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)水利工程國家重點實驗室培育基地/ 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)水利工程國家重點實驗室培育基地/ 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，采用滑動平均法、距平累積法分析了近50 a來徑流序列的變化特征，采用Mann-Kendall檢驗法和滑動t檢驗法確定了徑流序列的突變點，并將各種方法得出的徑流變化特征及突變時間進行分析和對比，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來流量明顯減少，徑流時間序列可以大致劃分為1961—1979、1980—1998和1999—2010年 3個時期，人類活動特別是21世紀以來煤炭資源的大規(guī)模開采對窟野河流量減少有重要影響。

關(guān)鍵詞：窟野河；徑流變化；時間序列；Mann-kendall檢驗法；滑動t檢驗法

自20世紀以來,由于氣候變化和人類活動的影響,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]對于環(huán)境變化下河川徑流變化檢測的研究表明,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源區(qū)的降雨變化對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]提出未來需要重點加強水循環(huán)要素時空變異特征的診斷研究。

陜北地區(qū)水資源嚴重短缺,窟野河流域作為大型煤炭開采區(qū),是典型的受人類活動影響區(qū)域。目前對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別[5-6],徑流變化特征研究不夠深入,時間序列較短,方法單一。河道徑流變化特征研究是后期徑流影響因素識別的基礎(chǔ)，為此,筆者采用多種方法對位于煤炭開采區(qū)的窟野河1961—2010年平均徑流序列進行分析和診斷。

1研究區(qū)概況

窟野河是黃河中游的一級支流,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,該時段水土保持面積占比由15%增加到40%左右[7]。窟野河流域多年平均降雨量為413.41 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80、90年代平均年煤炭開采量為312萬t,1998年首次超過1 000萬t,之后開始大規(guī)模開采,2010年達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)來自于黃河水利委員會出版的《黃河流域水文年鑒》[8]。 分別采用滑動平均法、距平累積法、Mann-Kendall檢驗法和滑動t檢驗法對窟野河年平均徑流序列進行分析,以期找出其變化特征及突變時間。

2.1滑動平均法

滑動平均法是一種簡單的平滑預(yù)測方法[9],其計算公式為

(1)

式(1)中,yi為i點的滑動平均值;xj+i為j+i點的序列值;k為單側(cè)平滑時距;2k+1為滑動長度。

根據(jù)樣本數(shù)量選取適當?shù)膋值,將原序列中的高頻振蕩加以平均,從而反映序列的長期變化趨勢。取k=2,對窟野河溫家川站徑流序列進行5 a滑動平均,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滑動平均曲線

由圖1可以看出,近50 a來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,20世紀60年代末和70年代末流量較大;之后流量明顯下降,20世紀80、90年代在15 m3·s-1左右波動,接近多年平均流量;20世紀90年代末,流量再次大幅下降后保持在5 m3·s-1左右,5 a滑動平均流量與實際流量基本相同。

2.2累積距平法

應(yīng)用累積距平法時,如果累積距平曲線呈上升趨勢,即距平值增加,則該時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在某一時刻t的累積距平可以表示為

(2)

(3)

圖2顯示,20世紀60、70年代累積距平曲線呈明顯上升趨勢,但是越來越平緩,說明這一時期溫家川站流量大于平均流量,但是有減少的趨勢;20世紀80年代和90年代前期變化比較平穩(wěn),說明這一時期的流量和平均流量接近,累積距平未再增加;20世紀90年代后期累積距平曲線呈明顯下降趨勢,說明這一時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檢驗法

曼-肯德爾(Mann-Kendall)檢驗法的優(yōu)點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,計算過程簡便[11]。若時間序列x具有n個樣本,則其秩序列為

(4)

(5)

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

假設(shè)時間序列隨機獨立,定義統(tǒng)計量如下:

(6)

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

(7)

var(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72。

(8)

式(6)～(8)中,Sk為檢驗統(tǒng)計量;UFk為Mann-Kendall統(tǒng)計量,UF1=0。UFk為標準正態(tài)分布,在給定顯著性水平α的情況下,若|UFk|>Uα,表明該序列趨勢發(fā)生顯著變化。

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

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

UFk為Mann-Kendall統(tǒng)計量；UBk為將時間序列逆序排列后計算的Mann-Kendall統(tǒng)計量。

由圖3可見,自1961年以來,UFk基本都小于0,說明溫家川年平均流量一直呈遞減趨勢。20世紀60年代末和70年代末有2次峰值,這與滑動距平法的計算結(jié)果相一致;20世紀80年代以來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)計量達-6.10,表明1998年后溫家川年平均流量下降趨勢顯著。因此可以確定,1998年以來溫家川年平均流量下降為突變現(xiàn)象。

2.4滑動t檢驗法

(9)

(10)

