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(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，遼寧沈陽110161)

徑流是流域水文循環(huán)的重要組成，對(duì)流域水資源的開發(fā)利用起著決定性的作用。隨著全球性的氣候變化以及人類活動(dòng)對(duì)自然的干預(yù)程度加強(qiáng)，流域內(nèi)的徑流發(fā)生了顯著的變化，直接影響了流域水資源的配置和合理開發(fā)利用[1]。研究近幾十年來流域徑流變化的過程，不僅有助于認(rèn)識(shí)流域水循環(huán)對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)，同時(shí)對(duì)流域內(nèi)水資源的規(guī)劃、利用和管理都具有重要意義[2-4]。蒲河是沈陽市直接管理的河道長(zhǎng)度最長(zhǎng)、流域面積最大的中型河流。隨著蒲河生態(tài)廊道建設(shè)整體規(guī)劃的提出，蒲河成為沈陽乃至遼寧經(jīng)濟(jì)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。改善蒲河生態(tài)環(huán)境，建立蒲河水系連通是建設(shè)蒲河生態(tài)帶，未來提升為經(jīng)濟(jì)帶的前提。而現(xiàn)有研究中，對(duì)蒲河流域徑流特性及影響因素分析研究較少。鑒于此，本文以蒲河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，基于蒲河流域內(nèi)沈陽站1975年以來近40 a的降雨、徑流長(zhǎng)系列資料，應(yīng)用線性回歸分析、滑動(dòng)平均、M-K檢驗(yàn)法、累積距平曲線、方差分析法和雙累積曲線法對(duì)蒲河流域的徑流變化及影響因素進(jìn)行討論，為蒲河流域發(fā)展提供數(shù)據(jù)參考。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

蒲河是沈陽市第四大河流，隸屬于渾河水系，是渾河下游右岸最大支流。蒲河發(fā)源于鐵嶺縣橫道河子鄉(xiāng)想兒山，從東北流向西南，流經(jīng)鐵嶺、沈北新區(qū)、東陵、于洪、新民市和遼中縣區(qū)，于遼中縣老觀坨鄉(xiāng)黑魚溝流入渾河，全長(zhǎng)205 km，流域面積2 496 km2。流域內(nèi)自上而下有棋盤山水庫、東陵、裕國、沈陽、大河泡和遼中等水文站，其中，沈陽水文站位于蒲河流域中部，是流域內(nèi)建站歷史最長(zhǎng)，擁有降雨、徑流資料最全的水文站，是研究蒲河流域降雨、徑流歷史變化的理想站點(diǎn)。本文收集蒲河流域沈陽站1975年以來近40 a降雨、徑流資料，分析計(jì)算蒲河流域徑流年內(nèi)年際變化規(guī)律，判斷徑流變化趨勢(shì)，同時(shí)對(duì)影響蒲河流域徑流變化的因素進(jìn)行討論。

1.2 研究方法

本文采用線性回歸分析法和滑動(dòng)平均法判斷徑流和降雨整體變化趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上通過M-K檢驗(yàn)判斷趨勢(shì)性是否明顯。為了更明顯地分辨徑流年際變化階段，采用累積距平曲線判斷徑流階段趨勢(shì)，通過方差分析法判斷徑流周期性。采用雙累積曲線法分析不同階段降雨及人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 徑流變化趨勢(shì)分析

2.1.1徑流年內(nèi)變化

蒲河流域沈陽站多年平均月徑流年內(nèi)分配統(tǒng)計(jì)見表1。由表1可知，蒲河流域8月徑流最大，占全年徑流的27.3%，2月徑流最小，占全年徑流的1.7%，最大一個(gè)月的徑流為最小一個(gè)月徑流的16倍。年內(nèi)各月徑流分配不均，徑流主要集中于5—8月，1—3月徑流較小。

進(jìn)一步分析蒲河流域徑流的季節(jié)變化，將多年的沈陽站實(shí)測(cè)徑流資料時(shí)間序列按照春、夏、秋、冬4個(gè)時(shí)段劃分，并計(jì)算每個(gè)時(shí)段的多年平均值。從表1可知，蒲河流域的夏季徑流大于其他季節(jié)，呈現(xiàn)夏季(6—8月)>春季(3—5月)>秋季(9—11月)>冬季(12月至次年2月)的特點(diǎn)，其中夏季徑流占全年徑流的56.9%，春季徑流占全年徑流的23.2%，秋季徑流占全年徑流的13.5%，冬季徑流占全年徑流的6.5%。

表1 沈陽站多年平均月徑流年內(nèi)分配統(tǒng)計(jì)

