呂 海 波

(1.渭南師范學(xué)院農(nóng)商學(xué)院，陜西 渭南714099;2.陜西省河流濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西渭南714099)

2002—2016年黃河龍門站與潼關(guān)站水位及流量變化特征

呂 海 波1，2

(1.渭南師范學(xué)院農(nóng)商學(xué)院，陜西 渭南714099;2.陜西省河流濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西渭南714099)

為研究黃河龍門至潼關(guān)段的水情變化，對(duì)2002—2016年黃河龍門站和潼關(guān)站水位和流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用Mann－Kendall法檢驗(yàn)其變化趨勢(shì)和突變點(diǎn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩站年內(nèi)水位和流量變化特點(diǎn)基本一致，龍門站豐水期較潼關(guān)站略長(zhǎng);過(guò)去15年兩站平均水位、平均流量波動(dòng)都小于年最高和最低值，兩站水位都有下降趨勢(shì)，其中:平均水位、最低水位通過(guò)99%顯著性檢驗(yàn)，而流量雖呈上升趨勢(shì)，但平均流量和最高流量上升并不明顯，Z值未通過(guò)檢驗(yàn);兩站變化趨勢(shì)突變點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn)，平均水位和平均流量突變點(diǎn)都在2003年，最高水位和最高流量?jī)烧径荚?003年和2014年，最低水位和最低流量均在2007年。由于地理位置不同，兩站水情特點(diǎn)有一定差異性和協(xié)同性。

水位和流量變化;Mann－Kendall法;突變點(diǎn)

0 引言

目前，全球氣候變暖已經(jīng)得到人們的普遍認(rèn)可，在此基礎(chǔ)上，氣候變化的區(qū)域響應(yīng)研究已經(jīng)廣受關(guān)注。在我國(guó)，有研究認(rèn)為氣候變化使我國(guó)西部夏季降水變率加大，造成黃河水位變化頻率和幅度加大［1］，我國(guó)西部降水變化直接影響到黃河水位水情狀況，進(jìn)而影響西部生態(tài)用水問(wèn)題，因而受到關(guān)注。劉勤等［2］通過(guò)各月氣溫降水?dāng)?shù)據(jù)探討了近50年來(lái)黃河流域氣溫和降水量變化趨勢(shì)特征，發(fā)現(xiàn)黃河流域降水具有上游地區(qū)增多、中游地區(qū)減少的特點(diǎn);陳磊等［3］分析了黃河流域季節(jié)降水的空間分布以及年內(nèi)年際分配特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)黃河流域季節(jié)降雨減少趨勢(shì)的強(qiáng)度大于增加趨勢(shì)，且大多數(shù)站點(diǎn)季節(jié)降水序列的未來(lái)趨勢(shì)與過(guò)去趨勢(shì)相反;姚文藝等［4］利用黃河上中游干支流水文泥沙定位觀測(cè)資料對(duì)黃河流域1997—2006年水沙變化情勢(shì)進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)黃河河源區(qū)徑流量年均減少43.90億m3，預(yù)測(cè)2050年以前黃河來(lái)水、來(lái)沙量總體呈平偏枯趨勢(shì)。陜西韓城的龍門是晉陜峽谷的南口，龍門以上，黃河穿行在深邃的峽谷之中，水面總比降將在1‰左右，以下則黃河河谷驟然展寬為4～10 km的河谷漫灘，流經(jīng)汾渭階地平原河段，黃河龍門至潼關(guān)段水文條件特殊，濕地資源極為豐富，同時(shí)也屬于三門峽庫(kù)區(qū)，研究本段水情變化，可以評(píng)價(jià)近年來(lái)黃河上中游水文變化趨勢(shì)，也有助于評(píng)價(jià)黃河水位變化對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成的影響。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河龍門—潼關(guān)河段河道長(zhǎng)132.5 km，全河段呈藕節(jié)狀，平均河寬8.5 km，河道總落差52 m，縱比降上陡下緩，使得該河段河道成為天然的滯洪滯沙區(qū)。本段黃河游蕩性較強(qiáng)，兩岸灘地較多，存在大量魚塘、荷塘及人工灌溉設(shè)施，濕地資源極為豐富。該段處于半濕潤(rùn)半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，光照充足，雨量適宜，有洛河、渭河及汾河等主要支流注入。

