人类活动对颍河白沙水库水文情势影响分析

□焦迎乐（河南省许昌水文水资源勘测局）

□席献军（河南省郑州水文水资源勘测局）

随着经济社会的发展，工农业用水量的增加，人类活动对自然环境影响愈加显著，对河道径流的影响越来越加剧，破坏了区域内原有的降雨径流关系，本文以颍河上游白沙水库以上区间为研究对象，对该区域内降雨、蒸发、径流的变化规律进行分析研究，这对于研究人类活动影响下颍河上游水文情势变化规律和水资源保护开发具有重要的现实意义。

一、研究区概况

颍河白沙水库以上区域西、北、南三面环山，北部分水岭是海拔1000m以上的嵩山山区，最高海拔1440m；中部、东部为丘陵，海拔350m左右；南部为低山区，海拔为600～700m。山区土层较薄，岩石裸露，植被较好；丘陵区绝大部分为耕地，土壤多为红黏土。该区属半干旱大陆性季风气候，年降水多集中在汛期6～9月。支流主要有安庙河、焦河、少林河、石淙河、圈门河等，现有券门、纸坊、少林三座中型水库，总控制面积143.8km2，其中纸坊水库在告成水文站以下，小型Ⅰ、Ⅱ类水库49座，总控制面积约150km2。

白沙水库以上流域面积962km2，现有白沙水库和告成两个水文站，其中告成水文站控制流域面积627km2，占白沙水库以上流域面积的65.2%，现有钱岭、石道、大金店、西白坪、登封、高成、卢店、徐庄、白沙9个雨量站。

二、资料的选取和研究方法

（一）数据资料

本文利用颍河上游从20世纪50年代至2010年白沙、告成(1964年以前为曲河)两站年径流资料、区域内9个雨量站的雨量资料，白沙站的蒸发资料对颍河上游的水文情势进行分析。年降雨量、蒸发量、年平均流量均来自水文年鉴，部分数据来自水文数据库。

（二）研究方法

目前常用的水文变化趋势分析方法有线性回归、滑动平均、Mann-Kendall趋势检验法等，对径流量的研究还有年降雨径流关系图法。在此仅重点介绍Mann-Kendall趋势检验法。

Mann-Kendall非参数统计检验法常用于水文、气象、水质等行业，该方法变量可以不具有正态分布特征，较适用于检验水文变量的随机时间系列要素变化趋势是否具有显著性。

对于序列Xt=（x1，x2，…，xn），先确定所有对偶值（xi，xj，j＞i）中xi与xj的大小关系（设为τ），然后计算检验统计量τ。

式中：

趋势检验的统计量设为Z：

当＞10时，Z收敛于标准正态分布。原假设为该序列无趋势，采用双边趋势检验，在给定显著性水平α后，在正态分布表中查得临界值Zα/2，当|Z|＜Zα/2时，接受原假设，即趋势不显著；若|Z|＞Uα/2，则拒绝原假设，即认为趋势显著。

为检测水文系列的突变特征，常采用Mann-Kendall突变检测法和滑动t检验法。

三、水文情势变化趋势分析

（一）降水量和蒸发量变化趋势

为研究该区域水文情势变化趋势，首先分析该区域的主要水文要素降水量和蒸发量，区域内年平均降雨量的计算主要根据各站年降水量资料由泰森多边形法求得，以客观反映区域内的年降水量，对50年代站点较少的个别年份采用算术平均法进行计算。区域蒸发量的分析直接选用白沙站年蒸发量数据进行分析，该站蒸发资料多为E601型蒸发器资料，对部分采用80cm蒸发器资料的数据，也进行了合理转换。根据计算结果绘制区域内历年年降水量和历年蒸发量变化过程线图（图1、图2）。

由图1和图2可以看出年降水量基本保持稳定，增大或减小的趋势不显著。而蒸发量存在显著的逐年减小趋势，1961～1970年、1971～1980年，1981～1990年、1991～2000年、2001～2010年平均蒸发量分别为 1162.5mm、1013.3mm、855.3mm、746.6mm、711.8mm，即每10年蒸发量都会有较大的递减，且递减量逐年趋缓，这也可由5年滑动平均值图（图3）得到进一步的验证。

