馬 穎，張松濤

（海河水利委員會(huì)海河下游管理局，天津 300061）

海河流域地處華北地區(qū)，是我國(guó)重要的政治、經(jīng)濟(jì)、文化、科技、工業(yè)和農(nóng)業(yè)集中分布區(qū)，大中城市眾多。流域總?cè)丝?.37億，占全國(guó)的10%。2008年，海河流域GDP達(dá)3.95萬(wàn)億元，占全國(guó)的13%；人均GDP達(dá)2.88萬(wàn)元，超過(guò)全國(guó)平均水平27.4%。海河流域是我國(guó)重要的糧食、燃料工業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)基地。近年來(lái)，以電子信息、生物技術(shù)、新能源、新材料為代表的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速以及天津?yàn)I海新區(qū)的開(kāi)發(fā)開(kāi)放，使海河流域成為我國(guó)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)極。

流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，對(duì)水利基礎(chǔ)支撐提出了新的更高的要求。華北地區(qū)，水文循環(huán)機(jī)理比較復(fù)雜，它不僅與陸地表層系統(tǒng)中各種自然地理要素時(shí)空分布密切相關(guān)，而且與農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)、都市化等土地利用／土地覆蓋植被直接相聯(lián)。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人類(lèi)活動(dòng)加劇，改變了水循環(huán)自然變化的空間格局和過(guò)程，加劇了水資源形成與變化的復(fù)雜性。海河流域的徑流特性發(fā)生了變化，水資源短缺日益凸現(xiàn)，在一定程度上影響了社會(huì)的良性發(fā)展。開(kāi)展自然變化和人類(lèi)活動(dòng)影響下的水循環(huán)及水資源安全研究，具有十分重要的科學(xué)意義和研究?jī)r(jià)值[1]。

筆者選取海河流域中的海河水系作為研究對(duì)象，按其北、南系的劃分，對(duì)其近幾十年來(lái)的降水量、徑流量的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，并尋找突變點(diǎn)，尋求解決水資源緊缺的新的突破點(diǎn)。該內(nèi)容是研究變化環(huán)境下的水文循環(huán)的主要內(nèi)容之一，對(duì)合理規(guī)劃流域水資源、保護(hù)流域水土環(huán)境具有一定的意義。

1 研究區(qū)域概況

海河流域位于東經(jīng)112～120°、北緯35～43°之間，處于干旱半干旱區(qū)。流域東鄰渤海，西倚太行，南界黃河，北接蒙古高原。流域面積31.8萬(wàn)km2，由海河、灤河、徒駭馬頰河水系組成。其中，海河水系是其主要水系，流域面積23.4萬(wàn)km2，由北系的薊運(yùn)河、潮白河、北運(yùn)河、永定河和南系的大清河、子牙河、漳衛(wèi)河組成。

流域?qū)儆跍貛|亞季風(fēng)氣候區(qū)，屬半濕潤(rùn)半干旱地帶。春季受蒙古大陸性氣團(tuán)影響，往往形成干旱天氣；夏季受太平洋副熱帶高壓影響，降雨量多，且多暴雨，但降雨量的變差很大，旱澇時(shí)有發(fā)生；秋、冬季降水較少。流域多年平均降水量為 535 mm（1956—2007年降水系列），海河水系多年平均降水量為512 mm（1956—2007年降水系列），其中海河北系多年平均降水量為482 mm、海河南系為543 mm。

流域水資源總量為370億m3，人均占有量272 m3，僅為全國(guó)平均水平的1/8、世界平均水平的1/24。流域以不足全國(guó)1.3%的水資源量，承擔(dān)著全國(guó)10%的人口、12%的糧食生產(chǎn)以及13%的GDP用水，水資源承載能力嚴(yán)重不足，供需矛盾非常突出。