1.2 研究方法

對(duì)黃河龍門站和潼關(guān)站2002—2016年間每日水位和流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用Mann－Kendall法檢驗(yàn)?zāi)觌H變化趨勢(shì)及突變點(diǎn)。

Mann－Kendall法［5－6］是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，被廣泛應(yīng)用于氣象與水文的時(shí)間序列趨勢(shì)研究。Mann－Kendall法檢驗(yàn)結(jié)果給出Z值:在給定的顯著性水平上，Z值大于0時(shí)呈上升趨勢(shì)，Z值小于0時(shí)呈下降趨勢(shì)。同時(shí)，非參數(shù)Mann－Kendall法還可用于對(duì)時(shí)間序列突變點(diǎn)和突變區(qū)域進(jìn)行檢驗(yàn)，具體計(jì)算公式見文獻(xiàn)［6］。分析繪出UFk和UBk曲線圖，若UFk或UBk的值大于0，則表明序列呈上升趨勢(shì)，小于0則表明呈下降趨勢(shì)。當(dāng)它們超過(guò)臨界直線時(shí)，表明上升或下降趨勢(shì)顯著。超過(guò)臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域。如果UFk和 UBk兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變開始的時(shí)間。

圖1 潼關(guān)站和龍門站水位流量年際變化

2 研究結(jié)果

2.1 潼關(guān)站和龍門站水位流量年際變化特征

潼關(guān)站2002—2016年期間水位年均值整體呈下降趨勢(shì)(見圖1)，15年下降了0.921 m，年均最高水位值波動(dòng)中下降，變化幅度較大(1.42 m)，2003年與2011年分別出現(xiàn)高值，年均最低水位呈波動(dòng)式下降，變化幅度為1.11 m。而龍門站平均水位和最低水位基本呈下降趨勢(shì)，二者在2002—2005年有些許上升，2005年后逐年下降，最高水位雖整體呈下降趨勢(shì)，但在2005年后波動(dòng)頻繁，年平均、最高和最低變化幅度分別為3.25 m、3.37 m和3.39 m。龍門站水位變幅遠(yuǎn)高于潼關(guān)站，二者年平均最高水位的變化特點(diǎn)比平均和最低復(fù)雜，且變化幅度很大。

潼關(guān)站2002—2016年平均流量變化較為平穩(wěn)(見圖1)，在2003年和2012年有一高值，2012年之后呈逐年下降趨勢(shì)，最高值和最低值波動(dòng)劇烈，但變化趨勢(shì)基本一致，2009年流量最低值和最高值都呈谷值，2011—2013 年都呈峰值表現(xiàn)，15 年平均、最高和最低變化幅度為 574.16 m3/s、3 940.00 m3/s和 227.00 m3/s。龍門站流量特點(diǎn)與潼關(guān)站類似，均值在2012年有一高值，最高值在2012—2014年呈峰值表現(xiàn)，最低值在2012年呈峰值，二者波動(dòng)都較大，平均、最高和最低變化幅度分別為510.93 m3/s、6 150.00 m3/s、102.00 m3/s。龍門站流量平均值和最高值遠(yuǎn)大于潼關(guān)站，但最低值小于潼關(guān)。

潼關(guān)站和龍門站水位變化基本呈下降趨勢(shì)，潼關(guān)站水位變化幅度小于龍門站，但流量變化沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，潼關(guān)站流量年平均和最高值變幅小于龍門站，但最低值大于后者。

2.2 潼關(guān)站和龍門站日均水位流量變化特征

潼關(guān)站2002—2016年間日平均水位有兩個(gè)高值(見圖2)，一年中3月上旬至4月下旬、7月底到10月底水位高于年平均值，其他時(shí)間則低于平均值。龍門站水位特點(diǎn)與潼關(guān)站基本一致，差別在于第一次水位上漲時(shí)間較早，1月底水位開始高于平均值。

流量變化特點(diǎn)類似于水位，潼關(guān)站在3月底到4月初、7月底到10月底，龍門站在3月初到4月底、7月中旬到10月底流量高于平均值，為豐水期。從年內(nèi)水位及流量變化來(lái)看，龍門站第一次豐水期時(shí)間要早于潼關(guān)站，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，第二次豐水期兩站特點(diǎn)較為一致。

