吳喜軍,李懷恩，孫志勇,董　穎

(1.榆林學(xué)院建筑工程系，陜西 榆林　719000；2.西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地/ 西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西 西安　710048;3.榆林學(xué)院能源工程學(xué)院,陜西 榆林　719000)

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陜北窟野河年徑流變化特征分析與診斷

吳喜軍1,2,李懷恩2，孫志勇3,董穎1

(1.榆林學(xué)院建筑工程系，陜西 榆林719000；2.西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地/ 西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西 西安710048;3.榆林學(xué)院能源工程學(xué)院,陜西 榆林719000)

摘要：利用窟野河溫家川站1961—2010年的流量資料，采用滑動(dòng)平均法、距平累積法分析了近50 a來(lái)徑流序列的變化特征，采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法確定了徑流序列的突變點(diǎn)，并將各種方法得出的徑流變化特征及突變時(shí)間進(jìn)行分析和對(duì)比，初步討論造成徑流變化的主要原因。結(jié)果表明，窟野河近50 a來(lái)流量明顯減少，徑流時(shí)間序列可以大致劃分為1961—1979、1980—1998和1999—2010年 3個(gè)時(shí)期，人類活動(dòng)特別是21世紀(jì)以來(lái)煤炭資源的大規(guī)模開采對(duì)窟野河流量減少有重要影響。

關(guān)鍵詞：窟野河；徑流變化；時(shí)間序列；Mann-kendall檢驗(yàn)法；滑動(dòng)t檢驗(yàn)法

自20世紀(jì)以來(lái),由于氣候變化和人類活動(dòng)的影響,河川徑流已經(jīng)發(fā)生了顯著變化,水資源安全受到極大威脅[1]。ZHANG等[2]對(duì)于環(huán)境變化下河川徑流變化檢測(cè)的研究表明,徑流變化較溫度等具有更大的不確定性。粟曉玲等[3]研究表明不同徑流來(lái)源區(qū)的降雨變化對(duì)入黃徑流變化的影響不同,其中關(guān)中地區(qū)影響最大。宋曉猛等[4]提出未來(lái)需要重點(diǎn)加強(qiáng)水循環(huán)要素時(shí)空變異特征的診斷研究。

陜北地區(qū)水資源嚴(yán)重短缺,窟野河流域作為大型煤炭開采區(qū),是典型的受人類活動(dòng)影響區(qū)域。目前對(duì)窟野河徑流演化過程及影響因素的已有研究主要集中于徑流影響因素的識(shí)別[5-6],徑流變化特征研究不夠深入,時(shí)間序列較短,方法單一。河道徑流變化特征研究是后期徑流影響因素識(shí)別的基礎(chǔ)，為此,筆者采用多種方法對(duì)位于煤炭開采區(qū)的窟野河1961—2010年平均徑流序列進(jìn)行分析和診斷。

1研究區(qū)概況

窟野河是黃河中游的一級(jí)支流,發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市巴定溝,流經(jīng)內(nèi)蒙古伊金霍洛旗和陜西省府谷縣,于神木縣賀家川鎮(zhèn)匯入黃河。干流全長(zhǎng)242 km,流域面積8 706 km2,其中神木縣境內(nèi)有4 499 km2,流域多年平均蒸發(fā)量為1 788.40 mm,多年平均風(fēng)速為2.30 m·s-1。1980—2010年流域內(nèi)工業(yè)用水增加近10倍,但農(nóng)業(yè)用水基本不變,2010年總用水量約1.1億m3,該時(shí)段水土保持面積占比由15%增加到40%左右[7]?？咭昂恿饔蚨嗄昶骄涤炅繛?13.41 mm,入黃控制站溫家川的多年平均徑流量為5.11億m3。流域內(nèi)煤炭資源豐富,20世紀(jì)80、90年代平均年煤炭開采量為312萬(wàn)t,1998年首次超過1 000萬(wàn)t,之后開始大規(guī)模開采,2010年達(dá)1.61億t。

2徑流變化分析

該研究采用的溫家川站流量數(shù)據(jù)來(lái)自于黃河水利委員會(huì)出版的《黃河流域水文年鑒》[8]。 分別采用滑動(dòng)平均法、距平累積法、Mann-Kendall檢驗(yàn)法和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法對(duì)窟野河年平均徑流序列進(jìn)行分析,以期找出其變化特征及突變時(shí)間。

2.1滑動(dòng)平均法

滑動(dòng)平均法是一種簡(jiǎn)單的平滑預(yù)測(cè)方法[9],其計(jì)算公式為

(1)

式(1)中,yi為i點(diǎn)的滑動(dòng)平均值;xj+i為j+i點(diǎn)的序列值;k為單側(cè)平滑時(shí)距;2k+1為滑動(dòng)長(zhǎng)度。