2.1.2徑流年際變化

流域徑流年際變化的總體特征通常采用變差系數(shù)、模比系數(shù)和年際極值比來表示[5]。蒲河流域徑流年際變化特征值計(jì)算結(jié)果見表2。由表2可知，沈陽站年徑流的最大值為4 838.07×106m3，最小值為428.55×106m3，徑流最大值與最小值分別出現(xiàn)在2010年與2001年。徑流的多年均值為1 408.6×106m3，徑流最大值與徑流多年平均值的模比系數(shù)為3.43，徑流最小值與徑流多年平均值的模比系數(shù)為0.3，年際極值比為11.29，變差系數(shù)為0.76。由于徑流變差系數(shù)及年際極值比的數(shù)值比較大，說明蒲河流域徑流的年際豐枯變化劇烈，變化不均勻。

表2 徑流年際變化特征值

2.1.3徑流變化趨勢(shì)分析

根據(jù)沈陽站多年實(shí)測(cè)徑流資料，繪制年徑流曲線，利用線性回歸分析法和五年滑動(dòng)平均法對(duì)沈陽站徑流時(shí)間序列進(jìn)行趨勢(shì)分析。趨勢(shì)分析結(jié)果見圖1。由圖1可以看出蒲河流域年均徑流處在豐枯交替的不斷變化中，但總的趨勢(shì)是遞增的。為了判斷徑流的遞增趨勢(shì)是否明顯，本文采用Mann-Kendall趨勢(shì)分析法，選用置信水平α= 0.05。經(jīng)計(jì)算，Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為0.8，表明徑流呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，與線性回歸分析和滑動(dòng)平均法檢驗(yàn)的結(jié)果一致。但是由于其絕對(duì)值小于臨界值1.64，表明徑流遞增趨勢(shì)不顯著。

2.1.4徑流階段趨勢(shì)分析

為分析徑流的年際變化階段，繪制了蒲河流域沈陽站徑流累積距平曲線。當(dāng)徑流處于枯水期時(shí)，累積距平曲線低于多年平均水平，累積距平過程線向下波動(dòng)；當(dāng)徑流進(jìn)入平水期時(shí)，徑流在多年平均值上下波動(dòng)，累積距平過程線呈現(xiàn)水平；當(dāng)徑流處于豐水期時(shí)，累積距平曲線高于多年平均水平，累積距平過程線上升[6]。根據(jù)蒲河流域沈陽站多年實(shí)測(cè)徑流資料繪制累積距平曲線見圖2。

從圖2可知，蒲河流域近40 a天然徑流序列大致可以分為如下階段：4個(gè)顯著的枯水期為1975—1984、1987—1993、1996—2004、2005—2009年。3個(gè)顯著的豐水期為：1984—1987、1993—1996、2009—2010年，無表現(xiàn)出豐枯轉(zhuǎn)換顯著的平水期。從圖2中還可以發(fā)現(xiàn)，年徑流累積距平是負(fù)距平占主導(dǎo)地位，說明蒲河流域天然徑流年際之間持續(xù)枯水的時(shí)段要大于持續(xù)豐水的時(shí)段。

2.1.5徑流的周期分析

蒲河流域年徑流的多年變化具有一定的周期性，對(duì)蒲河流域沈陽站年徑流序列進(jìn)行方差分析，可以得到其主要周期，蒲河流域年徑流周期分析見表3。根據(jù)表3數(shù)據(jù)繪制方差比值見圖3。由表3及圖3可知，蒲河流域徑流變化周期大致為5 a和10 a。

表3 徑流不同周期下方差比計(jì)算結(jié)果

2.2 徑流變化影響因素分析

2.2.1降雨影響分析

1975年以來的近40 a中，蒲河流域降雨的多年均值為659.16 mm，降雨的最大值為1 052.9 mm，最小值為404.1 mm，降雨的年際極值比為2.61，降雨年際變化不大，說明蒲河流域降雨的年際豐枯變化并不劇烈。

為分析降雨對(duì)徑流變化的影響，繪制蒲河流域年降雨和年徑流分期變化曲線，見圖4、5。從圖4可以看出：在1994年以前，降雨與徑流兩者趨勢(shì)變化具有一定的同步性，年徑流隨著年降雨的增減變化而變化，因此降雨是影響徑流變化的主要因素；從圖5可以看出1995年以后，在全流域年降雨具有減小趨勢(shì)條件下，年徑流出現(xiàn)上升趨勢(shì)，表明降雨對(duì)徑流的影響在不斷減弱，人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響逐漸加強(qiáng)。