圖2 潼關(guān)站和龍門站日均水位流量變化

2.3 Mann－Kendall法檢驗(yàn)

對(duì)兩站年均、年最高和年最低水位、流量進(jìn)行Mann－Kendall法檢驗(yàn)(見表 1)，發(fā)現(xiàn)過(guò)去15年兩站水位Z值都為負(fù)值，其中平均和最小都通過(guò)99%顯著性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明兩站年平均和最低水位都有顯著降低趨勢(shì);兩站流量Z值都為正值，但平均和最大未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，年最小流量潼關(guān)站和龍門站分別通過(guò)95%和99%顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明呈顯著增加趨勢(shì)。

表1 Mann－Kendall法檢驗(yàn)結(jié)果

2.4 Mann－Kendall突變性檢驗(yàn)

利用Mann－Kendall突變性檢驗(yàn)分析兩站年平均、最高和最低水位及流量的突變特征，結(jié)果見圖3。

圖3 兩站年平均水位流量Mann－Kendall突變性檢驗(yàn)

2.4.1 兩站年平均水位、流量突變性檢驗(yàn)

從圖3可以看出，潼關(guān)站水位UF線除了2003年和2011年有上升趨勢(shì)之外，2002—2016年平均水位基本呈逐年下降趨勢(shì)，M－K突變點(diǎn)有2個(gè)，分別為2008年和2010年。龍門站UF值在2002—2005年逐年升高，2005—2016年則逐漸下降，說(shuō)明龍門站水位先升后降。UF線和UB線在2013年相交，其位置處于±U2.58之間，通過(guò) a=0.05 檢驗(yàn)，2013 年為突變點(diǎn)。

潼關(guān)站流量UF線在2005年以前有1次波動(dòng)，先升后降，2005—2014年則呈逐年上升趨勢(shì)，2014—2016年則逐漸下降，與UB線相交有3處，結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)，確定2003年為突變點(diǎn)。龍門站UF線表現(xiàn)與潼關(guān)站類似，2004年前有1次波動(dòng)，2004—2013年呈波動(dòng)式上升，2013—2016年則逐漸下降。在2003年UF與UB曲線相交，為突變點(diǎn)。

圖4 兩站年最高水位、流量突變檢驗(yàn)

圖5 兩站年最低水位、流量突變檢驗(yàn)

2.4.2 兩站年最高水位、流量突變檢驗(yàn)

潼關(guān)站最高水位UF曲線(見圖4)表現(xiàn)出升—降—升—降的波動(dòng)變化，其中:2006—2013年最高水位逐年增加，在2013年后又開始減少。UF線與UB線有3處相交，與t滑動(dòng)檢驗(yàn)對(duì)比，確定2003年與2014年為突變點(diǎn)。龍門站年最高水位UF線在2010年以前有波動(dòng)上升趨勢(shì)，2010年以后則波動(dòng)下降，與UB線相較于2014年，確定其為突變點(diǎn)。

潼關(guān)站最大流量UF線2002—2005年先升后降，2005—2014年逐年上升，2014—2016年則逐漸下降。與UB線相交有3點(diǎn)，結(jié)合t滑動(dòng)檢驗(yàn)，確定2003年為突變點(diǎn)。龍門站最大流量線在2012年之前整體呈上升趨勢(shì)，2014—2016年則明顯下降，經(jīng)檢驗(yàn)，突變點(diǎn)為2003年與2014年。

2.4.3 兩站年最低水位、流量突變檢驗(yàn)

潼關(guān)站過(guò)去15年最低流量UF線呈波動(dòng)式特點(diǎn)(見圖5)，總體有上升趨勢(shì)，2006年和2015年出現(xiàn)兩個(gè)高值，2016年略有下降。與UB線相對(duì)比，交點(diǎn)有3個(gè)，分別在2006、2007、2010年，結(jié)合t滑動(dòng)檢驗(yàn)，確定2007年為突變點(diǎn)。龍門站最低水位UF線整體逐年上升，與UB線相交于2007年，確定為突變點(diǎn)。

