蘇佳園，白紅英，張永江，張薈瑤

(1.西北大學 城市與環(huán)境學院，陜西 西安710127；2.黃河水利委員會 晉陜蒙接壤地區(qū)水土保持監(jiān)督局，陜西 榆林719000)

1960
—2010年窟野河年徑流量變化趨勢及其影響因素

蘇佳園1，2，白紅英1，張永江2，張薈瑤2

(1.西北大學 城市與環(huán)境學院，陜西 西安710127；2.黃河水利委員會 晉陜蒙接壤地區(qū)水土保持監(jiān)督局，陜西 榆林719000)

[關鍵詞]徑流量；降水量；變化趨勢；人類活動；窟野河流域

[摘要]基于窟野河把口站溫家川水文站1960—2010年的水文資料，應用Kendall秩相關系數(shù)、R/S分析法、小波分析、降水-徑流雙累積曲線法、Mann-Kendall突變檢驗法等多種數(shù)值統(tǒng)計方法，分析了窟野河徑流量年際變化特征及趨勢，以及降雨和人類活動對徑流變化的影響。結(jié)果表明：1960—2010年窟野河徑流量呈現(xiàn)顯著遞減趨勢，遞減率為1.358億m3/10a；Hurst指數(shù)為0.533>0.5，表明未來一段時間內(nèi)變化趨勢與現(xiàn)在基本相同；51年間降雨量年際變化較大，1978年之前變化較平穩(wěn)，1978—2006年顯著下降，之后又有所上升；徑流量變化受降雨影響較大，但在1978年以后，隨著水保措施的實施和煤炭的大規(guī)模開采，人類活動成為影響徑流變化的重要因素。

河川徑流作為水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，是水資源綜合開發(fā)利用、科學管理、優(yōu)化調(diào)度最重要的依據(jù)。隨著全球變暖和人類活動影響加劇，河川徑流發(fā)生了顯著的時空變化，直接影響流域水資源的配置、開發(fā)與利用，以及河流生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學和生物過程[1-2]。近些年隨著黃河沿岸能源化工基地建設步伐加快，特別是煤炭的大量開采，流域徑流過程發(fā)生了巨大變化，水資源供需矛盾日益突出，水土流失嚴重，甚至出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，嚴重影響了地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境改善。根據(jù)窟野河流域控制面積最大的溫家川水文站1960—2010年的徑流降水資料，分析窟野河徑流變化過程及規(guī)律，揭示降水和人類活動對徑流變化的影響。

1研究區(qū)概況

窟野河發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)東勝區(qū)巴定溝，流經(jīng)伊金霍洛旗和陜西省府谷縣，最后匯入黃河，是黃河中游一條多沙粗沙支流，河川徑流以降水補給為主，受降雨影響徑流年內(nèi)變化明顯?？咭昂痈闪魅L241.8 km，流域面積8 706 km2，地處毛烏素沙漠與黃土丘陵溝壑區(qū)的過渡地帶，地貌類型為礫質(zhì)丘陵區(qū)、沙質(zhì)丘陵區(qū)和黃土丘陵區(qū)，屬中溫帶大陸性氣候區(qū)，氣候干旱，植被稀疏，水蝕、風蝕交替。

2數(shù)據(jù)來源及分析方法

溫家川水文站(E110°45′、N38°29′，距離河口14.1 km)是窟野河的出口控制站，控制面積(8 645 km2)最大，其水文特性基本能反映整個流域的水文變化狀況，故采用1960—2010年溫家川水文站的年徑流量和年降水量作為主要研究資料。

利用Kendall秩相關系數(shù)對徑流變化趨勢進行了定量分析，基本原理和計算公式參見文獻[3]。采用R/S分析法研究流域徑流序列變化的持續(xù)性特征，從定性的角度認識序列的過去與未來是否存在相同或相反的變化特征，著重揭示未來的變化特征[4-5]。應用R/S分析法計算得到的Hurst指數(shù)的取值范圍為[0,1]，即：H=0.5，標志著一個序列是隨機的，事件是隨機的和不相關的，現(xiàn)在不會影響未來；H>0.5，表示未來的趨勢與過去一致，H越接近1，持續(xù)性越強；H<0.5，表明未來的總體趨勢與過去相反，過程具有反持續(xù)性，H越接近0，反持續(xù)性越強[5]。因此，綜合Kendall秩相關系數(shù)和R/S分析法分析結(jié)果可以得出窟野河流域未來水沙變化的趨勢特征。雙累積曲線法[6]是進行時間序列分析的一種常用方法，其基本原理是兩個變量按同一時間長度逐步累加，一個變量作為橫軸，另一個變量作為縱軸，拐點可作為分析變量階段性變化的依據(jù)。當只有降水的變化而無其他因素影響時，降水與徑流雙累積曲線應為一條直線；當受到人類活動等其他因素影響時，曲線將會發(fā)生偏移，可根據(jù)雙累積曲線發(fā)生偏移的年代確定下墊面受人類活動影響發(fā)生顯著改變的時間點，偏移的程度反映人類活動影響的劇烈程度，即通過降水與徑流的雙累積曲線揭示人類活動對徑流影響的階段變化。