根據(jù)樣本數(shù)量選取適當(dāng)?shù)膋值,將原序列中的高頻振蕩加以平均,從而反映序列的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)。取k=2,對(duì)窟野河溫家川站徑流序列進(jìn)行5 a滑動(dòng)平均,分析其徑流序列的演變特征(圖1)。

圖1　1961—2010年溫家川站平均流量及5 a滑動(dòng)平均曲線

由圖1可以看出,近50 a來(lái)溫家川站流量下降明顯。1980年前流量保持在22 m3·s-1左右,但有幾次大的波動(dòng),20世紀(jì)60年代末和70年代末流量較大;之后流量明顯下降,20世紀(jì)80、90年代在15 m3·s-1左右波動(dòng),接近多年平均流量;20世紀(jì)90年代末,流量再次大幅下降后保持在5 m3·s-1左右,5 a滑動(dòng)平均流量與實(shí)際流量基本相同。

2.2累積距平法

應(yīng)用累積距平法時(shí),如果累積距平曲線呈上升趨勢(shì),即距平值增加,則該時(shí)刻的流量值大于序列平均值,反之則小于序列平均值[10]。序列x在某一時(shí)刻t的累積距平可以表示為

(2)

(3)

圖2顯示,20世紀(jì)60、70年代累積距平曲線呈明顯上升趨勢(shì),但是越來(lái)越平緩,說(shuō)明這一時(shí)期溫家川站流量大于平均流量,但是有減少的趨勢(shì);20世紀(jì)80年代和90年代前期變化比較平穩(wěn),說(shuō)明這一時(shí)期的流量和平均流量接近,累積距平未再增加;20世紀(jì)90年代后期累積距平曲線呈明顯下降趨勢(shì),說(shuō)明這一時(shí)期溫家川流量開始減少,低于平均流量。從曲線起伏可以診斷出流量突變的大致時(shí)間為1979年和1996年前后。

圖2　1961—2010年溫家川站年平均流量累積距平曲線

2.3Mann-Kendall檢驗(yàn)法

曼-肯德爾(Mann-Kendall)檢驗(yàn)法的優(yōu)點(diǎn)是樣本不需要遵從一定的分布,也不受其中少數(shù)異常值的影響,計(jì)算過程簡(jiǎn)便[11]。若時(shí)間序列x具有n個(gè)樣本,則其秩序列為

(4)

(5)

式(4)～(5)中,ri為i時(shí)刻以前數(shù)值xj小于xi的樣本數(shù);秩序列Sk為所有ri的累計(jì)數(shù)。

假設(shè)時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立,定義統(tǒng)計(jì)量如下:

(6)

E(Sk)=k(k+1)/4,

(7)

var(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72。

(8)

式(6)～(8)中,Sk為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量;UFk為Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量,UF1=0。UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,在給定顯著性水平α的情況下,若|UFk|>Uα,表明該序列趨勢(shì)發(fā)生顯著變化。

將時(shí)間序列x逆序排列,并使UBk=-UFk(k=n,n-1,…,1),UB1=0,再重復(fù)上述計(jì)算過程。若UFk<0,則序列呈下降趨勢(shì);若UFk>0,則相反;UFk絕對(duì)值越大,則變化趨勢(shì)越顯著。如果UFk和UBk曲線的交點(diǎn)出現(xiàn)在臨界直線之間,則其對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是序列突變點(diǎn)[12]。

對(duì)溫家川年平均流量采用Mann-Kendall法進(jìn)行檢驗(yàn)分析,并繪制統(tǒng)計(jì)曲線(圖3)。設(shè)顯著性水平α=0.05,則Uα=±1.96。

UFk為Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量；UBk為將時(shí)間序列逆序排列后計(jì)算的Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量。

由圖3可見,自1961年以來(lái),UFk基本都小于0,說(shuō)明溫家川年平均流量一直呈遞減趨勢(shì)。20世紀(jì)60年代末和70年代末有2次峰值,這與滑動(dòng)距平法的計(jì)算結(jié)果相一致;20世紀(jì)80年代以來(lái)UFk曲線開始出現(xiàn)單邊下行,一度低于臨界值Uα(-1.96);1998年UFk曲線與UBk曲線相交,之后UFk開始快速下降,2010年Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量達(dá)-6.10,表明1998年后溫家川年平均流量下降趨勢(shì)顯著。因此可以確定,1998年以來(lái)溫家川年平均流量下降為突變現(xiàn)象。

2.4滑動(dòng)t檢驗(yàn)法

(9)

(10)