潼關(guān)站最低水位UF線在2005年前有1次波動(dòng)，整體呈下降趨勢(shì)，與UB線相交于2007年，確定為突變點(diǎn)。龍門站UF線在2005年前逐年上升，2005—2016年則呈明顯下降趨勢(shì)，與UB線相交于2012年，確定為突變點(diǎn)。

3 討論

3.1 潼關(guān)站和龍門站水位和流量年際變化特點(diǎn)

潼關(guān)站和龍門站水位和流量變化具有一定的協(xié)同性，兩站平均流量在2012年都出現(xiàn)峰值，最高流量在2012—2013年都出現(xiàn)峰值，相對(duì)于流量，兩站水位變化共同性不多，這緣于兩站所處地理位置不同所引起的。龍門站位于黃河峽谷出口處，兩面有大山，河寬不足40 m，流量直接決定了水位的漲跌，龍門站以下至潼關(guān)站黃河進(jìn)入漫灘緩流階段，流量變化由于河寬的因素使得對(duì)水位的影響并不明顯，雖然流量在兩站有一定的協(xié)同性，但水位并未出現(xiàn)這一特點(diǎn)，這一河段由于多條支流的加入以及每年大量引黃灌溉加大了兩站水位變化的差異。

Mann－Kendall法檢驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩站過(guò)去15年水位呈顯著下降趨勢(shì)，流量Z雖然大于0，但除最低流量外，平均和最高流量都未滿足顯著檢驗(yàn)。這一結(jié)果可能是水位降低增加了河流比降，導(dǎo)致流量稍有增加引起，但具體結(jié)論仍需進(jìn)一步論證。黃河龍門至潼關(guān)河段縱比降上陡下緩，使得該河段河道成為天然的滯洪滯沙區(qū)，是黃河干流上出現(xiàn)“揭河底”沖刷次數(shù)最多的河段［7］?！敖液拥住爆F(xiàn)象不僅會(huì)加深河深，使得水位下降，還能夠加大這一河段的河流比降，使得龍門站流速加大、水位降低，Mann－Kendall法檢驗(yàn)結(jié)果中龍門流量Z值比潼關(guān)段大，說(shuō)明其流量增加幅度比潼關(guān)站要大。

本研究中雖然水位和流量變化趨勢(shì)相反，但流量的增加證據(jù)并不足，一方面由于兩站之間復(fù)雜的影響因素;另一方面，由于2012年黃河發(fā)生自1986年以來(lái)最大的一次洪水，數(shù)據(jù)的異常高值會(huì)干擾數(shù)據(jù)的分析結(jié)果［8］。

3.2 潼關(guān)站和龍門站水位和流量年內(nèi)變化特點(diǎn)

兩站每年水位和流量變化是受黃河補(bǔ)水規(guī)律影響的，第一次為上游積雪融水加大凌汛到來(lái)引起，第二次則為降水增加所引起。龍門站豐水季節(jié)早于潼關(guān)站，是由兩站河寬不同造成的，龍門站水位對(duì)凌汛到來(lái)的響應(yīng)較為敏感，再加上兩站之間黃河河寬加大、流速減慢、滲透增強(qiáng)、春季黃河引水灌溉量增加等的影響，導(dǎo)致潼關(guān)站略滯后于龍門站。

3.3 基于Mann－Kendall法檢驗(yàn)突變點(diǎn)

突變點(diǎn)時(shí)段在兩站存在相同的年份，如兩站平均流量、最高水位、最高流量、最低水位，但也存在不同的情況，如平均水位和最低流量。平均水位和平均流量突變點(diǎn)都在2003年，最高水位和最高流量?jī)烧径荚?003年和2014年，由于2012年黃河洪水的影響，龍門站最低水位突變點(diǎn)在2012年，除此之外，兩站水位流量最高值多在2007年。兩站由于位置不同，河寬、灌溉、水情及下游水庫(kù)水量調(diào)節(jié)等因素的影響使兩站變化趨勢(shì)突變點(diǎn)有所不同(見表2)。

表2 兩站Mann－Kendall法檢驗(yàn)突變點(diǎn)年份

4 結(jié)語(yǔ)

(1)兩站年內(nèi)水位和流量變化特點(diǎn)基本一致，每年出現(xiàn)兩次高值，即3—4月、7—10月，但龍門站特征值開始時(shí)間略早于潼關(guān)站，結(jié)束時(shí)間略晚于潼關(guān)站。

