山西涑水河流域水文氣象要素歷史演變探討

溫進(jìn)利，王 煒

（1.山西省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心,山西 太原 030002；2.太原市水利技術(shù)推廣服務(wù)站,山西 太原 030002）

山西涑水河流域?yàn)辄S河中游左岸支流,河流長(zhǎng)196.6 km,流域面積5774.4 km2,流域東南部被中條山環(huán)繞,西北部與社稷王山、孤山和峨嵋?guī)X相連,整體地形由東北向西南傾斜。流域從絳縣發(fā)端后依次經(jīng)過(guò)夏縣、臨淇、鹽湖及萬(wàn)榮等地,最后匯入黃河,姚暹渠和灣灣河是山西涑水河的主要支流。涑水河所在地區(qū)主要為黃土高原溝壑丘陵區(qū),溝壑丘陵地貌十分常見(jiàn),土壤也主要為褐土和草甸土,位于流域東南部的中條山分水嶺主要表現(xiàn)為土石山地貌,流域以北是峨嵋?guī)X臺(tái)地,東北、西南部分別為黃土丘陵和洼地地貌,中部為運(yùn)城盆地。涑水河流域由于地理位置和氣候條件較為特殊,流域內(nèi)降水少蒸發(fā)大,旱澇災(zāi)害十分頻發(fā)。為此,深入分析流域氣候條件以及降水量、蒸發(fā)量、徑流量等水文氣象要素的歷史演變趨勢(shì)規(guī)律,對(duì)流域水文水資源管理政策的出臺(tái)與完善具有積極意義。

1 資料及方法

1.1 資料來(lái)源

選取山西涑水河流域青龍、沙渠、冷口峪、稷王、鹽池等5個(gè)具有代表性的氣象站1960年～2020年實(shí)測(cè)逐月氣象資料進(jìn)行流域氣溫、降水量、蒸發(fā)量變化特征分析。該流域現(xiàn)有水文測(cè)站較多,根據(jù)各水文測(cè)站觀測(cè)資料的完整性和代表性,根據(jù)所取得的具有典型性特征且資料齊全的咸安水文站氣象要素資料,進(jìn)行涑水河流域徑流變化趨勢(shì)特征分析。

1.2 研究方法

本文主要采用線性回歸分析、累計(jì)距平、Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)分析及Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)[1]等方法進(jìn)行山西涑水河流域1960年～2020年水文氣象要素年內(nèi)、年代際變化趨勢(shì)判別。線性回歸分析能較為直觀地顯示出時(shí)間序列數(shù)據(jù)所具有的遞增或遞減的變動(dòng)特征,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建其線性擬合方程,并根據(jù)方程的年線性斜率指標(biāo)反映和表征時(shí)間序列數(shù)據(jù)的平均變動(dòng)趨勢(shì)特征。Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)方法是非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)技術(shù)的一種,該方法對(duì)樣本數(shù)據(jù)分布趨勢(shì)無(wú)特別要求,其評(píng)價(jià)和分析結(jié)果的準(zhǔn)確性也不受少數(shù)異常值影響,計(jì)算分析過(guò)程簡(jiǎn)便,能突出強(qiáng)調(diào)時(shí)間序列數(shù)據(jù)變動(dòng)趨勢(shì)的顯著性特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 水文氣象要素年內(nèi)變化

根據(jù)對(duì)山西涑水河流域5個(gè)水文氣象站1960年～2020年實(shí)測(cè)月降水量統(tǒng)計(jì)資料可以得出流域月平均降水量變動(dòng)趨勢(shì),通過(guò)與相鄰流域及山西平均降水?dāng)?shù)據(jù)的比較可以看出,該流域降水量偏少,且一年中降水主要集中在6月～9月,這4個(gè)月的降水量在全年降水量中的占比高達(dá)79.54%,其中7月和8月降水量在年降水量中占比53.41%,春季干旱少雨,冬季寒冷少雨。

根據(jù)流域氣象站統(tǒng)計(jì)資料及月平均氣溫變動(dòng)趨勢(shì)分析,年內(nèi)各月氣溫變化表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性特征,月平均氣溫為負(fù)值的月份為每年的11月～次年2月,流域月平均氣溫最低為-12℃,最高為25℃,分別出現(xiàn)在每年的1～2月和6月～8月。