方程遵從自由度v=n1+n2-2的t分布。

采用該方法對溫家川年平均流量進行檢驗,選擇2段子序列長度n1=n2=5,通過連續(xù)設(shè)置基準點,按照式(9)～(10)計算其統(tǒng)計量。顯著性水平α=0.05對應(yīng)的臨界值為t0.05=2.31,如果|ti|>tα,則表示在基準點時刻發(fā)生了突變,前后2段子序列均值有顯著差異,否則認為沒有發(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t統(tǒng)計量有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t統(tǒng)計量曲線

這說明1961年以來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t統(tǒng)計量均為正值,說明應(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)計量超過了0.001顯著水平的臨界值5.04,說明在該時間前后流量的變化趨勢發(fā)生了很大變化;1979年前后流量的變化趨勢也發(fā)生了較大變化;2004年后期數(shù)據(jù)較少,具體變化趨勢不明顯,可以忽略。因此近50 a來窟野河主要的流量突變點有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給為主,約占徑流總量的70%(包括冰雪消融),地下水補給占30%。窟野河流域降雨量東多西少、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。在20世紀80年代之前,窟野河徑流量和降雨量嚴格對應(yīng),兩者明顯相關(guān);20世紀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。但是隨著時間的推移,汛期徑流量所占比例越來越小,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?？咭昂幼钚搅鞒霈F(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,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比

圖7　窟野河流域煤炭開采量與河道徑流量對比

3.3結(jié)果

通過對比滑動平均法和距平累積法對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70年代末和90年代末。再結(jié)合Mann-Kendall檢驗法和滑動t檢驗法的分析結(jié)果,可以確定這2處突變點分別是1979和1998年。因此根據(jù)窟野河徑流的變化規(guī)律可以將其時間序列分為3個時期,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,較前一時期減少67 %,Cv值為0.19。3個時期的Cv值越來越小,說明流量變化幅度減小;而且各個時期的Cv值都低于1961—2010年的Cv值0.55,這說明將窟野河徑流時間序列劃分為3個時期是比較合理的。

表1溫家川站不同時期徑流量統(tǒng)計

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

(2)根據(jù)Mann-kendall檢驗法和滑動t檢驗法的對比分析可知,1961—2010年窟野河徑流的突變時間點為1979和1998年。據(jù)此可將該序列分為3個時期:1961—1979年徑流量大于多年平均流量,但呈現(xiàn)減少趨勢;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,遠小于多年平均流量。

(3)在窟野河徑流變化的長序列中,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應(yīng),煤炭開采開始顯著影響河道徑流。

參考文獻：

[1]劉昌明,張學(xué)成.黃河干流實際來水量不斷減少的成因分析[J].地理學(xué)報,2004,59(3):323-330.

[2]ZHANG Z X,CHEN X,XU C Y,etal.Evaluating the Non-Stationary Relationship Between Precipitation and Stream Flow in Nine Major Basins of China During the Past 50 Years[J].Journal of Hydrology,2011,409(1/2):81-93.

[3]粟曉玲,康紹忠,魏曉妹,等.氣候變化和人類活動對渭河流域入黃徑流的影響[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007，35(2):153-159.

[4]宋曉猛,張建云,占車生,等.氣候變化和人類活動對水文循環(huán)影響研究進展[J].水利學(xué)報,2013,44(7):779-790.

[5]郭巧玲,陳新華,劉培旺,等.窟野河流域徑流變化及人類活動對其的影響率[J].水土保持通報,2014,34(4):110-113.

[6]張思鋒,馬策,張立.榆林大柳塔礦區(qū)烏蘭木倫河徑流量衰減的影響因素分析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2011,31(4):889-896.

[7]張東海,任志遠,王曉峰,等.基于 ENJIO 的陜西黃土高原植被覆蓋度變化特征及其驅(qū)動分析[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報，2013,29(1):29-35.

[8]黃河水利委員會.黃河流域水文年鑒[M].鄭州:黃河水利出版社,1960—2010.

[9]赫振平,趙春.桑干河流域徑流年際變化規(guī)律[J].水資源保護,2011,27(3):54-57.

[10]翟曉麗.關(guān)中盆地降水變化趨勢研究[D].西安:西安科技大學(xué),2012.

[11]HAMED K H.Trend Detection in Hydrologic Data:The Mann-Kendall Trend Test Under the Scaling Hypothesis[J].Journal of Hydrology,2008,349(3/4):350-363.

[12]李如意,趙景波.陜西商州近 60 a 極端氣溫變化[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報，2015,31(1):30-38.

[13]蔡霞.晉北地區(qū)降水量時空變化及突變分析[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2012,30(2):247-254.

[14]吳喜軍,李懷恩,董穎,等.陜北地區(qū)煤炭開采等人類活動對河道徑流影響的定量識別[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2014,34(3):772-780.

(責任編輯： 許素)

收稿日期：2015-07-20

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

中圖分類號：X21

文獻標志碼：A

文章編號：1673-4831(2016)04-0558-05

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.04.007

作者簡介：吳喜軍(1979—),男,陜西榆林人,副教授,博士,主要研究方向為水資源保護及非點源污染。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