(2)2002—2016年間，潼關(guān)站和龍門站平均水位、平均流量變化較為平穩(wěn)，其波動(dòng)變幅小于年最高和最低值，水位與流量最高值變動(dòng)最為頻繁且變幅較大。潼關(guān)站在2003年和2011年最高水位出現(xiàn)峰值，龍門站水位在2005年后波動(dòng)下降。潼關(guān)站流量最高值、最低值在2009年出現(xiàn)谷值，2011—2013年出現(xiàn)峰值，龍門站最高流量則在2012—2014年出現(xiàn)峰值，最低流量在2012年出現(xiàn)峰值。

(3)Mann－Kendall法檢驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2002—2016年間，兩站水位都有下降趨勢(shì)，其中:平均水位、最低水位通過(guò)99%顯著性檢驗(yàn)，而流量則都呈上升趨勢(shì)，但平均流量和最高流量上升并不明顯，Z值未通過(guò)檢驗(yàn)。兩站變化趨勢(shì)突變點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn)，平均水位和平均流量突變點(diǎn)都在2003年，最高水位和最高流量?jī)烧径荚?003年和2014年，最低水位和最低流量則在2007年。

［1］張文，壽紹文，楊金虎，等.近45a來(lái)中國(guó)西北汛期降水極值的變化分析［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2007，(12):126－132.

［2］劉勤，嚴(yán)昌榮，張燕卿，等.近50年黃河流域氣溫和降水量變化特征分析［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2012，(4):475－480.

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［4］姚文藝，冉大川，陳江南.黃河流域近期水沙變化及其趨勢(shì)預(yù)測(cè)［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2013，(5):607－616.

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［8］國(guó)家防汛抗旱總指揮部辦公室.黃河上游迎 20 年來(lái)最大洪水［EB/OL］.中國(guó)新聞網(wǎng).(2012－07－27) ［2016－11－27］.http://www.docin.com/p－647578092.html.

Characteristics of Water Level and Runoff Variations in Longmen Station and Tongguan Station of the Yellow River in 2002—2016

LV Hai－bo1，2
(1.School of Agriculture and Business，Weinan Normal University，Weinan 714099，China;2.Key Laboratory for Eco－Environment of Multi－river Wetlands in Shaanxi Province，Weinan 714099，China)

To study hydrological characteristics of Longmen－Tongguan river reach in the Yellow River，this paper analyzed water level and Runoff data of the two gauging stations from 2002 to 2016，Mann－Kendall method was used to test the change tendency and mutation point.It is found that though the annual average water level and runoff characteristics of two stations kept almost same，the high flow period of Longmen station was longer than that of Tongguan station;over the past 15 years，the fluctuations of both average water level and runoff were less than those of the maximum and minimum for both two stations，and water levels uniformly suggested decline trend.Average and minimum water level passed 99%significance test，although flow suggested rising trend，maximum and average runoff rate had no obvious increase trend，and the Z value did not pass inspection;trends mutation point analysis suggested that the mutation point was the year 2003 for average water level and average runoff，2003 and 2014 for highest，2007 for minimum for both stations.Due to different geographical position，the hydrologic characteristics of two stations have certain otherness and cooperativity.

water level and runoff variations;Mann－Kendall method;mutation point

P468

A

1009－5128(2017)24－0026－07

2017－04－01

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目:水位變化對(duì)蘆葦濕地土壤呼吸及貢獻(xiàn)率影響研究(16JS033);陜西省水利廳抗旱專項(xiàng)項(xiàng)目:陜西省黃河小北干流區(qū)域生態(tài)抗旱對(duì)策研究(2015slkj－26);渭南師范學(xué)院自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目:黃河灘地農(nóng)田犁底層對(duì)水肥運(yùn)移的影響(15ZRRC12);渭南師范學(xué)院自然科學(xué)研究一般項(xiàng)目:蘆葦濕地帶狀廢水排放造成的重金屬土壤擴(kuò)散及相應(yīng)特征(14YKS004)

呂海波(1980—)，男，山西永濟(jì)人，渭南師范學(xué)院農(nóng)商學(xué)院副教授，理學(xué)博士，主要從事氣候變化研究。

【責(zé)任編輯 馬小俠】