陳伏龍 ,王 京,楊 廣,賈筱娟

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,石河子 832003)

紫荊關(guān)流域降雨徑流變化趨勢的分析

陳伏龍 ,王 京,楊 廣,賈筱娟

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,石河子 832003)

為了探討紫荊關(guān)流域降雨與徑流變化的規(guī)律,采用Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法對紫荊關(guān)流域1956～2005年長系列降雨、徑流資料進(jìn)行了分析,并給出了降雨變化對徑流變化貢獻(xiàn)程度的定量描述方法。結(jié)果表明:紫荊關(guān)流域年徑流量有明顯的下降趨勢,年降雨量有下降的趨勢,但不顯著;年降雨量與年徑流量有一致的變化趨勢,且二者變化過程關(guān)系密切,降雨是影響徑流變化的主要因素,其貢獻(xiàn)程度達(dá)到了39.68%;由于受到非降雨因素的影響,二者的相關(guān)性隨著年代的推移呈減弱的趨勢變化。

降雨;徑流;變化趨勢;相關(guān)分析;紫荊關(guān)流域

降水是最重要的自然資源之一,也是引起土壤侵蝕的主要動力因素,降水還是引起水土流失的原動力[1]。因此,對降雨徑流變化趨勢的分析一直是國內(nèi)外水資源利用研究的熱點(diǎn)之一。高衛(wèi)平等[2]對唐乃亥流域降雨徑流特性進(jìn)行了分析,初步認(rèn)為氣候的改變引起蓄水特征和產(chǎn)匯流特征的變化。石教智等[3]對東江流域降雨徑流變化趨勢進(jìn)行了分析,結(jié)果顯示,降雨徑流變化過程關(guān)系密切,二者相關(guān)性有減弱的趨勢。曹建廷等[4]對長江源區(qū) 1956～2000年徑流量變化進(jìn)行了分析,揭示出長江源區(qū)年徑流量呈微弱的減少趨勢,結(jié)合氣象資料分析表明1980～2000年降水量減少是徑流量減少的直接原因。秦年秀等[5]對長江流域徑流變化趨勢及突變進(jìn)行了分析研究,結(jié)果表明20世紀(jì)90年代長江流域徑流呈微弱增加趨勢,但不顯著且地區(qū)分布不均。李艷等[6]對北江流域徑流量變化特征進(jìn)行了分析,結(jié)果表明徑流年內(nèi)分配不均,年際變化大,年徑流量系列呈緩慢上升趨勢,并存在2年左右的變化周期。曾霞等[7]對瑪納斯河流域的徑流與洪水特征進(jìn)行了分析,結(jié)果表明冰川是瑪納斯河流域徑流的主要補(bǔ)給源,影響該流域徑流年際、年內(nèi)變化的主要因素是降水和氣溫。張偉等[8]對天山北麓瑪納斯河徑流規(guī)律進(jìn)行了分析,探討了瑪納斯河徑流變化多時(shí)間尺度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。張建云等[9]對近50年來中國六大流域徑流變化趨勢進(jìn)行了研究,表明六大流域?qū)崪y徑流量均呈下降趨勢,嚴(yán)重影響了社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

隨著社會、經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,尤其是改革開放以來的大規(guī)模經(jīng)濟(jì)建設(shè),降雨徑流作為水循環(huán)的重要環(huán)節(jié),在各種因素的影響下紫荊關(guān)地區(qū)的徑流大幅度減少。本文采用Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法對紫荊關(guān)流域降雨徑流的演變規(guī)律進(jìn)行了研究,以期為該地區(qū)開展水資源規(guī)劃利用、生態(tài)環(huán)境治理、水土保持工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域和方法

1.1 研究區(qū)域

大清河系地處海河流域的中部,位于東經(jīng)113°39′～117°34′,北緯 38°10′～40°102′之間 ,西起太行山區(qū),東至渤海灣,北界永定河,南臨子牙河,長10km以上的山區(qū)河道有9條,呈扇形分布。流域面積 43060km2,其中山區(qū)面積 18659km2,占 43.3%,平原面積 24401km2,占 56.7%,流經(jīng)山西、河北、北京和天津四省(市)。

