...小清河将开始蓄水,来自玉清湖水库的水将被引入小清河,28日洪园...
颜时延+平建华+吴泽宁+胡彩虹
摘要：针对目前汾河入黄径流锐减的问题，基于汾河水库控制流域1960-2013年54年的径流资料，采用MannKendall法和滑动T法相结合对径流时间序列进行突变检验，探究了流域径流阶段性变化规律，并建立双累积曲线模型定量计算了驱动因素降水和人类活动对径流减少的影响量。结果表明：（1）汾河水库控制流域内静乐站和上静游站径流均呈现减少趋势；（2）流域内静乐站径流序列突变年份为1979年，上静游站为1982年；（3）人类活动是该流域径流减少的主要因素，占径流减少总影响量的8448%，静乐站和上静游站的降水对径流影响率分别为1562%和1495%，人类活动的影响率分别为8438%和8505%。
关键词：汾河；径流；趋势分析；突变检验；双累积曲线
中图分类号：P333文献标识码：A文章编号：
16721683（2017）06004506
Abstract：Focusing on the sharp decline of the runoff of Fenhe River into the Yellow River，based on the runoff data from 1960 to 2013 of the watershed controlled by the Fenhe reservoir，we analyzed the variation trend of the runoff by using the MannKendall method and sliding Ttest to look for the abrupt change pointsWe also used the double mass curve to calculate the influence of rainfall and human activities on the runoff declineThe results showed that the annual runoffs at Jingle station and Shangjingyou station both showed a trend of declineThe runoff series at Jingle station altered abruptly in 1979，and at Shangjingyou station，it altered abruptly in 1982The runoff decline in the watershed controlled by Fenhe reservoir was mainly affected by human activities，whose contribution rate was 8448%The contribution rates of rainfall and human activities to the runoff at Jingle station were 1562% and 8438%，respectively，and those at Shangjingyou station were 1495% and 8505%，respectively
Key words：Fenhe River；runoff；trend analysis；abrupt change test；double mass curve
氣候变化和人类活动的双重作用使径流规律发生变化[1]。一方面通过改变下垫面条件，使产汇流过程发生变化，另一方面气候因素尤其是降水因素的作用，导致径流在时间和数量上发生变异[2]，破坏径流序列的一致性。近年来，作为黄河第二大支流的汾河，入黄径流量减少趋势明显[3]，摸清汾河流域径流变化及其成因规律对于山西经济发展十分必要。国内学者对此已开展了大量的研究工作，如高建峰等[4]基于汾河水库流域多年实测水文资料，采用统计学方法对流域径流的年际变化特征进行分析，结果表明流域在20世纪70和80年代发生丰水和平水年份比较多，在20世纪90年代后枯水年份比较多。胡彩虹等[5]基于多年实测旬及月径流资料对汾河水库上游径流年内分配不均匀性进行探究，表明流域径流年内变化幅度大，洪水主要集中在7月、8月份。任世芳等[6]利用数理检验方法探究汾河上游年径流序列变化特征及趋势。赵云等[3]基于多种相关秩次检验对汾河入黄径流锐减特征进行分析。兰跃东等[7]通过建立径流量计算公式，分析了气温和降水等气候因素对汾河径流量的影响。李勇[8]、顾盼[9]等分别利用SWAT、MIKE SHE模型数值模拟方法探究了汾河流域土地利用和采煤等人类活动对河川径流的影响。已有的研究多采用统计方法分析汾河径流的水文特性，或对径流减少的单一影响因素进行分析，其成果在汾河径流变化特征与驱动因素分析方面不够系统和全面。因此，本文以汾河水库控制流域近50年来水文资料为基础，研究流域径流时间序列阶段性变化规律，采用MannKendall法与滑动T法相结合确定流域产汇流机制出现显著变化的时间点，并基于突变检验结果建立径流减少成因分析的双累积曲线模型，定量分析各驱动因素对径流减少的影响量，以期对今后掌握汾河水库控制流域径流演变规律、合理开发利用水资源提供指导。