图1 颍河上游区历年降水量变化过程线图

图2 颍河上游区历年蒸发量变化过程线图

对颍河上游区历年降水量、蒸发量系列进行Mann-Kendall检验，降雨量系列（1951～2010年）统计量Z为-0.459，蒸发量系列（1952～2010年）统计量Z为-7.056，Z0.05=1.645，因此降雨量有下降趋势，不显著，而蒸发量有明显下降趋势。

大量研究证实，近几十年来中国气温变化呈上升趋势,河南省近50年年平均气温也存在上升趋势，其中冬、春、秋季平均气温升高，夏季平均气温略有降低。容易认为全球变暖可能会使近地面层变干，陆地上水体蒸发量应上升，而实际结论却与此相反。根据相关研究，蒸发量减少趋势主要是因太阳辐射量减少所致,而非气温上升所致。

图3 颍河上游区历年降水量、蒸发量5年滑动平均过程线图

图4 颍河上游区告成、白沙站年实测径流深5年滑动平均过程线图

（二）径流量变化趋势

径流深的计算分析分别采用告成、白沙两站流量资料，为反映河道实际来水量的变化趋势，未对径流量、径流深进行还原计算，其中白沙水库站考虑了水库蓄变量的影响。

根据两站历年径流深历年变化过程线图（图略），两站径流深均存在逐年减少的趋势，且基本同步，告成站径流深系列（1955～2010年）统计量Z为-2.813，白沙水库站径流深系列（1953～2010年）统计量Z为-4.783，因此两站径流深均有显著下降趋势。从2001年至2010年，两站年径流深差值较大，且白沙径流深要小于上游告成站径流深，这可由两站5年滑动平均过程线图得到进一步的反映。

为进一步分析径流变化规律，绘制了颍河上游区告成、白沙站年降雨径流关系图（图5），由图5可知，年径流深出现了较大变化，20世纪八十年代中期后，其年降雨径流关系线均较以前的关系线左移，反映了因取用水增加，同样降雨量造成河道来水减少。

图5 颍河上游区告成、白沙站年降雨径流关系图

（三）突变分析

Mann-Kendall突变检验结果表明，蒸发量在1988年发生突变，告成径流深在1986年发生突变，白沙水库径流深在1990年发生突变。而根据滑动t检验结果，蒸发量在1987年发生突变，告成径流深在1984年发生突变，白沙水库径流深在1984年发生突变。综合两种方法可确定蒸发量和径流量的变化点为20世纪80年代中期。

通过调查分析，白沙水库下游的许昌市龙岗发电有限公司2001年开始从白沙水库通过管道引水，近10年来年平均从白沙水库取水1215万m3，而上述水量并未反映在白沙水库出库实测水量中，因此也就解释了为何从2001年至2010年，白沙、告成两站实测年径流深相差较大的主要原因。此外告成到白沙水库区间工矿企业引水、煤矿开采疏干排水等也对白沙水库站径流深的的变化产生了一定的影响。

四、结语

根据对颍河上游白沙水库以上降雨、蒸发、径流等的分析，可得出以下结论：一是年降水量无明显变化趋势，蒸发量呈明显的减小趋势，告成站和白沙水库站两站年实测径流量及径流深也显著减小，特别是近20多年；二是根据Mann-Kendall突变检验和t滑动检验结果，蒸发量和径流量在20世纪80年代中期发生了突变；三是蒸发量减小原因可能是因人类活动影响太阳辐射，造成太阳辐射较少，从而造成蒸发量减小；四是随着经济社会的快速发展，流域内及沿河取用水量的增加，导致河道内实测径流量急剧减少，说明人类活动对白沙水库以上地表径流的影响是比较严重的；五是通过对告成、白沙水库两站径流数据的分析，近10年来白沙水库实测水量显著较少的主要原因系下游许昌市龙岗发电有限公司引水所致。

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