浑河流域下垫面变化对径流系数影响的分析

刘艳娟，许晓艳，胡 娜

（1.辽宁省水环境监测中心鞍山分中心，辽宁 鞍山 114002；2.辽宁省水文水资源勘测局，辽宁 沈阳 110003；3.大连市水利规划设计院，辽宁 大连 116021）

1 浑河流域概况

浑河为辽宁东部地区较大的河流，流域南部与太子河毗邻，北与清、柴、汎河接壤，东部以龙岗山脉与鸭绿江及松花江流域分界。浑河发源于清原县湾甸子镇，长白山支脉滚马岭，流经抚顺、沈阳、辽阳、鞍山4个市。浑河全长415 km，流域面积11481 km2。浑河流域主要支流有英额河、苏子河、社河、东洲河、古城河、细河、蒲河等。

2 流域下垫面变化分析

从浑河流域平面演变、纵向演变、横向演变等方面分析，浑河大伙房水库以下河段大部分位于城市段，受堤防和拦河建筑物影响，横向和纵向演变较为稳定；部分河段受采砂等人为影响，河道下切较为严重。

在浑河干流上建有大伙房1座大型水库，支流上建有后楼、小孤家、红升、腰堡、关山、英守、红河（电站）等7座中型水库（电站），另建有小（Ⅰ）型水库33座（含1座水电站）。大伙房以上流域内1979年前建成的中小型水库的库容占现在总库容的50%以上，还有大量池塘及拦河坝工程。

3 分析方法原理

采用趋势变化及趋势变异识别分析法，分析浑河流域下垫面对径流系数的影响。趋势变化及趋势变异识别各种方法的原理如下。

3.1 滑动平均法

对于原序列（x1，x1，……，xn）的滑动平均，使原序列变得平滑，形成新的系列yt中通过目估的办法判断序列是否有明显变化趋势。

3.2 Hurst系数法

H系数常用来定量表证水文序列是否为随即序列，以及对序列的长期相关性进行分析，通过计算水文系列的Hurst系数H，与临界值比较判别系列变化特点。

Hurst系数计算的常用方法为R/S分析方法，又称为重标极差分析，时间序列｛X（t）｝，t＝1，2，…，对于任意正整数τ≥1，定义均值序列

用ζ（t）表示累积离差：

极差R定义为：

R（τ）＝maxζ（t，τ）-minζ（t，τ），τ＝1，2，…，n

标准差S定义为：

考虑比值 R（τ）/S（τ）＝R/S，对于给定的序列，任何长度τ的 R/S均可统计计算。R/S＝（cτ）H，可以推出 ln[ R（τ）/S（τ）]＝H（ lnc+lnτ），用最小二乘法可求得参数c和Hurst系数H，根据下式计算分数布朗运动增量的相关函数C（t），利用相关函数C（t）值进行显著性检验。在给定显著水平为α的条件下，当C（t）小于临界值rα时，认为序列的长期相关性不显著，即序列非一致性不显著；当C（t）大于等于临界值rα时，认为序列的长期相关性显著，即序列非一致性显著。

假设检验时选用的显著性水平常用的 α＝0.05，非一致性程度按表1判断。

表1 非一致性判断标准表

3.3 突变点检验方法

1）Mann—Kendall检验法

Mann—Kendall检验（简称Mann—K检验）是世界气象组织推荐的一种非参数检验方法。对于具有n个样本量的时间序列x，构造一秩序列，定义统计变量为：

求出时间序列的UFk和UBk值。UFk服从标准正态分布，原假设：序列无趋势变化。采用双边趋势检验，在给定一显著性水平α下，查正态分布表得到临界值Uα/2，（如α＝0.05，显著性水平临界值为±1.96）。若|UFk|＜Uα/2，接受原假设，即序列无趋势变化；若|UFk|＜Uα/2，拒绝原假设，即表明序列存在一个明显的增长或减少趋势。所有UFk将组成一条随时间变化曲线，如果该曲线落在置信区间（-Uα/2，+Uα/2）内，那么原序列不存在变化趋势，反之，原序列存在显著的变化趋势。将时间序列按逆序排列，再计算，UBk＝-UFk′（k′=n+1-k），如果UFk和UBk两条曲线出现交点，且交点在临界直线之间，那么交点对应的时刻就是突变开始的时刻。