3結(jié)果與分析

3.1窟野河徑流變化特征分析

窟野河徑流量年際變化較大，1960—2010年最大年徑流量12.610億m3(1961年)、最小年徑流量1.246億m3(2009年)、多年平均徑流量5.117億m3，最大年徑流量為多年平均值的2.5倍，年徑流量變化趨勢見圖1。由圖1知，窟野河流域徑流變化表現(xiàn)為遞減趨勢，遞減率為1.358 億m3/10a。Kendall秩相關系數(shù)檢驗的M值為-0.550**，在置信度為0.01時相關性顯著，說明窟野河流域年徑流量遞減趨勢顯著。用R/S分析法預測窟野河年徑流量的變化趨勢，計算后得到Hurst指數(shù)為0.533>0.5，說明未來年徑流量變化與現(xiàn)在保持相同的態(tài)勢，即有持續(xù)遞減的特征。結(jié)合M值和Hurst指數(shù)可以看出，若氣候變化和人類活動依舊保持現(xiàn)在發(fā)展趨勢或者變化更為激烈，那么窟野河年徑流量將繼續(xù)呈現(xiàn)遞減的趨勢。

圖1　1960—2010年窟野河年徑流量變化趨勢

采用Mann-Kendall法(M-K法)分析年徑流量的突變點，生成Uf、Ub曲線(圖2)。從圖2可以看出窟野河流域年徑流量突變發(fā)生在1998年，配合圖1中的年徑流量變化趨勢，將1998年定為年徑流量由多到少的時間突變點。以突變點1998年為界分別擬合年徑流量變化曲線，1960—1998年徑流量變化趨勢為y=-0.087 5x+7.934 1(R2=0.179 6)，1999—2010年為y=-0.052 9x+1.995 3(R2=0.348 9)，1998年之前遞減率為0.875 億m3/10a，之后遞減率為0.529 億m3/10a，均呈顯著遞減的趨勢，但1998年之后遞減率明顯降低了。

圖2　1960—2010年窟野河年徑流量M-K突變檢測曲線

3.2窟野河徑流變化影響因素分析

(1)降水變化對徑流的影響。溫家川水文站多年平均降水量415.3 mm，降水年際變化較大，最大年降水量647.7 mm(2007年)，最小年降水量140.2 mm(1965年)，最大年降水量為多年平均值的1.56倍。1960—2010年窟野河年降水量變化趨勢見圖3。由圖3知，51年間年降水量遞減率為0.033 mm/10a，降水量總體上呈現(xiàn)出穩(wěn)中有降的趨勢，但遞減趨勢不是很明顯。

圖3　1960—2010年窟野河年降水量變化趨勢

為了進一步分析降水和徑流在時間尺度上的周期變化，用小波方差的方法來表現(xiàn)。小波方差的大小代表某一尺度成分的多少，反映它所對應時段尺度的周期是否明顯，小波方差值越大，它所對應的時段尺度的周期越明顯。小波方差圖反映了能量隨時間尺度的分布，用以反映時間序列的主要周期。圖4顯示了窟野河流域51年間年徑流量和年降水量在不同時間尺度上的周期震蕩，從圖中可以看出，二者變化趨勢具有較大的相似性，年徑流量在5、7、15、30年左右出現(xiàn)了周期性震蕩，特別是15年左右的周期震蕩最強，而年降水量在5、15、30年左右也出現(xiàn)了較強的周期性震蕩，不同時間尺度的周期特征有著一定程度的吻合，說明徑流受降水影響明顯。

