王小杰，姜仁貴，解建倉，朱記偉，汪雅梅

(1. 西安理工大學省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，陜西西安 710048; 2. 陜西省江河水庫管理局，陜西西安710018)

渭河是黃河的第一大支流，也是我國重要的糧棉油產區(qū)和工業(yè)基地之一，在陜西及西北經濟社會發(fā)展中占有十分重要的地位。陜西作為“一帶一路”的起點，是絲綢之路經濟帶的核心區(qū)。受全球氣候變化和人類活動的影響，渭河流域水資源結構和特征發(fā)生了較大變化。研究表明：近幾十年來，渭河流域水資源量呈減少趨勢[1- 4]。流域水資源量的減少對水資源的開發(fā)利用、人類生存環(huán)境和經濟社會發(fā)展等產生重大影響。因此，在氣候變化和人類活動共同影響的背景下，研究渭河流域水資源的歷史演變規(guī)律和未來潛在變化趨勢具有重要的意義。

近些年來，諸多學者圍繞渭河徑流變化特征開展研究，取得了一系列有益成果。例如，孫悅等[5]研究了1975—2011年渭河上游徑流演變規(guī)律及對氣候驅動因子的響應，研究發(fā)現渭河上游徑流總體呈下降趨勢，氣候增暖導致潛在蒸散量的加劇對徑流變化的貢獻絕對值高于降水量。李斌等[6]研究了渭河中下游年徑流量變化趨勢及突變分析，結果表明：渭河流域徑流呈減少趨勢，徑流突變點發(fā)生在20世紀70 年代初和 90 年代初。黃生志等[7]研究了渭河徑流年內分配變化特征及其影響因子貢獻率分解，發(fā)現渭河徑流年內分配特征值的年變化過程呈上升趨勢，人類活動是其變化的主要驅動力。當前研究所采用的徑流時間序列長度存在局限性，且站點較少，考慮到近年來環(huán)境變化的影響和站點的完整性，本文重點研究渭河干流6個典型水文站1956—2015年徑流量變化特征。

本文以渭河干流1956—2015年徑流量為研究對象，采用Mann-Kendall非參數檢驗法[8- 9]分析徑流量變化趨勢，采用累積距平法[10- 11]分析徑流量變化過程，采用有序聚類和滑動t檢驗法分析徑流量的突變點，采用R/S分析法對徑流時間序列的長程記憶性進行分析，分析各站點徑流量未來變化趨勢；揭示渭河流域60年來徑流量演變規(guī)律以及未來變化趨勢，為渭河流域水量調度和水資源管理提供科學支撐。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域

渭河是黃河第一大支流，位于東經103°5′～110°5′，北緯33°5′～37°5′之間。渭河全長818 km，流域總面積13.48萬km2，渭河干流在陜西省境內流長502.4 km，流域面積67 108 km2，占陜西省境內黃河流域總面積的50%。渭河發(fā)源于中國甘肅省渭源縣的鳥鼠山，由陜西省潼關匯入黃河。渭河干流從天水出甘肅省，東流至天水與寶雞接壤，經寶雞市的陳倉、渭濱、金臺、岐山、眉縣、扶風，咸陽市的楊陵、武功、興平、秦都、渭城，西安市的周至、戶縣、長安、未央、灞橋、高陵、臨潼，渭南市的臨渭、大荔、華縣、華陰等22 個縣(市、區(qū))，至潼關的港口匯入黃河。渭河多年平均徑流量75.7億m3，陜西境內為53.8億m3。渭河按河流形態(tài)可分為3段，寶雞峽大壩以上為上游，河長430 km，河道狹窄；寶雞峽至咸陽鐵路橋段為中游，河長180 km，河道較寬；咸陽至入黃口為下游，河長208 km，比降較小，水流較緩。渭河流域及典型水文站地理位置如圖1所示。

圖1 渭河流域及水文站空間分布

1.2 數據來源

綜合考慮水文站點在流域內的代表性以及資料的可靠性與完整性，本文選取渭河干流北道、林家村、魏家堡、咸陽、臨潼和華縣6個典型水文站1956—2015年共60年徑流量進行分析，研究渭河干流徑流量變化特征。考慮到上述部分水文站存在數據缺失狀況，采用相關分析法(相關系數大于0.95)、面積比和徑流深修正法對魏家堡站和臨潼站的缺失數據進行插補。徑流數據來源于中華人民共和國水文年鑒黃河流域水文資料，陜西省江河水庫管理局統(tǒng)計整理數據及歷年陜西省水資源公報等整編資料。