2）滑动T检验法

两个正态随机变量均为小样本时，T检验法可用来检验它们的数学期望是否有显著差异。滑动T检验法是针对传统T检验法只能用于已知变异点的检验，而无法用于变异点的识别问题。设变异点τ前后两序列总体的分布函数各为 F1（x）和 F2（x），从总体 F1（x）和 F2（x）中分别抽取容量为n1和n2的两个样本，构造T统计量为：

4 下垫面对径流系数的影响分析

径流系数是一定汇水面积地面径流量与降雨量的比值，是任意时段内的径流深度y（或径流总量W）与同时段内的降水深度x（或降水总量）的比值。径流系数说明在降水量中有多少水变成了径流，它综合反映了流域内自然地理要素对径流的影响。

以浑河流域主要控制站大伙房水库站1955—2010年径流系数系列进行分析。

4.1 年径流系数变化分析

从大伙房水库年径流系数变化图（如图1）可以看出，由于下垫面变化影响，大伙房水库的年径流系数总体呈减小趋势。

图1 大伙房水库年径流系数变化图

4.2 径流系数变异初步分析

1）10年滑动平均值法

首先采用10年滑动平均值法，分析大伙房水库年径流系数10年滑动趋势，年径流系数总体呈减小趋势，如图2所示。

图2 大伙房水库年径流系数10年滑动趋势图

2）Hurst系数法

根据Hurst系数法，对大伙房水库以上流域降雨及径流系数进行Hurst系数法检验，算得降雨C（t）值0.1999，查样本数为52年相关系数取显著水平α＝0.05的r（0.05）为0.2732，C（t）小于 rα，即降雨无明显的非一致性变化。径流系数C（t）值0.6679，查样本数为52年相关系数取显著水平 α＝0.05 的 r（0.05）为 0.2732，C（t）大于 rα，即径流系数产生明显的非一致性变化。由于径流主要由降雨产生，而降雨没有明显的非一致性变性，径流系数产生明显的非一致变化的原因为下垫面的变化。

4.3 变异点识别分析

对大伙房水库径流系数进行突变点检验，利用依据Mann—Kendall检验法如图3，UBk与Ufk无接近相等。滑动T检验出现最大值年份1979年，结合流域下垫面实际情况综合考虑，因此选择突变点为1979年。

图3 Mann-Kendall分析成果

大伙房以上流域降雨进行一致性分析，得出降雨没有产生明显的非一致性变化，由此可见，降雨不是大伙房径流系列减小的主导因素。通过分析流域内的下垫面变化情况，可以发现，在20世纪70年代末，由于农业结构发生了明显的改变，流域内农田水利工程建设及灌溉农业的大力发展，对径流的影响日益加重，大伙房以上流域内1979年前建成的中小型水库的库容占现在总库容的50%以上，大量池塘及拦河坝也减小了径流量。总之，流域内下垫面的变化造成了流域径流的明显减少，使径流系列的一致性遭到破坏。

4.4 径流系数年内变化规律分析

以1979年为界，统计分析1979年前后各月径流系数变化规律，分析大伙房水库上游修建水库前后，不同丰枯期对水库产流特性的影响规律，分析的径流系数随时间变化趋势线的斜率统计见表1。

可以看出1979年前后，各月的径流系数变化趋势中径流量均有减小趋势，仅7月份表现出增大趋势，而径流量影响比重较小的月份为4—8月。总的是各月径流均有减小趋势，1979年以后的系数较1979年以前的系数明显减小。

表1 年内径流变化趋势统计成果表

5 结语

1）受流域下垫面变化影响径流系列演变规律：滑动平均值法分析，浑河流域大伙房水库站年径流系数总体呈减小趋势；变异点识别分析，浑河大伙房水库站年径流系数系列一致性遭到破坏，主要是由于流域下垫面受人类活动影响而发生改变，以变异点1979年为分界点。

2）受流域下垫面变化影响径流系列年内演变规律：以1979年为界，大伙房水库上游修建水库前后各月的径流量均有减小趋势，界点以后较以前明显减小，原因主要是人类活动使流域下垫面发生了变化。

［1］李栋梁，谢金南，王文.中国西北地区夏季降水规律及其异常研究［J］.大气科学，1997，21（3）：331-340.

［2］李少娟，钱永甫.2006.中国降水年内分配的时空演变规律之新法研究［J］.南京气象学院学报，2006，29（3）：315-321.