劉清琴 張鈺 申雄達 鄔壕 張漢林 刁羽豐

摘要：為進一步探究大夏河流域的水文變異特性，給流域管理提供更豐富的數據支持，對1956～2018年大夏河流域上、中、下游（夏河、雙城、折橋）3個水文站的實測徑流量序列進行變異診斷。診斷結果表明：3個水文站年徑流量均顯示跳躍變異顯著，主要原因為水能開發(fā)利用等人類活動的影響，并且變異年份分別為1968，1968，1986年，在未來有持續(xù)減小的趨勢，有可能存在供水不足危險，因此未來需進一步對大夏河流域水資源的開發(fā)利用、管理、配置進行合理優(yōu)化。

關鍵詞：水文變異診斷; 年徑流量; 趨勢檢驗;跳躍檢驗; 大夏河流域

中圖法分類號：P333 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.006

文章編號：1006 - 0081（2022）06 - 0030 - 05

0 引 言

隨著人類活動的日益加劇，世界上許多河川徑流均發(fā)生了顯著變化[1]，可能導致流域水資源可利用量發(fā)生變化并使生態(tài)環(huán)境惡化，水資源問題更加突出[2-3]。因此，分析徑流量的趨勢、跳躍以及發(fā)生變化的原因變得越來越重要。徑流量作為水文時間序列的要素之一，是一定時期內氣候變化、人類活動等因素的綜合產物，數據本身也反映了這些因素對其的影響。目前有多種關于徑流量趨勢、跳躍的檢驗方法[4-7]，但由于各個方法的特點和適用范圍的差異，得出的結論也不盡相同。因此，謝平等[7]提出了水文變異診斷系統(tǒng)，用于海河流域5座大型水庫的入庫徑流量變異分析和潮白河45 a的徑流量變異分析等。如果水文時間序列的分布形式、參數在序列的時間范圍中保持不變，則統(tǒng)計規(guī)律具有一致性;反之，在物理成因方面發(fā)生變化，則發(fā)生了水文變異[8-9]。

大夏河作為黃河的一級支流，河段比降大，落差集中，干流具有建設電站的地形地質條件，故對大夏河干流進行了相關的梯級電站水能規(guī)劃。研究大夏河流域徑流量的變異特性，對梯級電站的規(guī)劃設計與管理具有一定指導作用。此前對大夏河流域徑流量的趨勢性和突變性已有相關研究[10-12]，但由于大夏河為中型河流，相比其他流域研究還相對較少，而且一般是采用單一方法直接得出結論。因此，本文針對單一檢驗方法有時不可靠的問題[9]，應用水文變異診斷系統(tǒng)，從數理統(tǒng)計角度多方法地探究大夏河流域年徑流量的變異特性，旨在為大夏河流域規(guī)劃設計和管理提供更多的技術和理論支持。

1 研究區(qū)概況、數據來源與方法

大夏河地處甘肅省中部，經度為102°02′～103°23′，緯度為31°52′ ～35°48′，是黃河上游右岸的一級支流，屬大陸溫帶半干旱氣候。大夏河發(fā)源于甘南高原甘、青交界處，主要流經夏河縣、臨夏縣、臨夏市、東鄉(xiāng)縣，最后在東鄉(xiāng)縣康家灣村注入黃河劉家峽水庫，全長203 km，流域面積7 152 km2，從上游至下游依次設有夏河站、雙城站、折橋站3個水文測站，流域水系圖和水文站點位置見圖1。本文收集了大夏河流域1956～2018年共63 a的逐日徑流量實測資料，數據來源于甘肅省水文站和洮河水文水資源勘測局。采用水文變異診斷系統(tǒng)對大夏河上游夏河站、中游雙城站、下游折橋站的實測年徑流量序列進行變異診斷。水文變異診斷可分為3個部分：初步診斷、詳細診斷、綜合診斷。

1.1 初步診斷

采用過程線法、5 a和10 a滑動平均曲線、Hurst系數法[13]對大夏河流域徑流量進行水文變異初步診斷[8]。分別根據過程線的趨勢、滑動平均的趨勢、Hurst系數所在區(qū)間來判斷是否發(fā)生變異以及變異程度。Hurst系數判別法見表1。

