均，主要集中在汛期，兩站5—10月降水量分別占全年的84.5%～85.4%，7—9月降水量分別占全年的49.8%～51.5%。

圖2 武山、北道站以上流域歷年降水量變化過程

2.2 徑流變化

武山、北道站歷年實測年徑流量變化過程見圖3(a)。在年際變化上，兩站實測徑流量歷年變化總體呈減少趨勢，并且比降水量的減少趨勢更為顯著，平均每年分別減少0.083 9億、0.205 3億m3，1997年以前持續減少，之后略有增加；徑流年內分配不均，主要集中在汛期，兩站5—10月徑流量分別占全年的75.4%和75.6%，7—10月徑流量分別占全年的56.3%和59.4%；相對降水量變化，10月份徑流量占比較大，主要是降水補給地下水形成的基流具有滯后作用所致[9]。

圖3 渭河干流代表站實測與天然徑流量變化過程

3 徑流還原計算

甘肅省第三次水資源調查評價對渭河干流水文站控制區域的社會經濟用耗水進行了調查。采用公式(2)計算得到武山、北道站年徑流還原水量見表1，天然年徑流量過程見圖3(b)。兩站平均每年還原水量分別為0.38、1.90億m3，分別占天然多年平均年徑流量的6.6%、15.1%，可見渭河北道站以上流域總體社會經濟用水比例較小，水資源開發利用率較低。

表1 武山、北道站1956—2016年徑流還原水量

4 徑流一致性修正

4.1 徑流變化趨勢檢驗

采用Kendall秩次相關法、Spearman秩次法、線性趨勢法對武山、北道站的天然年徑流量變化趨勢進行檢驗，結果見表2。3種方法的統計量均大于臨界值，說明年徑流量均呈顯著減小趨勢。

表2 武山、北道站天然年徑流量變化趨勢性檢驗結果

采用Hurst指數法對徑流序列進行突變點顯著性檢驗，結果見表3。兩站的年徑流量突變年份均為1993年。點繪水文站控制流域的降水量和天然徑流量雙累積曲線(圖4)，可見相對于年降水量，年徑流量在1993年后發生了明顯轉折，這與Hurst指數法檢驗結果完全一致。1956—1993年武山、北道站多年平均年徑流量分別為7.00億、15.48億m3，1994—2016年減少到3.65億、7.86億m3，分別減少了47.9%、49.2%。本次分析結果與姚文藝等[10-11]通過研究黃河中游水沙變化得出渭河流域1997—2006年減少徑流43.5%的結果基本一致。

圖4 武山、北道站控制流域年降水量-年徑流量累積曲線

表3 武山、北道站天然徑流序列突變顯著性檢驗結果

4.2 一致性修正

將水文站的徑流還原為天然徑流后，如果影響流域產匯流的下墊面條件變化不大，那么控制斷面的徑流與降水應呈較好的正相關關系，相關點應隨機分布成相對集中的帶狀。但受流域氣候變化和水土保持措施的影響，渭河上游區的下墊面條件發生了較大改變，點繪水文站控制流域年降水量與年徑流深的相關曲線(圖5)，可見在1993年前后形成點明顯分帶的兩種關系，在同樣的降水條件下，1993年以后的年徑流量顯著減少。

圖5 武山、北道站以上流域年降水量與年徑流深相關曲線

依據不同量級的降水量，分別在兩條曲線上查算出兩個對應的年徑流深值(R1和R2)，用式(3)、(4)分別計算年徑流衰減系數和修正系數，建立年降水量-年徑流修正系數Ψ相關曲線，查得1956—1993年歷年降水量對應的年徑流修正系數，再乘相應年份的天然年徑流量，即可得到修正后的年徑流量[12]。兩站修正前后的年徑流量過程對照見圖6，經過一致性修正的徑流過程基本上在轉折點前后一致，能夠代表流域地表徑流的實際現狀。修正后武山、北道站1956—2016年平均年徑流量分別為4.04億、8.91億m3，比修正前的天然平均年徑流量減少了29.6%和29.3%，比實測平均年徑流量減少了24.6%和16.8%(見表4)。

圖6 武山、北道站年徑流量一致性修正前后序列對照

表4 武山、北道站實測、天然、修正徑流量對照

5 徑流量減少的原因分析

(1)社會經濟各部門取用耗水使流域地表徑流減少。截至2016年底，渭河上游流域內已建成水庫34座，控制流域面積1.67萬km2，總庫容1.836 2億m3，設計年供水量0.649 3億m3。2016年各水利工程總供水量4.034 7億m3，其中蓄水量0.438 4億m3、引水量2.438 0億m3、提水量1.158 3億m3。武山、北道站控制流域平均每年耗水0.38億、1.90億m3，分別占天然多年平均年徑流量的6.62%、15.1%。

(2)氣候變化使流域植被覆蓋度增加導致地表徑流減少。近幾十年來，渭河流域氣溫持續升高，氣候由干旱向暖濕轉變；同時植被覆蓋度大幅提高，達到70%左右，年均增加0.71個百分點，滯蓄和蒸散消耗了水源，使地表徑流減少[13]。

(3)水土保持措施改變了流域產匯流條件。渭河流域通過近30年的水土流失治理，截至2016年底，梯田、林地、草地、封禁治理、淤地壩控制面積分別達到67.9萬、49.3萬、12.0萬、11.1萬、10.6萬hm2。這些水保措施改變了流域產匯流條件，攔蓄截留了大量地表徑流，加之黃土高原地下水位埋深大，地表徑流難以補給到地下再回歸到河道，林草的蒸散發也增加了，流域徑流量就減少了。

(4)降水徑流系數是反映流域產匯流下墊面條件的重要指標，武山、北道站的降水徑流系數由1956—1993年的0.172、0.125減小到1994—2016年的0.099、0.069，分別減小了42.4%、44.6%，說明氣候變化和水土保持措施使流域的下墊面條件發生較大改變，單位降水形成的徑流顯著減少。

6 結 論

(1)渭河干流武山、北道站控制流域多年平均年降水量分別為485.7、482.8mm，歷年降水量總體呈減少趨勢，平均每年減少0.85、0.87mm；降水量年內分配不均，5—10月降水量分別占全年的84.5%～85.4%，7—9月降水量分別占全年的49.8%～51.5%。兩站多年平均年徑流量分別為5.36億、10.71億m3，歷年變化總體也呈減少趨勢，平均每年減少0.083 9億、0.205 3億m3；徑流年內分配主要集中在汛期，5—10月徑流量分別占全年的75.4%、75.6%，7—10月徑流量分別占全年的56.3%、59.4%。

(2)武山、北道站平均每年還原水量0.38億、1.90億m3。還原后兩站的天然年徑流量在1993年后發生了明顯轉折，1956—1993年武山、北道站多年平均年徑流量分別為7.00億、15.48億m3，1994—2016年減少到3.65億、7.86億m3，分別減少了3.35億、7.62億m3(47.9%、49.2%)。

(3)對武山、北道站天然徑流進行一致性修正，結果表明，修正后1956—2016年平均年徑流量分別為4.04億、8.91億m3，比修正前的天然平均年徑流量減少了29.6%和29.3%，比實測平均年徑流量減少了24.6%和16.8%。經過一致性修正的徑流過程基本上與降水量變化一致，能夠代表流域地表徑流的實際現狀。

(4)除社會經濟各部門直接取用耗水使渭河流域地表徑流減少外，氣候變化和水土保持措施通過改變流域產匯流條件，使河流地表徑流減少。