1.3 研究方法

1.3.1徑流量突變分析方法

(1) 有序聚類 有序聚類分析法尋找水文時間序列可能的顯著干擾點τ，其實質上就是推求最優(yōu)分割點，使同類時間序列之間離差平方和最小，類與類之間的離差平方和相對較大[12]。

設可能分割點為τ，則分割前后樣本離差平方和及總離差平方和表示為：

(1)

(2)

Sn(τ)=Vτ+Vn-τ

(3)

當Sn(τ)=min[Sn(τ)](2≤τ≤n-1)，認為τ為突變點[13]。

(4)

則t服從自由度為n1+n2-2的t分布。給定置信水平α，若|ti|>tα/2，則認為在該點發(fā)生突變[15]。

1.3.2R/S分析法 R/S分析法(重標極差分析法)是由著名的水文學家Hurst在1995年首先提出，該方法主要采用Hurst指數衡量和描述非線性時間序列的持續(xù)性或反持續(xù)性[16]。

Hurst指數的H一般處于0～1之間：當H>0.5 時，全部或部分數據之間滿足正相關性或長記憶性，意味著時間序列未來的趨勢與過去一致，即這個過程具有持續(xù)性，H值越接近1，長記憶性就越強；當H=0.5時，表示序列中各個數據都是獨立的，互不關聯，完全隨機的，前一段時間的變化趨勢不會對后面產生影響；當H<0.5 時，表明全部或部分數據之間滿足負相關性或反記憶性，意味著未來的總體趨勢將與過去相反，即過程具有反持續(xù)性，H值越接近0，反記憶性就越強[17]。

2 結果與分析

2.1 徑流年際變化特征

根據流域劃分原則(圖1)，將北道和林家村站，魏家堡和咸陽站，臨潼和華縣站分別劃分為渭河干流的上、中、下游站點。圖2(a)為渭河干流典型水文站徑流量Mann-Kendall趨勢檢驗。取顯著性水平α=0.05，則Zα/2=±1.96。由圖可知，各站點的年和季節(jié)徑流量均呈減少趨勢，且除了下游站點(臨潼、華縣站)冬季徑流量減少趨勢不顯著外，其余站點均為顯著性減少；林家村年際減少趨勢最為顯著，臨潼冬季減少趨勢最弱。上游和中游站點的秋季減少趨勢最弱；下游站點的冬季減少趨勢最弱。上游站點減幅大于中游，下游站點減幅最??；各站點的春、夏季節(jié)減幅大于秋、冬季節(jié)。

圖2(b)為渭河干流6個典型水文站徑流量累積距平圖。可見：1968年以前，各站的年徑流量均呈增加趨勢；1985—1993年，各站的年徑流量均呈平穩(wěn)趨勢；1993年以后，各站的年徑流量均呈減少趨勢。上游北道和林家村站在1985年以前徑流量呈增加趨勢，1985至1993年徑流量呈平穩(wěn)趨勢，1993年以后徑流量呈減少趨勢。中游和下游各站點在1968年以前徑流量呈增加趨勢，1968至1985年徑流量呈波動趨勢；1985—1993年徑流量呈平穩(wěn)趨勢，1993年以后徑流量呈減少趨勢。上游各站點明顯存在2 個拐點，3個不同的變化階段，即增加-平穩(wěn)-減小的變化；中游和下游各站點存在3個拐點，4個不同的變化階段，即增加-波動-平穩(wěn)-減小的變化。

圖2 渭河干流徑流量

2.2 徑流年代變化特征

圖3為各站點年代徑流量Boxplot圖，圖中小方塊代表徑流量數據的平均值，中部水平線表示中值。由圖可知，渭河干流從上游到下游，各水文站點徑流量依次增加。除北道站1970s外，其余各站點各年代的平均數均大于中位數，即各站點的年代Cs值大于0，說明各站點的年代徑流量大多集中在小于均值的部分。

圖3 渭河干流徑流量年代變化趨勢

渭河干流各站點的徑流量1960s最大，為平均值的1.42倍以上；除咸陽和臨潼站為1990s，其余均為2000s最小，為平均值的68%以下，年代最大徑流是最小徑流的2.09倍以上，可以看出各站點徑流量的年代變化較大，豐枯懸殊。各站點在1990s到2010s的徑流量均小于平均值，即各站點在1990s到2010s為枯水年。除1970s—1980s和1990s—2000s各站點年代徑流量變化趨勢有所不同外，其余年代各站點變化趨勢均相同；即各站點均在1950s—1960s和2000s—2010s呈增加趨勢，1960s—1970s和1980s—1990s呈減少趨勢，且上游站點在1980s—1990s減少最多，中游和下游站點在1960s到1970s減少最多。