流域年內(nèi)各月蒸發(fā)量變動(dòng)趨勢(shì)見(jiàn)圖1,最大蒸發(fā)量246 mm和最小蒸發(fā)量10 mm分別出現(xiàn)在5月～6月和12月～次年1月；4月～9月的蒸發(fā)量在全年蒸發(fā)總量中占比84.12%,5月開(kāi)始天氣轉(zhuǎn)暖、日照豐富、風(fēng)速增大,所以蒸發(fā)量增長(zhǎng)劇烈；各月份的蒸發(fā)量均高出同期降雨量,流域氣候較為干燥,干旱較為常見(jiàn)。

圖1 山西涑水河流域降水量、蒸發(fā)量、徑流量月變動(dòng)趨勢(shì)

山西涑水河流域?qū)儆诩竟?jié)性河流,12月～次年2月流域處于冰凍期,河流基本上處于斷流狀態(tài),從來(lái)年3月開(kāi)始?xì)鉁刂饾u回暖,積雪消融,出現(xiàn)降水,使徑流量逐漸增大,流域徑流最大值一般出現(xiàn)在6月～9月（圖1）,這也與流域降水變動(dòng)過(guò)程吻合,9月份過(guò)后徑流量逐漸減小。

2.2 水文氣象要素年代際變化

根據(jù)山西涑水河流域典型水文氣象站實(shí)測(cè)降雨資料,可以得出流域降雨量年平均值變動(dòng)趨勢(shì)特征,在1960月～2020年整體上呈遞減規(guī)律,年際間降雨量波動(dòng)較大,近70 a降雨量?jī)A向值-4.13 mm/10 a,回歸方程相關(guān)系數(shù)R2=0.113,對(duì)流域1960年～2020年間降雨序列進(jìn)行Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn),無(wú)法滿足a=0.05的顯著性檢驗(yàn)水平,故趨勢(shì)不顯著,表明流域降雨量表現(xiàn)為不顯著的線性遞減趨勢(shì)和周期性變化特征。

通過(guò)分析流域水文氣象站1960年～2020年實(shí)測(cè)氣象資料可得到流域年平均氣溫的變化特征,對(duì)變動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行分析可以看出,流域氣溫整體上呈逐年升高趨勢(shì),通過(guò)繪制氣溫變動(dòng)趨勢(shì)回歸方程發(fā)現(xiàn),溫度升高的線性傾向值取0.35℃/10 a,且相關(guān)系數(shù)R2=0.3365,取值較大,對(duì)其線性回歸趨勢(shì)的檢驗(yàn)結(jié)果也表明,流域氣溫呈現(xiàn)出十分顯著的線性變動(dòng)趨勢(shì)。

根據(jù)對(duì)流域水文氣象站1960年～2020年實(shí)測(cè)蒸發(fā)量資料的分析,其年蒸發(fā)量均值為1211 mm,年降雨量均值982 mm,年蒸發(fā)量均值是年降雨量均值的1.27 倍,多年年際蒸發(fā)量變動(dòng)平穩(wěn),對(duì)多年蒸發(fā)量序列進(jìn)行Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn),結(jié)果表明其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量以標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)分布趨勢(shì)收斂,年際變化趨勢(shì)不明顯。山西涑水河流域5 個(gè)水文氣象站1960 年～2020年徑流量豐枯周期變動(dòng)趨勢(shì)明顯,并呈逐年減小趨勢(shì),回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2=0.0035也未達(dá)到a=0.05顯著性檢驗(yàn)水平,故趨勢(shì)不顯著。

2.3 水文氣象要素年際變化特征

2.3.1 趨勢(shì)性

根據(jù)對(duì)山西涑水河流域1960年～2020年水文氣象要素年際變化特征的統(tǒng)計(jì)（表1）,流域多年平均氣溫23.23℃,年平均氣溫最大值34.31℃和最小值-10.12℃分別出現(xiàn)在2008年和1971年。在1960年～2020年期間,流域氣溫顯著升高,其Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)值為3.96,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出置信水平0.05的臨界值1.96,線性斜率0.026℃/a,比全國(guó)流域氣溫線性斜率0.023℃/a和全球流域氣溫線性斜率0.018℃/a均高,進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),流域氣溫顯著升高出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代中后期。具體見(jiàn)圖2。