1数据来源
11研究区概况
汾河水库位于汾河流域上游，其主要控制范围为汾河水库坝址以上流域，流域面积约5 268 km2，流域分属宁武县、静乐县、岚县及娄烦县4县，水库控制流域面积占4县总面积的786 %。气候类型属亚热带大陆性季风气候，流域四季分明，春季多风、干燥，夏季短而炎热，秋季少晴、早晾，冬季长而寒冷。据汾河水库流域内岚县及静乐等气象站1961-2010年的逐日气象资料显示，汾河水库流域多年平均气温、风速、相对湿度、降水量分别为719 ℃、185 ms、6013%和465 mm，降水年际变化较大，无霜期达130 d。endprint
作为汾河流域境内最大的水库，汾河水库于1961年6月正式投产使用，担负太原和晋中地区的防洪、发电、供水、灌溉等任务，随着引黄入晋工程的实施和运行，汾河水库还兼负起引黄供水调蓄的任务，对山西省国民经济发展起着举足轻重的作用[10]。
第15卷 总第93期·南水北调与水利科技·2017年12月
颜时延等·汾河水库控制流域径流突变及其驱动因素
12数据来源
汾河水库入库水文站分别为汾河干流的静乐及典型支流岚河的上静游水文站，出库水文站为流域出口的汾河水库站。本次研究采用汾河水库控制流域内3个主要水文站的1960-2013年共54年的实测年水文数据。其中静乐站和上静游站，建站时间早，资料充足，作为本次分析的主要依据，具体流域位置及水文站点分布见图1。
2研究方法
21趋势分析
线性回归法通过建立径流序列xi与对应的时间序列i之间的线性回归方程xi=a·i+b来检验径流时间序列的趋势性。该方程斜率的正负可表征径流时间序列是否具有递增或递减的趋势，并且线性方程的斜率a在一定程度上表征了径流时间序列平均趋势的变化速率[1112]。
22突变点检验方法
国内目前径流时间序列突变点检验常采用的方法有MannKendall法、小波理论分析法、RS法、滑动T法等，其中小波分析法的结果易受小波函数的影响[13]，RS方法误差较大，易影响变异点识别精度[14]。本文拟采用MannKendall法结合滑动T法对汾河水库控制流域径流时间序列进行检验，以准确把握径流突变点，增强突变结果分析的可信度。MannKendall法可得出趋势方程，揭示序列的趋势特征，并找出径流序列突变点的位置[1516]。通过径流序列计算得到的一条曲线UF，将序列反转后计算得到另一条曲线UB，如果两条曲线的交点在临界线内，则认为该点即是突变点。滑动T检验是考察两组样本平均值的差异是否显著来检验突变，其基本思想是对于统计量T，在信度水平α的情况下，对于满足的所有可能的点τ，选择使T统计量达到最大值的点，作为所求的最可能变异点τ0[1718]。两种方法具体计算步骤可参考文献[1518]。
23径流变化驱动力分析模型
径流变化是气候和人类活动双重驱动的结果，本文将降水作为气候变化的主导因素。天然状态下，人类活动不明显，在计算区内累积降水和累积径流的双累积曲线无明显拐点[19]，如果双累积曲线出现拐点并发生偏移，说明累积降水和累积径流的关系不再呈现单一关系，表明径流变化除了受降水因素影响以外，还受到人类活动等其他因素的影响。基于上述分析，参考文献[2021]，总结径流突变驱动因素分析的双累积曲线模型建模步骤如下。
（1）以突变年份为界，将突变年份前阶段作为基准期，突变年份后作为变化期。
（2）建立基准期累积降水与累积径流的拟合方程ΣR=kΣP+b，即为天然条件下的降水与径流相关关系。
（3）将变化期的降水过程进行还原，带入上述拟合方程，得到天然径流过程R0。
（4）将变化期的实测降水过程带入拟合方程，得到径流过程R1。
（5）R0-R1=ΔRp，ΔRp即为由于降水因素变化引起的径流减少量。
（6）ΔR实-ΔRp=ΔR人，ΔR人即为由于人类活动影响引起的径流减少量。
3结果分析
31径流序列时序特性分析
从图2静乐站、上静游站近50年来径流变化趋势图可以看出，两站的年径流时间序列年际变化振荡起伏明显，但曲线变化具有一定的一致性，径流变化趋势线倾向值都为负值，表明各站点径流序列呈现减小趋势。其中，静乐站年径流量递减速率为0019 m3s；上静游站递减趋势明显，年径流量平均递减速率为0035 m3 s。静乐站和上静游水文站年均径流减少量分别为00272亿m3a和0014亿m3a。1960-2013年静乐站、上静游站年径流均值分别为72 m3s和178 m3s，静乐站年径流均值约是上静游站的4倍。其中，静乐站和上静游站径流趋势线在1966年呈现不规律性偶然增大的现象，经查证是由于“66·8平定滦泉特大暴雨”引起。从图中也可以看出，两个水文站的径流序列均值线在20世纪80年代前后呈现出差异性，20世纪80年代后平均径流量明显小于80年代前径流量。