圖4　窟野河流域51年間年徑流量、年降水量小波方差

1960—2010年窟野河流域降水、徑流年際變化過程中，1980年之前多為豐水、偏豐、平水，降雨多，徑流量大；1980年后流域基本處于枯水或者偏枯狀態(tài)，1992、1996—1998、2003、2007—2009出現(xiàn)偏豐或者豐水是降水明顯增多所致，與徑流的變化有明顯的一致性。上述結(jié)果說明豐水年產(chǎn)流能力較強，枯水年產(chǎn)流能力較弱，年徑流量與年降水量之間有正相關性。而從降水的突變檢驗結(jié)果(圖5)可以看出，Uf、Ub兩條曲線在多個年份出現(xiàn)交點，特別是在1978年之前交點較多，說明1978年之前年降水量處于基本平穩(wěn)的狀態(tài)；1978—2006年溫家川水文站年降水量發(fā)生了明顯的由多到少的變化，與圖1對比可知，期間年徑流量也呈下降趨勢，說明降水對徑流影響較大；2006年之后年降水量有增加趨勢，但年徑流量卻連續(xù)下降(圖1)，說明降水已不是影響徑流的唯一因素。根據(jù)51年間的降水資料，1998年窟野河流域降水量沒有發(fā)生明顯突變，徑流量卻發(fā)生突變，也說明1998年之后降水已不是影響徑流的主要因素，影響因素變?yōu)橐匀祟惢顒訛橹鳌?/p>

圖5　窟野河年降水量M-K突變檢測曲線

(2)人類活動對徑流的影響。繪制降水-徑流雙累積曲線見圖6。由圖6知，曲線自1978年開始發(fā)生明顯偏移，1998年偏移更加劇烈。將降水-徑流雙累積曲線發(fā)生顯著偏移前的時段作為河道徑流未受人類活動干擾的基準期，即1960—1978年?；鶞势谀陱搅髁恐饕芙邓挠绊?，受人類活動影響較小。依此，將窟野河徑流序列劃分為1960—1978、1979—1998、1999—2010年三個時期。

圖6　窟野河流域降水-徑流雙累積曲線

依據(jù)圖6分析，1978年為第一個偏移點，斜率由0.016 5降到0.012 9，表明1978年以后降水不再是影響徑流的唯一因素，人為因素對徑流的影響增強。與此相對應的是，20世紀80年代起，在陜北地區(qū)開始了大規(guī)模的水土流失治理，流域下墊面特征的改變影響徑流在時空上的分配[7]。根據(jù)王曉坤等[8]的調(diào)查，窟野河流域20世紀70、80年代水土保持措施的蓄水量分別達到0.119億和0.254億m3，80年代水保措施減水量約為1.60億m3[9]。1998年之后，斜率變?yōu)?.003 8，擬合直線明顯向右偏移，說明人為活動對徑流的影響進一步增強。窟野河流域有一多半的面積位于神木縣境內(nèi)。這一時期在流域內(nèi)開展了大規(guī)模的煤炭開采，特別是神木縣煤炭開采量不斷增加，從1999年的0.133 2億t增加到2010年的1.606 8億t。煤炭開采容易引起采空區(qū)塌陷，地下水滲漏，改變了地下水與地表水間的相互轉(zhuǎn)化關系，使河道徑流量減少[10]。此外，1999年以后西北地區(qū)實施了大規(guī)模的退耕還林和天然林保護工程，也導致窟野河徑流量進一步減少。

4結(jié)論

根據(jù)51年間窟野河徑流的變化趨勢，采用多種統(tǒng)計方法，分析了降水和人類活動對徑流的影響，得到了以下結(jié)論：①51年間窟野河流域徑流量年際變化呈現(xiàn)顯著下降趨勢，在1998年發(fā)生明顯突變，1998年之前遞減率為0.875億m3/10a，之后為0.529億m3/10a，明顯降低；Hurst指數(shù)為0.533>0.5，表明在氣候變化和人類活動保持不變的狀況下，未來的一段時間內(nèi)年徑流量仍將呈下降趨勢；②時間尺度上，徑流和降水小波方差趨勢基本一致，即在5、15、30年左右周期震蕩激烈，可見徑流受降水影響明顯；③不同歷史時期，窟野河流域降水和人類活動對徑流的減少影響程度不同，1978年之前徑流變化主要受降水的影響，之后人類活動影響加劇，并導致年徑流量明顯減少。本研究在分析影響窟野河流域徑流變化的因素時只考慮了降水和人類活動，并未考慮蒸發(fā)量、植被指數(shù)、土地利用與土地覆蓋等的影響，在今后的研究中需要進一步深入。

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(責任編輯李楊楊)

[中圖分類號]P331;S157

[文獻標識碼]A

[文章編號]1000-0941(2016)05-0045-04

[作者簡介]蘇佳園(1988—)，女，陜西神木縣人，碩士研究生，研究方向為環(huán)境科學與水土保持。

[收稿日期]2015-11-01