方程遵從自由度v=n1+n2-2的t分布。

采用該方法對(duì)溫家川年平均流量進(jìn)行檢驗(yàn),選擇2段子序列長(zhǎng)度n1=n2=5,通過連續(xù)設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn),按照式(9)～(10)計(jì)算其統(tǒng)計(jì)量。顯著性水平α=0.05對(duì)應(yīng)的臨界值為t0.05=2.31,如果|ti|>tα,則表示在基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)刻發(fā)生了突變,前后2段子序列均值有顯著差異,否則認(rèn)為沒有發(fā)生突變。

從圖4可以看出,1961—2010年溫家川站年平均流量滑動(dòng)t統(tǒng)計(jì)量有3處超過了0.05顯著水平的臨界值t0.05,分別是1979、1996—1999和2004年,此外1970年也接近于臨界值。

圖4　1961—2010年溫家川站年平均流量的滑動(dòng)t統(tǒng)計(jì)量曲線

這說(shuō)明1961年以來(lái)溫家川站年平均流量經(jīng)過3～4次較明顯的突變。這幾次突變中滑動(dòng)t統(tǒng)計(jì)量均為正值,說(shuō)明應(yīng)該是河道流量減少引起的突變。其中最明顯的是1998年的突變,t統(tǒng)計(jì)量超過了0.001顯著水平的臨界值5.04,說(shuō)明在該時(shí)間前后流量的變化趨勢(shì)發(fā)生了很大變化;1979年前后流量的變化趨勢(shì)也發(fā)生了較大變化;2004年后期數(shù)據(jù)較少,具體變化趨勢(shì)不明顯,可以忽略。因此近50 a來(lái)窟野河主要的流量突變點(diǎn)有1979和1998年2處。

3結(jié)果與分析

3.1降雨徑流變化分析

窟野河徑流以降水補(bǔ)給為主,約占徑流總量的70%(包括冰雪消融),地下水補(bǔ)給占30%?？咭昂恿饔蚪涤炅繓|多西少、南多北少,年際變化較大,多年平均降雨量為413.41 mm,最大年降雨量679.91 mm(1967年)是最小年降雨量190.19 mm(1965年)的3.57倍。由圖5可以看出,窟野河流域降雨量總體上呈現(xiàn)穩(wěn)中有降的變化趨勢(shì)。在20世紀(jì)80年代之前,窟野河徑流量和降雨量嚴(yán)格對(duì)應(yīng),兩者明顯相關(guān);20世紀(jì)80、90年代,窟野河降雨量變化不大,但是徑流量開始緩慢減少,兩者相關(guān)性減弱;從20世紀(jì)90年代末開始,窟野河降雨量略有減少,徑流量則大幅度減少,平均徑流量只有多年平均值的30%,兩者基本不存在明顯的相關(guān)性。由此可以得出,20世紀(jì)80年代之前降雨量等自然因素是窟野河徑流的主要影響因素,21世紀(jì)煤炭開采等人為因素開始顯著影響河道徑流。

圖5　1961—2010年窟野河流域年平均降雨量及溫家川站年平均徑流量對(duì)比

窟野河流域降雨量年內(nèi)分配極不均勻,大暴雨較多,其中汛期(7—9月)多年平均降雨量為261.09 mm,占全年降雨量的63%。因此窟野河徑流量年內(nèi)分配也極不均勻,變差系數(shù)(Cv)為0.65。由圖6可以看出,窟野河年內(nèi)徑流量的變化與降雨量密切相關(guān),徑流量集中于7—9月,8月最大。但是隨著時(shí)間的推移,汛期徑流量所占比例越來(lái)越小,由早期的63%降到近期的47%,窟野河徑流的大幅度減少主要發(fā)生在汛期。窟野河最小徑流出現(xiàn)在每年的12—次年2月,同期降雨量也很少;因河川冰雪消融有春汛,雖然同期降雨量也很少,3月窟野河平均徑流量仍達(dá)全年徑流量的13%?？咭昂恿饔蛘舭l(fā)損失較大,徑流系數(shù)不到0.2。

3.2徑流變化原因分析

筆者前期研究[14]表明,20世紀(jì)80年代前,降雨量等自然因素是窟野河徑流的主要影響因素;20世紀(jì)80、90年代,水土保持面積大幅度增加,除了降雨等自然因素,水土保持措施等人為因素也開始影響河道徑流;21世紀(jì),窟野河流域煤炭開采量的大幅增加與河道徑流的大幅減少相對(duì)應(yīng)(圖7)。

圖6　窟野河流域多年月平均降雨量及溫家川站多年月平均徑流量對(duì)比

圖7　窟野河流域煤炭開采量與河道徑流量對(duì)比

3.3結(jié)果

通過對(duì)比滑動(dòng)平均法和距平累積法對(duì)溫家川站年平均流量的分析結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)1961—2010年河道流量的突變主要有2處,分別是20世紀(jì)70年代末和90年代末。再結(jié)合Mann-Kendall檢驗(yàn)法和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法的分析結(jié)果,可以確定這2處突變點(diǎn)分別是1979和1998年。因此根據(jù)窟野河徑流的變化規(guī)律可以將其時(shí)間序列分為3個(gè)時(shí)期,分別是1961—1979、1980—1998和1999—2010年。