2.2.2人類活動(dòng)影響分析

通過繪制徑流與降雨的雙累積曲線并觀察其直線斜率變化，可以判斷出影響徑流發(fā)生變化的主要因素[7]。對(duì)于正常年份，如果徑流只受到降雨而無其他因素影響時(shí)，雙累積曲線呈直線且斜率沒有明顯變化；對(duì)于受到人類活動(dòng)影響的年份，雙累積曲線將會(huì)發(fā)生一定的偏離。可根據(jù)雙累積曲線發(fā)生偏離所對(duì)應(yīng)的年份判斷出徑流發(fā)生顯著改變的時(shí)間點(diǎn)，偏離程度反映受人類影響強(qiáng)度，偏離程度越大表明受人類影響越強(qiáng)。

根據(jù)蒲河流域沈陽站實(shí)測(cè)徑流資料和實(shí)測(cè)降雨資料，繪制降雨～徑流雙累積曲線見圖6。從圖6可以看出，曲線自1984年開始產(chǎn)生了明顯的偏轉(zhuǎn)，因此以1975—1984年作為沈陽站的基準(zhǔn)期，依據(jù)降雨～徑流雙累積曲線的拐點(diǎn)將沈陽站徑流序列劃分為4個(gè)階段?；鶞?zhǔn)期與其他時(shí)段進(jìn)行對(duì)比分析可以看出，徑流累積值自1984年之后開始有顯著的向上偏離，自1994年之后向上偏離的程度更加明顯，自2004年之后依然保持向上偏離的趨勢(shì)，表明徑流的變化受到了除降雨之外的其他因素影響，如人類活動(dòng)引起下墊面條件變化繼而影響徑流使徑流發(fā)生變化。

對(duì)基準(zhǔn)期累積降雨和累積徑流進(jìn)行回歸分析，建立基準(zhǔn)期內(nèi)累積降雨和累積徑流序列的相關(guān)方程如下：

R=0.5184P+319.16(R2=0.9947)

根據(jù)基準(zhǔn)期內(nèi)的徑流和降雨資料，建立基準(zhǔn)期內(nèi)的徑流序列和降雨序列的相關(guān)方程：

R=0.4038P+100.9

根據(jù)降雨與徑流的相關(guān)方程計(jì)算沈陽站不同時(shí)段的理論平均徑流，將其作為天然徑流的近似值?；鶞?zhǔn)期實(shí)測(cè)值與各個(gè)時(shí)段的計(jì)算值的差值即為此時(shí)段降雨變化對(duì)徑流變化的影響值[8]。而人類活動(dòng)影響時(shí)段的實(shí)測(cè)徑流與基準(zhǔn)期實(shí)測(cè)徑流的差值包括兩部分，即降雨影響部分以及人類活動(dòng)影響部分。因此，基準(zhǔn)期實(shí)測(cè)值與各個(gè)時(shí)段實(shí)測(cè)值的差值再減去降雨變化影響值就得到了人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響值，影響值與總減少值的百分比即為影響率[9]。計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 降雨和人類活動(dòng)對(duì)蒲河流域徑流影響

由表4可以看出，基準(zhǔn)期內(nèi)蒲河流域沈陽站年均天然徑流為359.59 (m3/s·月)，對(duì)比基準(zhǔn)期1985—1994、1995—2004、2005—2015年年均徑流增加分別為222.90、156.79、394.51 (m3/s·月)。其中，降雨影響使徑流增加分別為18.63、6.57、3.51 (m3/s·月)，占總增加量的8.36%、4.19%、0.89%。人類活動(dòng)影響使徑流增加分別為204.27、150.23、391.01 (m3/s·月)，占總增加量的91.64%、95.81%、99.11%。說明以1975—1984年為基準(zhǔn)期，蒲河流域在整個(gè)研究期內(nèi)人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響是導(dǎo)致徑流發(fā)生改變的主要因素。

3 結(jié)論

本文根據(jù)蒲河流域內(nèi)沈陽站長(zhǎng)系列徑流、降雨實(shí)測(cè)資料，計(jì)算得出以下結(jié)論。

a) 蒲河流域徑流年內(nèi)分配不均，主要集中在5—8月，占全年的74.5%，徑流的年際變化不均勻，豐枯變化較為劇烈。蒲河流域徑流存在周期性，周期由一個(gè)5 a周期和一個(gè)10 a周期疊加而成。

b) 蒲河流域徑流變化中，不只是降雨對(duì)其產(chǎn)生影響，還有人類活動(dòng)對(duì)其產(chǎn)生影響。研究結(jié)果表明降雨對(duì)徑流的影響有了一定的削弱，人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響逐漸加強(qiáng)，成為導(dǎo)致徑流發(fā)生改變的主要因素。

c) 本文分析的蒲河流域徑流的年內(nèi)、年際變化規(guī)律，以及影響蒲河流域徑流變化的影響因素，可為蒲河流域改善生態(tài)環(huán)境，建立水系聯(lián)通的生態(tài)帶以及未來提升為經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)提供徑流信息參考。