2.3 徑流突變分析

采用有序聚類和5年滑動t檢驗法對渭河干流各站點年徑流量進行突變分析。采用5年滑動t檢驗法時，n1=n2=5，取顯著性水平α=0.05，按照t的分布自由度，n=n1+n2-2=8，t0.05/2=±2.31,突變分析結果見圖4。

圖4 渭河干流徑流量突變分析

由圖4可知，采用滑動t檢驗法進行突變分析，北道站點所得突變點為1963，1968，1970，1992—1994，2002年；林家村站點為1968，1970，1992—1994，2002年；魏家堡站點為1968—1969，1992—1994年；咸陽、臨潼和華縣站點均為1968，1980，1992—1994,2002年。采用有序聚類法進行突變分析，北道和林家村站點所得突變點均為1970，1985，1993年；魏家堡站點為1968，1985，1993年；咸陽站點為1968，1970，1985，1990，1993年；臨潼和華縣站點均為1968，1985，1990，1993年。各站點采用5年滑動t檢驗所得突變點均含有1968年和1992—1994年，采用有序聚類所得突變點均含有1985年和1993年。將各站點采用有序聚類和5年滑動t檢驗法所得突變點進行分析可知，渭河干流1956—2015年上游各站點徑流量突變點為1970年和1993年，中游和下游各站點徑流量突變點為1968年和1993年。

2.4 徑流R/S分析

采用R/S分析預測未來一段時間內渭河干流徑流量變化趨勢。圖5(a)為北道站年際R/S分析結果圖。由圖可知：北道站年際分析結果具有良好的線性關系，Hurst 效應較為顯著。渭河干流各站點的年和季節(jié)徑流量R/S分析(ln(R/S)-lnτ)的相關系數均在0.92以上，整體趨勢表現出了良好的線性關系，表明各站點的Hurst 效應較為顯著。

圖5(b)為渭河流域干流各水文站點徑流量Hurst指數，結果表明：各站點的季節(jié)和年徑流量Hurst指數均大于0.5，皆表現出與過去歷史呈正相關性(或持續(xù)性)，即各站點的年和季節(jié)徑流量具有持續(xù)下降的趨勢。在渭河干流中，除魏家堡站點外，其余各站點的夏季Hurst指數最小，呈現出較弱的持續(xù)性，表明未來夏季徑流量持續(xù)性減少的趨勢最小。除華縣站點外，其余各站點的春、冬季節(jié)Hurst指數均大于夏、秋季節(jié)，當H>0.5 時，H值越接近1，長記憶性就越強，表明未來春、冬季節(jié)的徑流量持續(xù)性減少的趨勢要大于夏、秋季節(jié)。汛期為6—11月(夏、秋季節(jié))，非汛期為12—5月(冬、春季節(jié))，即未來汛期徑流量持續(xù)性減少的趨勢要小于非汛期。

圖5 渭河干流徑流量R/S分析

3 結 語

(1) 渭河干流從上游到下游，各水文站點徑流量依次增加，各站點的年代徑流量大多集中在小于均值的部分。上游站點在1980s到1990s減少最多，中游和下游站點在1960s到1970s減少最多。1968年以前，渭河干流各站點的年徑流量均為增加趨勢；1993年以后，各站點的年徑流量均為減少趨勢。渭河干流1956—2015年上游各站點徑流量突變點為1970年和1993年，中游和下游各站點徑流量突變點為1968年和1993年。

(2) 渭河干流各站點的季節(jié)和年徑流量均為減少趨勢。從上游到下游，減少趨勢越來越弱；各站的春、夏季節(jié)減幅大于秋、冬季節(jié)。各站點的季節(jié)和年徑流量Hurst指數均大于0.5，皆表現出與過去歷史呈正相關性(或持續(xù)性)，表明渭河干流各站點年和季節(jié)徑流量具有持續(xù)下降的趨勢。

(3) 渭河干流各站點在1968年和1970年發(fā)生突變的主要原因是20 世紀 60—70 年代渭河流域多處水利工程相繼建設并投入使用，在1993年發(fā)生突變的主要原因是受氣候作用的影響。渭河流域徑流量減少是由氣候變化和人類活動共同作用引起，氣候變化對徑流的影響主要為降水減少和潛在蒸散量的增加。因此，應高度重視這一現象，通過制定科學的流域水資源管理對策，為渭河流域水量調度和合理利用提供科學支撐。