由表1可知,1961—1979年溫家川站平均年徑流量為7.38×108m3,變差系數(shù)Cv值為0.35;1980—1998年平均徑流量和多年平均值接近,為5.03×108m3,Cv值為0.27;1999—2010年平均徑流量突然降為1.65×108m3,較前一時(shí)期減少67 %,Cv值為0.19。3個(gè)時(shí)期的Cv值越來(lái)越小,說(shuō)明流量變化幅度減小;而且各個(gè)時(shí)期的Cv值都低于1961—2010年的Cv值0.55,這說(shuō)明將窟野河徑流時(shí)間序列劃分為3個(gè)時(shí)期是比較合理的。

表1溫家川站不同時(shí)期徑流量統(tǒng)計(jì)

Table 1Statistics of runoffs of various time periods monitored at the Wenjiachuan Hydrologic Station

年份平均徑流量/108m3變差系數(shù)Cv1961—19797.380.351980—19985.030.271999—20101.650.191961—20105.110.55

4結(jié)論

(1)由滑動(dòng)平均法和距平累計(jì)法計(jì)算可知,窟野河近50 a來(lái)徑流明顯減少,突變主要發(fā)生在20世紀(jì)70年代末和90年代末;徑流量由20世紀(jì)60、70年代的22 m3·s-1下降到80、90年代的15 m3·s-1,21世紀(jì)再大幅下降到5 m3·s-1左右。

(2)根據(jù)Mann-kendall檢驗(yàn)法和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法的對(duì)比分析可知,1961—2010年窟野河徑流的突變時(shí)間點(diǎn)為1979和1998年。據(jù)此可將該序列分為3個(gè)時(shí)期:1961—1979年徑流量大于多年平均流量,但呈現(xiàn)減少趨勢(shì);1980—1998年徑流量變化不大,基本等于多年平均流量;1999—2010年徑流量明顯減少,遠(yuǎn)小于多年平均流量。

(3)在窟野河徑流變化的長(zhǎng)序列中,1961—1979年降雨量等自然因素是河道徑流變化的主要影響因素;1980—1998年流域內(nèi)水土保持面積大幅增加,除了降雨等自然因素,水土保持等人為因素也開始顯著影響河道徑流;1999年以后,流域內(nèi)煤炭開采量的大幅增加與河道徑流的大幅減少相對(duì)應(yīng),煤炭開采開始顯著影響河道徑流。

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(責(zé)任編輯： 許素)

收稿日期：2015-07-20

基金項(xiàng)目：陜西省自然科學(xué)基金(2014JM2-5063);榆林市產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目(2014CXY-11);榆林學(xué)院博士科研啟動(dòng)基金(16GK07)

中圖分類號(hào)：X21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-4831(2016)04-0558-05

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.04.007

作者簡(jiǎn)介：吳喜軍(1979—),男,陜西榆林人,副教授,博士,主要研究方向?yàn)樗Y源保護(hù)及非點(diǎn)源污染。E-mail: wxj0826@163.com

Analysis and Diagnosis of Changes in Annual Runoff in Kuye River Valley in North Shaanxi.

WU Xi-jun1,2， LI Huai-en2， SUN Zhi-yong3, DONG Ying1

(1.Department of Architecture Engineering, Yulin University， Yulin 719000, China;2.State Key Laboratory Base of Eco-Hydraulic in Arid Area/ Institute of Water Resources and Hydro-Electric Engineering, Xi′an University of Technology, Xi′an 710048， China;3.Department of Energy Engineering, Yulin University, Yulin 119000, China)

Abstract:Based on the 1961-2010 data of the flow in the Kuye River monitored by and stored in the Wenjiachuan Hydrologic Station, changes in runoff flow in the past 5 decades were characterized with moving average method and cumulative anomaly method and abrupt junctions in the runoff sequence identified with Mann-Kendall test method and sliding t test method. Then runoff characteristics and times of abrupt junctions worked out with various methods were analyzed and compared, and main causes triggering changes in runoff discussed preliminarily. Results show that the past 5 decades witnessed the Kuye River declining in runoff. The runoff time sequence could roughly be divided into three periods: 1961-1979, 1980-1998 and 1999-2010. Human activities, especially the large-scale exploitation of coal mines early this century, has rendered a great impact on runoff in the Kuye River Valley.

Key words:Kuye River;runoff change;time series;Mann-Kendall test method;sliding t test method