2 研究方法和對(duì)象

2.1 分析途徑

通過(guò)對(duì)降雨徑流變化趨勢(shì)的對(duì)比分析，來(lái)確定氣候因素和人類(lèi)活動(dòng)的影響[2]。若降雨、徑流同步變化，說(shuō)明流域內(nèi)降雨徑流關(guān)系保持較好，下墊面的一致性也未遭到嚴(yán)重的破壞，產(chǎn)匯流機(jī)制總體上沒(méi)有明顯的變化，氣候因素在對(duì)水文氣象要素的影響中占主導(dǎo)地位；如果它們的變化不同步，則說(shuō)明降雨徑流關(guān)系遭到了破壞，下墊面的影響或者人類(lèi)活動(dòng)的影響是顯著的，即人類(lèi)活動(dòng)的影響占了主導(dǎo)地位。

2.2 資料

分別選用海河南系和海河北系1956—2000年的降水和年徑流資料，借助Mann-Kendall（M-K）趨勢(shì)及突變檢驗(yàn)方法對(duì)這些時(shí)間序列進(jìn)行趨勢(shì)和突變分析。

2.3 分析方法

趨勢(shì)是指在一段時(shí)間參數(shù)變化的方向（上升、下降或橫向延伸）。突變是自然界一種正常的現(xiàn)象，即描述某自然現(xiàn)象的時(shí)間系列從一種穩(wěn)定態(tài) （或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢(shì)）跳躍式地轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定態(tài)（或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢(shì)），它表現(xiàn)為該系列正處在從一個(gè)統(tǒng)計(jì)特征到另一個(gè)統(tǒng)計(jì)特征的急劇變化中[3，4]。

筆者采用Mann-Kendall（M-K）非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法和Z統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)法，基于秩的M-K非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法常用來(lái)預(yù)測(cè)如水質(zhì)、徑流、溫度、降水等水文氣象時(shí)間序列資料的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)[5]，對(duì)海河水系的徑流量及降水量資料序列進(jìn)行趨勢(shì)分析及突變檢驗(yàn)。

假設(shè)有一時(shí)間序列為X1，X2，X3，…，Xn，所以其趨勢(shì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量公式是：

其中，sign（）為符號(hào)函數(shù)。當(dāng)Xi-Xj小于、等于或大于零時(shí)，sign（Xi-Xj）分別為-1、0或1。

若M-K統(tǒng)計(jì)量公式S分別大于、等于、小于零時(shí)，則有：

其中，Z為正值表示增加趨勢(shì)，負(fù)值表示減少趨勢(shì)。｜Z｜≥1.28、1.64、2.32時(shí)表示分別通過(guò)了信度90%、95%、99%顯著性檢驗(yàn)。

dk均值以及方差定義如下：

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立假定下，定義統(tǒng)計(jì)量為：

這里UFk呈標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，給定一顯著性水平a0，查正態(tài)分布表得到臨界值t0。當(dāng)｜UFk｜＞｜t0｜時(shí)，表明序列存在一個(gè)明顯的增長(zhǎng)或減少趨勢(shì)，所有UFk將組成一條曲線(xiàn)C1，通過(guò)信度檢驗(yàn)可知其是否具有明顯的變化趨勢(shì)。

把以上方法應(yīng)用到反序列中，重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程，并使計(jì)算值乘以-1，得出UBk。UBk在圖中表示為C2，若C1和C2的交點(diǎn)位于信度線(xiàn)之間，則此點(diǎn)可能就是突變點(diǎn)的開(kāi)始[6]。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 降水、徑流趨勢(shì)分析

趨勢(shì)反映了降水、徑流演變的總體規(guī)律。

首先，應(yīng)用非參數(shù)M-K檢驗(yàn)法對(duì)海河南系和海河北系的降水量、徑流量年序列進(jìn)行變化趨勢(shì)的顯著性檢驗(yàn)，得到各要素的趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1和圖1-2中可以看出，降水與徑流量具有相同的變化趨勢(shì)，均呈減少趨勢(shì)。與整個(gè)流域相比，海河水系的降水及徑流變化趨勢(shì)更為明顯。海河流域近年來(lái)水量持續(xù)的減少主要是由于降水量的減少引起的。其中，海河南系徑流量的下降幅度較降水量更為明顯。從圖2可以看出，海河南系徑流量5年滑動(dòng)平均與多年平均值偏離得更遠(yuǎn)，說(shuō)明人類(lèi)活動(dòng)起到了一定影響作用。