1.2 詳細診斷

趨勢診斷采用線性趨勢相關系數檢驗法、Kendall秩次相關檢驗法[14]、Spearman秩次相關檢驗法[15]。通過將水文時間序列的相關系數[r]、檢驗統(tǒng)計量[U]、檢驗統(tǒng)計量[T]分別與查臨界表得到的[rα]，[Uα2]，[Tα2]（[α]為顯著性水平，一般取0.05）進行比較，若前者大于后者，則拒絕原假設，認為水文時間序列中趨勢成分顯著。

跳躍診斷采用滑動游程檢驗法、滑動秩和檢驗法、Brown-Forsythe檢驗法、滑動T檢驗法、有序聚類法、滑動F檢驗法、M-K檢驗法、R/S相關分析法。研究方法步驟參照王孝禮等的研究[16]。其中，滑動游程檢驗法、滑動秩和檢驗法、滑動T檢驗法、滑動F檢驗法均是針對傳統(tǒng)方法只能檢驗變異點顯著性而不能檢驗出具體變異點而提出的，通過逐點檢驗并選出變異顯著性最大的點作為水文序列跳躍變異點。

采用兩類詳細診斷方法分別對大夏河流域3個水文站的徑流量進行計算，并分析趨勢是否顯著以及具體的跳躍點。

1.3 綜合診斷

若采用某一方法檢測到趨勢變異顯著，則該方法趨勢權重+1;反之，記為-1。跳躍變異亦然。但由于各個跳躍診斷法得到的變異點不盡相同，故通過統(tǒng)計實驗并采用相似度原理得到了各方法的權重[8]，如表2所示。

得到趨勢變異和跳躍變異的顯著性后，采用效率系數[8]判斷趨勢和跳躍成分的擬合程度，從而確定水文序列的變異形式：

若只有趨勢顯著或者跳躍顯著，則直接得到結論。若兩種方法均顯著，則選擇趨勢和跳躍效率系數中的最大者作為大夏河流域年徑流量水文序列的最終變異形式。

2 結果分析

2.1 初步診斷

通過繪制1956～2018年大夏河流域夏河站、雙城站、折橋站的年徑流量過程線、5 a滑動平均和10 a滑動平均曲線（圖2）可知：夏河站、雙城站、折橋站的年徑流量過程線分別在1990，1980，1980年之后基本位于均值線下方，并且3個水文站的5 a和10 a滑動平均曲線均呈現(xiàn)下降趨勢。因此，可初步診斷大夏河流域年徑流量存在趨勢變異或跳躍變異。同時，根據基于Hurst系數的水文變異診斷法[13]，取第一、第二顯著性水平分別為α=0.05，β=0.01，對應的Hurst系數分別為Hα=0.660，Hβ=0.702，再計算得到夏河站、雙城站、折橋站3個水文站的Hurst系數分別為：0.808，0.711，0.802，可知3個水文站Hurst系數均位于[Hβ，0.839]，均屬于中變異。

2.2 詳細診斷

利用3種趨勢診斷方法和8種跳躍診斷方法，在顯著性水平[α=0.05]的情況下，得到表3的結果，可以看出：夏河、折橋站趨勢變異顯著，綜合顯著性為3;雙城站雖有下降趨勢，但是不滿足0.05顯著性水平，綜合顯著性-3;3個水文站均存在不同年份的變異點，其中夏河站1968年、雙城站1968年、折橋站1986年分別被3種、4種、3種方法診斷為變異點，且都是在8種跳躍診斷方法中被診斷出最多次數的年份。

2.3 綜合診斷

對3個水文站年徑流量序列進行綜合診斷得到表4可知：雙城站趨勢變異不顯著，因此直接發(fā)現(xiàn)雙城站1968年跳躍變異顯著。夏河站、折橋站兩種形式變異均顯著，趨勢變異效率系數分別為0.105，0.110，跳躍變異效率系數分別為0.225，0.157，所以綜合判定為跳躍變異顯著，且跳躍年份分別為1968，1986年。