32汾河水库控制流域年徑流突变分析
本文通过采用MannKendall检验法、滑动T检验法检验汾河水库控制流域静乐、上静游水文站1960-2013年径流时间序列演变过程中的阶段性变化特征，确定出现显著变化的时间点。
（1）MannKendall检验结果。
图3为静乐、上静游水文站1960-2013年实测径流序列MannKendall检验结果，可以看出，汾河水库控制流域静乐站径流突变点较多，在显著水平005情况下，静乐水文站UF、UB相交的年份点，即可能发生突变的年份分别为1972、1975和1979年。上静游站径流突变年份只有一个，为1982年。
（2）滑动T检验结果。
[HJ17mm]由图3结果可以看出，径流的MannKendall突变检验结果并不唯一，存在多个突变点现象，因此本文结合滑动T法，剔除多余突变点，确定研究区的突变年份。图4为静乐、上静游水文站1960-2013年径流序列的滑动T检验结果。从图中可以看出，静乐站实测径流序列滑动T检验的最大T值对应年份为1970年和1979年，而且大于显著水平a=001时的T检验值，由此可知，静乐站1960-2013年实测径流序列滑动T检验的突变年份发生在1970年和1979年，该结果与MannKendall突变检验的结果有所差别，但相差甚微。上静游站实测径流序列滑动T检验的突变年份为1982年，该结果与MannKendall突变检验的结果相一致，表明上静游站径流变化比较规律。endprint
33 驱动因素分析
通过趋势检验和突变分析表明，汾河水库控制流域径流序列呈递减趋势，突变年份分别为1979年和1982年。根据径流减少驱动因素分析的双累积曲线模型建模步骤，首先将研究区1960年-2013年降水径流资料进行划分，并建立基准期和变化期的降水和径流的双累积曲线。
如图5所示，双累积曲线在突变年份出现拐点，表明 1981-2013年期间径流过程不仅受到降水因素影响，还受到人类活动因素的干扰发生偏离。基准期内静乐站和上静游水文站的累积降水和累积径流呈线性相关关系，拟合方程分别为∑R=0017×∑P+0516、∑R=0004∑P+0072，拟合度R2分别为0995和0996，表明基准期内两个水文站的降水过程和径流过程有极高的相关性，径流过程受其他因素影响程度非常之小，因此，将基准期的降水径流关系视为天然状态下的降水径流过程。在基准期径流变化只与降水变化有关，双累积曲线为一直线；变化期径流受人类活动的影响加剧，双累积曲线出现拐点并发生偏移。根据双累积曲线建模原理，将变化期静乐站和上静游站实测降水数据和还原的降水数据分别带入基准期拟合方程，得到径流过程R0和R1，其差值即为降水因素引起的径流减少量。变化期实际径流减少是降水变化和人类活动双重作用的结果，因此实际径流减少量与降水因素引起的径流减少量相减，即得到人类活动引起的径流减少量。计算结果如表2所示，可以看出，静乐站和上静游站降水因素对径流的影响量分别为1 13530万[KG-8]m3和50458万[KG-8]m3，对径流的影响率分别为1562%和1495%，通过模型原理可知人类活动影响量分别为6 13113万[KG-8]m3和2 86978万[KG-8]m3，影响率分别为8438%和8505%。对于整个汾河水库控制流域来讲，降水因素对径流的年平均影响量为95276万[KG-8]m3，人类活动影响量为5 18725万[KG-8]m3，占总减少量的8448%。对比分析各驱动因素的影响结果，可以得出：（1）静乐站的人类活动对径流总影响量远大于上静游站，但影响程度略小于上静游水文站，主要原因在于静乐站位于汾河干流上游，控制流域面积范围更广；（2）从各个水文站和整个流域降水因素和人类活动对径流影响比例来看，结果虽有微小差别，但总体保持统一，表明气候大环境和人类活动在流域径流影响上的一致性；（3）人类活动是汾河水库控制流域径流减少的主要原因，汾河流域土地利用变化、水利工程建设及水资源开采等人类活动严重改变了流域下垫面条件，对汾河径流减少产生了深远的影响，是导致研究区径流发生锐减的主导因素。
4结论
本文基于突变分析检验结果建立了径流减少驱动因素分析的双累积曲线模型，系统的分析了汾河水库控制流域径流序列变化特征及内部成因规律，研究表明：汾河水库控制流域内径流年际震荡起伏明显，总体呈现递减趋势，20世纪80年代后径流均值明显小于20世纪80年代前，流域径流在1980年左右发生突变，20世纪80年代后汾河径流锐减主要原因在于人类活动的影响，降水变化是流域径流锐减的次要原因。该研究不仅有助于降水变化和人类活动影响下径流演变规律的认识，也为流域下一步水资源治理工作提供依据。本研究气候因素仅考虑了降水因素，并未考虑温度、湿度、蒸发等其他影响因子，下一步全面评估各影响因子对径流减少的影响量，对于今后制定水资源保护措施更具针对性作用，也是今后的重点研究问题。
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