表1 降水、徑流量趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖1 海河北系降雨徑流序列變化過(guò)程

雖然降水量與徑流量均呈減少趨勢(shì)，但徑流量的年際間變化更為明顯。從表2中可以看到，徑流量的Cv值明顯大于降水量的Cv值，特別是海河南系的變化尤為明顯，水量最豐的1963年與最枯的1999年徑流量比值為7.76、降水量比值僅為2.16；海河北系水量最豐的1959年與最枯的1999年的兩個(gè)比值（徑流量、降水量）分別為6.35和2.17。從圖1-2中也可以發(fā)現(xiàn)，降水與徑流的變化雖然同步，但是徑流的變化幅度更大，與均值偏離得更遠(yuǎn)。

圖2 海河南系降雨徑流序列變化過(guò)程

表2 降水、徑流量離散系數(shù)

3.2 降水、徑流量突變分析

利用M－K檢驗(yàn)突變分析研究了海河北系和南系的降水、徑流變化趨勢(shì)。圖3—4表明海河北系降水、徑流突變起始時(shí)間發(fā)生在1959年，并且通過(guò)了置信度為95%的顯著性檢驗(yàn)。圖5—6表明海河南系的降水和徑流突變分別起始于1964和1967年，并且通過(guò)了置信度為95%的顯著性檢驗(yàn)。即從海河北系和海河南系發(fā)生1956和1963年大水后，海河水系降水和徑流就轉(zhuǎn)入減少趨勢(shì)。這與海河水系降水、徑流趨勢(shì)檢驗(yàn)的結(jié)果相一致。同時(shí)，可以看出降水和徑流突變基本同步，說(shuō)明海河水系徑流變化的主要影響因素是降水量。

圖3 海河北系年降水量M－K突變檢驗(yàn)

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)海河水系降水和徑流的變化趨勢(shì)及突變分析表明，海河水系降水和徑流從20世紀(jì)50年代以來(lái)均呈減少趨勢(shì)，比較而言徑流量的變化幅度更為明顯。海河北系與海河南系降水、徑流轉(zhuǎn)入減少趨勢(shì)分別開(kāi)始于20世紀(jì)50年代末和60年代中期，具有比較好的同步性。海河流域徑流減少的主要影響因素是降水量的減少，同時(shí)人類(lèi)活動(dòng)也產(chǎn)生了一定的影響作用。

圖4 海河北系年徑流量M－K突變檢驗(yàn)

圖5 海河南系年降水量M－K突變檢驗(yàn)

圖6 海河南系年徑流量M－K突變檢驗(yàn)

[1]夏軍，談戈.全球變化與水文科學(xué)新的進(jìn)展與挑戰(zhàn)[J].資源科學(xué)，2002，24（3）：1-7.

[2]秦毅.黃河上游主要干支流降水、徑流近期統(tǒng)計(jì)特性變化分析 [A].黃河源區(qū)徑流及生態(tài)變化研討會(huì)專(zhuān)家論壇[C].鄭州：黃河水利委員會(huì)，2004.

[3]符宗斌，王強(qiáng).氣候突變的定義和檢驗(yàn)方法[J].大氣科學(xué)，1992，16（4）：483-493.

[4]魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)[M].北京：氣象出版社，1999.

[5]黃振平.水文統(tǒng)計(jì)學(xué)[M].南京：河海大學(xué)出版社，2003.

[6]KendallMG.RankCorrelationMethods[M].London：Griffin，1975.