3 分析與討論

大夏河流域上、中、下游3個水文站的徑流量均發(fā)生減小趨勢變異，且上游夏河站和下游折橋站變異顯著，主要原因是人類活動引起的流域下墊面條件發(fā)生變化，例如根據大夏河干流河段特點，已對大夏河干流進行的全面梯級電站規(guī)劃，梯級開發(fā)后形成了多個季節(jié)性減水段，隨著電站的運行，枯季減水段的減水情況突出，導致徑流量呈現(xiàn)減小趨勢;其次是全球氣候變暖、降水量減少的影響。而下游比上游趨勢變異更顯著是因為下游受上游來水的影響，年徑流量減少更為明顯。

大夏河流域上游、中游均在1968年發(fā)生顯著跳躍變異，可能是因為1966年夏河站集水面積發(fā)生了變化，以及20世紀60年代大夏河流域開始了水能開發(fā)應用。下游在1986年發(fā)生了顯著跳躍變異，原因可能為：① 1983年上游修建了桑科引水式電站，會隨時啟閉閘門調蓄水量進行發(fā)電，所以會導致由人為造成短時間內水位陡漲陡落的現(xiàn)象;② 下游徑流變化具有滯后性。

史偉明等[8]對大夏河流域夏河站、雙城站、折橋站年徑流量分別進行分析，得到突變年份為1970，1978，1980年，其中夏河站、折橋站突變年份與此次變異年份接近;楊林等[10]對大夏河流域下游折橋站徑流進行分析得到突變年份為1985年，與本文分析基本一致。王漢卿等[9]通過趨勢演變和灰色拓撲預測模型表明大夏河流域年徑流量從1968年開始減少，1988年開始衰減相對嚴重，這與本次分析結果基本一致。上述學者均認為人類活動是導致大夏河流域多年徑流量呈減小趨勢的主要影響因素，此次水文變異診斷相較于前者，利用了多種方法進行分析，同時計算了各個方法的權重以便計算水文變異的綜合顯著性，得到了上、中、下游年徑流量均發(fā)生減小趨勢，以及下游折橋站年徑流量在1986年發(fā)生顯著跳躍變異的結果，更具有說服力和可信力。

夏河站、雙城站、折橋站均跳躍變異顯著，跳躍年份分別為1968，1968，1986年，這表明在變異點前的序列均值大于變異點后的序列均值，年徑流量水文序列發(fā)生向下跳躍，呈減少態(tài)勢。同時由3個水文站的Hurst系數均大于0.5可知，大夏河流域年徑流量在未來一段時間內將仍然保持下降趨勢，不利于大夏河流域的供水安全。因此，建議在大夏河流域內進行水資源開發(fā)利用時應當尊重客觀規(guī)律，統(tǒng)籌考慮大夏河水資源優(yōu)化配置和節(jié)約保護，最大限度提高水資源的總體利用率，使有限的水資源發(fā)揮最大的經濟效益、社會效益和環(huán)境效益;進行水能梯級規(guī)劃時，應綜合考慮大夏河流域徑流量的變化趨勢和特點，合理規(guī)劃和選址，處理好資源利用和環(huán)境保護的關系。

4 結 論

（1） 基于大夏河流域年徑流量，通過水文變異診斷系統(tǒng)，得到大夏河流域上、中、下游均為中變異并有減小趨勢，且跳躍變異顯著，年份分別為1968，1968，1986年，在未來一段時間內會持續(xù)減小。

（2） 在大夏河流域進行的梯級電站建設等人類活動是年徑流量減小的主要原因，日后應結合年徑流量的變異特性對水資源進行合理開發(fā)利用。

（3） 下一步可采用多種年徑流量預測方法，對大夏河流域年徑流量未來趨勢進行定量預測。

致謝：

感謝甘肅省水文站和洮河水文水資源勘測局的數據支持，以及甘肅省水利科學試驗研究及技術推廣項目《討賴河干流生態(tài)水資源補償機制研究》的支持，在此深表謝意。

參考文獻：

[1] 張舒羽，趙廣舉，穆興民，等.黃土高原典型流域河川徑流水文情勢變化及其歸因分析[J]. 水土保持通報， 2021，41（4）：1-8.

