涇河上游降雨徑流年際變化及其趨勢分析
2022-07-01 06:51:02路東旭
黑龍江水利科技 2022年5期
路東旭，岳 斌
(甘肅省平涼水文站，甘肅 平涼 744000)
1 概 況
涇河是渭河的最大支流。發源于寧夏自治區涇源縣涇河源鎮老龍潭村，河源高程2498m，由西向東流經平涼、涇川進入陜西長武縣，經彬縣于高陵縣榆楚鄉上馬度村入渭河，河口高程361m。涇河流域面積45459 km2，河長460km，河流平均比降2.4‰。甘肅省境內流域面積31168km2，河長177km，較大的支流有頡河、汭河、大路河、洪河、蒲河、馬蓮河、黑河等。涇河流域地形西高東低，北岸流域大于南岸，流經黃土高原溝壑丘陵區，土質松植被少，溝壑發育，水土流失嚴重。
2 數據來源及分析方法
2.1 數據來源
文章用涇河上游及周邊隆德、孟家臺、新集等有代表性的54處雨量站1956-2018年降水、楊家坪水文站(集水面積14124km2)徑流資料進行計算分析。流域平均降水量按泰森多邊形(AicCIS軟件)求得面積，再加權計算；楊家坪站徑流資料來于水利部刊印的水文年鑒。所用降雨、徑流資料均按照規范要求測驗、整編，經“三性”檢查，數據正確、完整可靠[1]。
2.2 分析方法
2.2.1 曼-肯德爾檢驗法
曼-肯德爾(Mann-Kendall)檢驗法是氣象、水文行業廣泛應用的統計方法，其公式為：
(1)
2.2.2 線性回歸法
時間序列xi表示樣本容量為n的某變量，ti表示xi對應的時間，則xi與ti之間回歸方程為：
Xi=a+btii=1，2，…，n
(2)
式中：a、b為回歸常數、系數；ti為序號。該文中系數b值是反映降水、徑流序列有上升趨勢(b>0)或者有下降趨勢(b<0)。
2.2.3 滑動平均法
為消除序列的偶然變動，常常用滑動平均值分析變化趨勢。對于樣本容量為n的序列x，滑動平均后的序列為：
(3)
式中：k為滑動長度。文章采用5a滑動，滑動平均后周期<5a的偶然變化被削弱，進而分析其系列趨勢的變化。
2.2.4 R/S分析法
R/S分析法是赫斯特(Hurst)提出的時間序列統計分析方法。對于時間序列x(t)，t=1，2，…。均值序列為：
(4)
R(τ)與S(τ)存在一定關系R(τ)/S(τ)=C(τ)H(C是常數)。
通過計算可得赫斯特(Hurst)指數(0
2.2.5 有序聚類分析法
有序聚類分析法是推算時間序列可能發生的突變點的方法，即求序列的最佳分割點。對序列xi(i=1,2,…,n),突變點為τ，則突變前后離差平方和為：
(5)
Sn(τ)=Vτ+Vn-τSn(τ)為總離差和。求最優分割τ使Sn(τ)最小。
Sn*(τ)=min[Sn(t)]
滿足上述條件的τ為可能突變點。文中主要用于降雨、徑流序列突變年份分析。
3 結果分析
3.1 降雨變化趨勢
經分析計算，1956-2016年涇河上游平均降雨量518.6mm，流域年平均降雨系列呈波動變化，傾向率為-6.1mm/10a，涇河上游流域年平均降雨量時序圖，見圖1。線性回歸法算得回歸系數b的|T|=0.89，<α=0.10時臨界值Tα2=1.64，說明年平均降雨量的變化趨勢不顯著。曼-肯德爾法計算的|U|=0.79，<α=0.10時臨界值Uα/2=1.64，表明年平均降雨量變化趨勢不顯著；經5a滑動距平分析，降雨呈波動變化，1959-1969年、1974-1977年、2001-2005年、2011-2015年為豐水年，1978-2000年代近22年為枯水期，涇河流域年平均降雨量距平圖，見圖2。R/S分析法算得Hurst指數H=0.57，表明年平均降雨量系列弱跳躍，未發生突變現象。綜合表明，涇河流域61a來面降雨量在波動中減少，但趨勢不顯著，未發生突變現象[3]。
圖1 涇河上游流域年平均降雨量時序圖
圖2 涇河流域年平均降雨量距平圖
3.2 徑流變化分析
經計算，1956-2016年涇河楊家坪水文站多年平均天然徑流量為7.158×108m3，年徑流也呈波動變化，傾向率為-0.092×108m3/a，涇河流域年徑流量時序圖，見圖3。線性回歸法算得回歸系數b的|T|=4.72，>α=0.05時的臨界值Tα2=1.96，說明趨勢顯著。曼-肯德爾法計算的|U|=4.27，>α=0.05時的臨界值Uα/2=1.96，也表明徑流變化趨勢顯著；經5年滑動距平分析，涇河流域年徑流量距平圖，見圖4，徑流呈波動變化，且1985年以后天然徑流量逐漸變少，且在均值以下；R/S分析法求得赫斯特(Hurst)指數0.83，為中跳躍；有序聚類分析法判斷跳躍年份為1985年，即1985年以后涇河上游天然年徑流量持續減少[4]。
圖3 涇河流域年徑流量時序圖
圖4 涇河流域年徑流量距平圖
3.3 降雨-徑流相關性分析
點繪涇河上游流域年平均降雨量與楊家坪站天然年徑流深相關圖，涇河干流甘肅段流域年平均降雨量與年徑流深相關圖，見圖5。
圖5 涇河干流甘肅段流域年平均降雨量與年徑流深相關圖
由圖可見，點據呈帶狀，以1985年分為明顯的兩個系列，表達式為：R1956-1985=0.2335×P1956-1985-61.319、R1986-2018=0.1187×P1986-2018-21.401、(單位：R、P取mm)，1985年后徑流系數明顯變小，與土地利用變化、取用水變化、水利水保工程、城市化進程等人類的活動有關。分別統計1956-1985年、1986-2016年降水、徑流深，根據回歸公式計算理論徑流深，得涇河上游降水和人類活動對徑流影響率。涇河上游降水、人類活動對徑流影響計算表，見表1。
表1 涇河上游降水、人類活動對徑流影響計算表
從表1可以看出，1986-2016年降水變化導致徑流減少了7.7mm，影響率32.1%，人類活動因素導致徑流減少了16.3mm，影響率達67.9%，即人類活動是導致1986-2016年徑流變化(減少)的主要因素。
4 結 論
1)涇河上游1956-2016年面降雨量518.6mm，傾向率-6.1mm/10a，在波動有減少趨勢(不顯著)，未發生突變現象。
2)1956-2016年涇河楊家坪水文站多年平均天然徑流量為7.158×108m3，傾向率為-0.092×108m3/a，在波動變化中減少(1985年以后減少明顯)。
3)1986-2016年降水變化導致徑流減少了7.7mm，影響率達32.1%，人類活動因素導致徑流減少16.3mm，影響率達到67.9%，即人類活動是導致1986-2016年徑流變化(減少)的主要因素。