紫荊關(guān)位于大清河流域北支拒馬河上游,該河發(fā)源于河北省淶源縣境內(nèi),上游石門以上為淶源盆地,石門至紫荊關(guān)為開闊谷地。紫荊關(guān)流域控制面積為1760km2,主河道長81.5km,河道縱坡5.5‰,流域平均寬度25.4km。流域內(nèi)植被情況較差,僅局部地區(qū)有小塊成林,石門以上屬黃土高原邊緣的土石山區(qū),因此河道侵蝕嚴(yán)重,石門以下屬石山區(qū),表層巖石風(fēng)化嚴(yán)重,水土流失現(xiàn)象較多,水土保持工程比較薄弱。流域內(nèi)設(shè)有12處雨量站,本文選用其中斜山、艾河、淶源、石門、東團(tuán)堡、插箭嶺、王安鎮(zhèn)、紫荊關(guān)這8個(gè)雨量資料系列長、在流域上分布較均勻的站的資料。實(shí)測最高水位523.20m,最大洪峰流量4490m3/s(1963年),最大年降雨量1463.6mm(1956年),多年平均降雨量約650mm。

1.2 研究方法

水文序列是流域下墊面在一定氣候條件下的反映,對于一個(gè)流域來說,氣候條件可以認(rèn)為是一種自然的隨機(jī)變化,不受人類活動等因素的影響。當(dāng)流域受到人類活動等因素的影響而發(fā)生較大變化時(shí),水文序列的平穩(wěn)性可能會遭到破壞,其時(shí)序變化將更加錯綜復(fù)雜[10]。水文序列的分析方法主要有Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法、滑動平均法、線性回歸法、累積距平法和小波分析法等。本文將主要采用Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法對降雨量和徑流量進(jìn)行分析。

Mann和 Kendall[11,12]創(chuàng)建 Mann-Kendall檢驗(yàn)法。該法是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法,許多學(xué)者[13,14]不斷應(yīng)用Mann-Kendall檢驗(yàn)法分析降水、徑流和水質(zhì)等要素時(shí)間序列的趨勢變化。在 Mann-Kendall檢驗(yàn)法中,原假設(shè)時(shí)間序列數(shù)據(jù)(x1,...,xn)是 n個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)變量同分布的樣本;備擇假設(shè) H1是雙邊檢驗(yàn),對于所有的k,j≤n,且 k≠j,xk和 xj的分布是不相同的。當(dāng) n>10時(shí),標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)統(tǒng)計(jì)變量 z通過下式計(jì)算:

式(1)中:, sgn(xj-xk),S為正態(tài)分布,其均值為0,方差Var(s)=[n(n-1)(2n+5)-∑tt(t-1)(2t+5)]/18,其中 t表示任意給定結(jié)點(diǎn)的范圍。

在雙邊的趨勢檢驗(yàn)中,在給定的α置信水平上,如果|z|≥zα/2,則在α置信水平下時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或者下降趨勢。Mann-Kendall檢驗(yàn)還可用于檢驗(yàn)序列突變,檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量構(gòu)造如下:

在給定顯著性水平α下,查正態(tài)分布表得到臨界值 Uα/2,|U Fk|Uα/2,表明序列存在一個(gè)明顯的增長或減少趨勢。所有U Fk將組成一條隨時(shí)間變化曲線,如果該曲線落在置信區(qū)間(-Uα/2,+Uα/2)內(nèi),那么原序列不存在變化趨勢,反之,原序列存在顯著的變化趨勢。將時(shí)間序列按逆序排列,再按上式計(jì)算,同時(shí)使UBK=-U FK′(k′=n+1-k),如果 U Fk和 UBk二條曲線出現(xiàn)交點(diǎn),且交點(diǎn)在臨界直線之間,那么交點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)刻就是突變開始的時(shí)刻。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫荊關(guān)流域徑流量的變化趨勢

根據(jù)紫荊關(guān)流域1956～2005年的年徑流量資料,采用 Mann-Kendall秩次檢驗(yàn)法對年徑流量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)計(jì)算,并求出時(shí)間序列的U Fk和UBk值。取顯著性水平α=0.05情況下臨界值為±1.96。圖1為紫荊關(guān)流域年徑流量Mann-Kendall秩次檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)變化情況。

由圖1可見,紫荊關(guān)流域1956～1963年 UFk曲線呈不規(guī)則的周期波動變化,但介于α=0.05顯著性水平臨界值之間,表明流域徑流量在顯著性水平α=0.05下,變化趨勢不顯著。該流域徑流量1964～1971年下降趨勢顯著,1972～1978年呈上升趨勢,1979～2005年呈不規(guī)則的周期波動變化,下降趨勢顯著。另外,U Fk和 UBk二條曲線交于1982年,說明1982年是紫荊關(guān)流域徑流量時(shí)間序列發(fā)生突變的年份。