[2] 王大超，杜麗芳，路賀，等.大通河流域近60年徑流變化特征和趨勢分析[J].水利水電快報， 2019，40（4）：17-21.

[3] 劉敏，郭邵萌，郝埡瓏，等.牛頭河流域1959-2018年徑流演變特征分析[C]// 2021第九屆中國水生態(tài)大會.2021第九屆中國水生態(tài)大會論文集.西安：陜西省水利學會，2021.

[4] 卜旭旭，周通延.大夏河近50年徑流變化趨勢研究[J]. 地下水，2021，43（5）：198-200.

[5] 劉琴，沈天成，程鵬. 1960—2018年黑河上游徑流量變化特征分析[J]. 甘肅科學學報，2021，33（4）：26-33.

[6] 袁立月，袁方正，丁黔.烏裕爾河流域依安縣水文站徑流演變特征分析[J].水利科技與經濟，2021，27（8）：96-100.

[7] 謝平，陳廣才，雷紅富，等.水文變異診斷系統(tǒng)[J]. 水力發(fā)電學報，2010，29（1）：85-91.

[8] 史偉明，申雄達，劉清琴，等.1956-2016年大夏河流域徑流變化特征分析[J].甘肅科技，2021，37（6）：34-38.

[9] 王漢卿.大夏河流域地表水資源演變趨勢及預測分析[J].甘肅農業(yè)，2011（12）：12-14.

[10] 楊林，趙廣舉，穆興民，等. 基于Budyko假設的洮河與大夏河徑流變化歸因識別[J]. 生態(tài)學報， 2021，41（21）：8421-8429.

[11] 謝平， 陳廣才， 雷紅富. 基于Hurst系數的水文變異分析方法[J]. 應用基礎與工程科學學報， 2009，17（1）：32-39.

[12] 李東科， 馬田田. 基于Kendall及R/S法的水文序列變化特性分析[J]. 四川水利， 2020，41（2）：81-82，91.

[13] EASTAFF M S， SARAVANAN V. Spearman rank correlation based bagging ensemble bayes optimal classification for genomic predictive pattern analytics[J/OL]. （2020-09-20）[2021-12-04].https：//www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214785320373594

[14] 成靜清. 非一致性年徑流序列頻率分析計算[D]. 楊陵：西北農林科技大學， 2010.

[15] 史偉明. 1956～2018年大夏河流域徑流變化特征及其影響因素探究[D]. 蘭州：蘭州大學， 2021.

[16] 王孝禮， 胡寶清， 夏軍. 水文時序趨勢與變異點的R/S分析法[J]. 武漢大學學報（工學版）， 2002（2）：10-12.

Alteration diagnosis of annual runoff series in Daxia River Basin

LIU Qingqin，ZHANG Yu，SHEN Xiongda，WU Hao，ZHANG Hanlin，DIAO Yufeng

（College of Earth and Environmental Sciences，Lanzhou University， Lanzhou 730000， China）

Abstract：In order to further explore the hydrological alteration of the Daxia River basin and provide more abundant data support for the watershed management， annual runoff series from 1956 to 2018 in the Daxia River Basin was collected to study the hydrological alteration characteristics. Runoff series was gauged by three hydrological stations（Xiahe， Shuangcheng， Zheqiao hydrological station）at the upper， middle and lower reaches of the Daxia River Basin. The results showed that significant alteration of the runoff series happened in 1968， 1968， 1986 respectively，which was affected by hydropower development and utilization of human activities. And runoff series had a reducing trend continuously in the future. There may be a risk of insufficient water supply in the Daxia River basin， so it is necessary to optimize the development， utilization， management and allocation of water resources inthe? Daxia River Basin.

Key words：hydrological alteration diagnosis; annual runoff;trend test;jump test;Daxia River Basin