表1 涑水河流域1960年～2020年水文氣象要素年際變化特征統(tǒng)計(jì)

圖2 流域氣溫年際變化趨勢(shì)

流域1960年～2020年間多年平均降水量982 mm,且表現(xiàn)出豐枯交替的特征,年平均最大降水量1581 mm和最小降水量485 mm分別出現(xiàn)在2003 年和1994 年。在1960年～2020 年期間,流域降水量整體呈現(xiàn)弱增加趨勢(shì),降水的Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)值為0.61 mm,線性斜率為1.63 mm/a。具體見(jiàn)圖3。

圖3 流域降水量年際變化趨勢(shì)

流域1960 年～2020 年間水面蒸發(fā)量和降水量大致相當(dāng),年平均最大蒸發(fā)量1581 mm和最小蒸發(fā)量485 mm分別出現(xiàn)在2007 年和1997年,流域多年平均蒸發(fā)量1211 mm,且呈整體減小趨勢(shì),Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)值為-2.64,年線性斜率為-1.96 mm/a,自2004 年以來(lái)蒸發(fā)量多年均值偏低。具體見(jiàn)圖4。

圖4 流域蒸發(fā)量年際變化趨勢(shì)

山西涑水河流域徑流量在降水的影響下年際變化較大,年平均最大徑流量1053 mm和最小徑流量10 mm分別出現(xiàn)在1992 年和1971 年,兩者相差百倍之多,在1960 年～2020 年間,徑流量增大趨勢(shì)不明顯,Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)值為0.52,徑流量年線性斜率為0.7514 mm/a,且徑流量表現(xiàn)出與降水量較為一致的變動(dòng)趨勢(shì),說(shuō)明降水量在一定程度上影響徑流量。但徑流量最大和最小年份與降水量最大及最小年份并無(wú)明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系[2],這主要與水利工程修建、水資源開(kāi)發(fā)利用等人類活動(dòng)有關(guān)。具體見(jiàn)圖5。

圖5 流域徑流量年際變化趨勢(shì)

2.3.2 突變性

根據(jù)累積距平分析結(jié)果,山西涑水河流域1960～1980 年間年降水量整體呈增加趨勢(shì),而1990 年～2014 年呈下降趨勢(shì),豐枯變化并無(wú)規(guī)律性,且波動(dòng)趨勢(shì)大,流域年降水量無(wú)顯著突變點(diǎn)。流域1960 年～1980 年間年氣溫均值表現(xiàn)出下降趨勢(shì),此后則逐年升高,流域年平均氣溫存在兩個(gè)突變點(diǎn),分別為1998 年和1993 年,具體見(jiàn)圖6。流域1960 年～1980 年徑流量整體呈遞增趨勢(shì),此后逐年下降,其累積距平分析的年徑流量突變點(diǎn)分別位于1990 年和1992 年。

圖6 涑水河流域1960年～1980年間年平均氣溫累計(jì)距平分析結(jié)果

3 結(jié)論

綜上所述,山西涑水河流域近70 a降水量和徑流量均呈弱增加趨勢(shì),而氣溫升高趨勢(shì)卻較為明顯,水面蒸發(fā)量減小趨勢(shì)明顯。從季節(jié)角度看,流域冬春季節(jié)降水量顯著減小,夏秋季節(jié)降水量顯著增加,除夏季氣溫非顯著升高外,其余季節(jié)氣溫均表現(xiàn)出升高趨勢(shì)；冬春季節(jié)流域水面蒸發(fā)量顯著減少,夏季水面蒸發(fā)量顯著增加,秋季水面蒸發(fā)量非顯著性減少。影響流域水資源變化的主要原因除降水、蒸發(fā)、氣溫及徑流外,還包括水利工程興建及攔蓄、水資源無(wú)序開(kāi)發(fā)等人為因素,為徹底解決流域干旱問(wèn)題,必須在綜合分析流域水文氣象要素歷史演變趨勢(shì)特征的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析。