圖1 紫荊關(guān)流域年徑流量Mann-Kendall秩次檢驗(yàn)Fig.1 The Mann-Kendall order correlation test of annual runoff in the Zijingguan Basin

2.2 紫荊關(guān)流域降雨量的變化趨勢

圖2為紫荊關(guān)流域年降雨量Mann-Kendall秩次檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)變化情況。

從圖2可知,紫荊關(guān)流域1956～1963年 UFk曲線呈不規(guī)則的周期波動變化,但介于α=0.05顯著性水平臨界值之間,表明流域年降水在顯著性水平α=0.05下,變化趨勢不顯著。該流域降雨量1964～1971年下降趨勢顯著,1972～1978年呈上升趨勢,1979～1993年下降趨勢顯著,1994～2000年呈上升趨勢,2001～2005年又呈下降趨勢。

表1為紫荊關(guān)流域年降雨量、年徑流量秩次檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值。

圖2 紫荊關(guān)流域年降雨量Mann-Kendall秩次檢驗(yàn)Fig.2 The Mann-Kendall order correlation test of annual rainfall in the Zijingguan Basin

表1 紫荊關(guān)流域年降雨量、年徑流量檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值Tab.1 The testing statistic of annual rainfall and runoff in the Zijingguan Basin

2.3 紫荊關(guān)流域降雨變化對徑流變化的影響

降雨是徑流產(chǎn)生的直接驅(qū)動因子,降雨量的大小及降雨的變化趨勢在一定程度上也決定了徑流的變化趨勢,降水的變化一般表現(xiàn)為降水量的變化、時(shí)程分布、空間分布的變化三個(gè)方面。在下墊面和降雨空間分布相同的情況下,降雨量越大,徑流量就可能越大;反之,徑流量就會減小[15]。降雨和徑流存在密切的關(guān)系,但不同的地區(qū)降雨對徑流的響應(yīng)和敏感性不同[16,17],在分析降雨對徑流的影響時(shí),由于降雨的時(shí)程、空間分布的變化,很難精確地計(jì)算其對徑流變化的影響結(jié)果,但可以從量上粗略地分析降雨對徑流變化的影響大小。

2.3.1 降雨徑流相關(guān)分析

從紫荊關(guān)流域1956～2005年實(shí)測降雨徑流資料中選取47場暴雨洪水過程,分別統(tǒng)計(jì)估算出每場洪水對應(yīng)的徑流量以及降雨量(圖3),點(diǎn)繪不同時(shí)期的相關(guān)點(diǎn)據(jù),并根據(jù)點(diǎn)據(jù)分布趨勢建立相應(yīng)的降雨徑流相關(guān)關(guān)系(圖4)。

從圖3可以看出,紫荊關(guān)流域徑流量和降雨量的分布趨勢一致性很好。從圖4給出的紫荊關(guān)流域年降雨徑流相關(guān)圖可知,80年代后的點(diǎn)據(jù)大致分布在80年代前點(diǎn)據(jù)的左側(cè),從趨勢線也可看出,在同樣的降雨量的情況下,80年代后的產(chǎn)流量小于80年代前的產(chǎn)流量。這說明隨著年代的推移,降雨對徑流的影響有減弱的趨勢;80年代前后年徑流量與降雨量的相關(guān)系數(shù)分別為0.963和0.894?？梢?紫荊關(guān)流域徑流量的變化在很大程度上與降雨量變化密切相關(guān),降雨量的變化是影響徑流量變化的主要因素。

圖3 紫荊關(guān)流域年降雨量徑流量年變化Fig.3 Change of annual rainfall and runoff in the Zijingguan Basin

圖4 紫荊關(guān)流域年降雨徑流相關(guān)Fig.4 Correlation of annual rainfall and runoff in the Zijingguan Basin

2.3.2 降雨變化對徑流變化的貢獻(xiàn)程度

根據(jù)降雨徑流關(guān)系 R=P×D可得:

式(7)中:R為徑流量,P為降雨量,D為徑流系數(shù),R1、R2、P1、P2、D1、D2分別為相鄰年代的徑流量、降雨量和徑流系數(shù)。

從式(7)可知:徑流量的變化可以看成是由降雨量變化或徑流系數(shù)的變化引起的,而降雨量變化引起的徑流變化量為式(7)中的后一項(xiàng),即:

式(8)中:ΔRp是降雨量變化引起的徑流變化量,ΔP是降雨量的變化量,￣D是平均徑流系數(shù)。

這樣,降雨量變化對徑流量變化的貢獻(xiàn)程度β可按下式估算,

式(9)中ΔR為天然總徑流變化量。

根據(jù)紫荊關(guān)流域不同年代間降雨變化量和徑流量及式(8)、(9)得出降雨量變化對徑流量變化的貢獻(xiàn)程度,如表2所示。

從表2可見,年降雨量與徑流量有一致的變化趨勢,而且降雨量變化對徑流量的變化影響比較大。但從2000年以后相對于20世紀(jì)90年代的降雨徑流的變化情況來看,降雨和徑流的變化波動趨勢并不一致,主要是由于受到非降雨因子的影響,使得徑流變化量在降雨變化量增加8.15mm的情況下,仍減少了6.37mm。從近20多年來看,1980～1992年相對于1956～1979年,降雨量的減少對徑流量減少的貢獻(xiàn)程度為52.33%;而1993～2005年相對于1956～1979年,降雨量的減少對徑流量減少的貢獻(xiàn)程度則為27.02%;平均為39.68%。這說明降雨量的變化是使年徑流量變化的主要原因,但并不是徑流量減少的決定因素。對此,圖1、圖2和表1給出的年徑流量和年降雨量的變化趨勢,也可以說明這一點(diǎn),年徑流量的減少趨勢是非常明顯的,而年降雨量下降的趨勢并不明顯。

表2 降雨量變化對徑流量變化的影響情況Tab.2 Effects of rainfall change on runoff

3 結(jié)論

本文利用Mann-Kendall秩次檢驗(yàn)方法分析了紫荊關(guān)流域1956～2005年降雨徑流序列的演變趨勢,以及降雨變化對徑流變化的影響,可以得出以下結(jié)論:

1)紫荊關(guān)流域年降雨量總體有減小的趨勢,但減小趨勢不顯著。在顯著性水平α=0.05下,紫荊關(guān)流域近50年來年徑流量總體上有明顯的減小趨勢。年徑流量在1982年發(fā)生突變,自20世紀(jì)80年代初期后,年徑流量減幅尤為明顯。

2)紫荊關(guān)流域降雨、徑流變化過程關(guān)系密切,年降雨量與徑流量有一致的變化趨勢,但二者相關(guān)性隨著年代的推移有減弱的趨勢,說明徑流主要受降雨影響的同時(shí),愈來愈受到非降雨因素的影響,相關(guān)關(guān)系更加復(fù)雜。

3)從降雨變化對徑流的影響程度來看,降雨變化導(dǎo)致徑流減小的貢獻(xiàn)程度達(dá)到了39.68%,降雨變化是徑流變化的主要影響因素,但不是決定性因素。80年代前降雨量變化對徑流量的變化影響比較大,80年代后降雨量變化對徑流量的變化影響有減弱的趨勢。因此,流域內(nèi)徑流變化還受到土地開發(fā)利用、植樹造林、水利工程、城鎮(zhèn)化建設(shè)等諸多非降雨因素的影響,尚需做更進(jìn)一步的研究。

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Analysis of the Rainfall and Runoff Change Trend in the Zijingguan Basin

CHEN Fulong,WANG Jing,YANG Guang,JIA Xiaojuan
(College of Water Conservancy and Architectural Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

The Kendall order correlation test is used to find the law of the evolvement of rainfall and runoff in the Zijingguan Basin.Based on the long series of data of rainfall and runoff in the Zijingguan Basin from 1956 to 2005,the quantitative method is put forward for revealing the contribution rate between change in rainfall and that in runoff.The results show that the downtrend is marked in annual runoff,while it's unapparent in annual rainfall.The trends of change are the same.And the relationship between processes of rainfall and runoff is consanguineous.Whereas the contribution rate is 39.68%,so the rainfall is the main influencing factor for runoff.And because of influencing of other factors,the contribution rate is descending.The results will provide rational references for water resources programming and using of the Zijingguan Basin.

rainfall and runoff;change tendency;correlation analysis;Zijingguan Basin

P333.1

A

1007-7383(2010)01-0101-05

2009-10-14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50879051)

陳伏龍(1978-),男,講師,從事水文學(xué)及水資源問題的研究;e-mail:cfl103@shzu.edu.cn。