陕北窟野河年径流变化特征分析与诊断

吴喜军,李怀恩，孙志勇,董　颖

(1.榆林学院建筑工程系，陕西 榆林　719000；2.西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地/ 西安理工大学水利水电学院，陕西 西安　710048;3.榆林学院能源工程学院,陕西 榆林　719000)



陕北窟野河年径流变化特征分析与诊断

吴喜军1,2,李怀恩2，孙志勇3,董颖1

(1.榆林学院建筑工程系，陕西 榆林719000；2.西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地/ 西安理工大学水利水电学院，陕西 西安710048;3.榆林学院能源工程学院,陕西 榆林719000)

摘要：利用窟野河温家川站1961—2010年的流量资料，采用滑动平均法、距平累积法分析了近50 a来径流序列的变化特征，采用Mann-Kendall检验法和滑动t检验法确定了径流序列的突变点，并将各种方法得出的径流变化特征及突变时间进行分析和对比，初步讨论造成径流变化的主要原因。结果表明，窟野河近50 a来流量明显减少，径流时间序列可以大致划分为1961—1979、1980—1998和1999—2010年 3个时期，人类活动特别是21世纪以来煤炭资源的大规模开采对窟野河流量减少有重要影响。

关键词：窟野河；径流变化；时间序列；Mann-kendall检验法；滑动t检验法

自20世纪以来,由于气候变化和人类活动的影响,河川径流已经发生了显著变化,水资源安全受到极大威胁[1]。ZHANG等[2]对于环境变化下河川径流变化检测的研究表明,径流变化较温度等具有更大的不确定性。粟晓玲等[3]研究表明不同径流来源区的降雨变化对入黄径流变化的影响不同,其中关中地区影响最大。宋晓猛等[4]提出未来需要重点加强水循环要素时空变异特征的诊断研究。

陕北地区水资源严重短缺,窟野河流域作为大型煤炭开采区,是典型的受人类活动影响区域。目前对窟野河径流演化过程及影响因素的已有研究主要集中于径流影响因素的识别[5-6],径流变化特征研究不够深入,时间序列较短,方法单一。河道径流变化特征研究是后期径流影响因素识别的基础，为此,笔者采用多种方法对位于煤炭开采区的窟野河1961—2010年平均径流序列进行分析和诊断。

1研究区概况

窟野河是黄河中游的一级支流,发源于内蒙古自治区鄂尔多斯市巴定沟,流经内蒙古伊金霍洛旗和陕西省府谷县,于神木县贺家川镇汇入黄河。干流全长242 km,流域面积8 706 km2,其中神木县境内有4 499 km2,流域多年平均蒸发量为1 788.40 mm,多年平均风速为2.30 m·s-1。1980—2010年流域内工业用水增加近10倍,但农业用水基本不变,2010年总用水量约1.1亿m3,该时段水土保持面积占比由15%增加到40%左右[7]。窟野河流域多年平均降雨量为413.41 mm,入黄控制站温家川的多年平均径流量为5.11亿m3。流域内煤炭资源丰富,20世纪80、90年代平均年煤炭开采量为312万t,1998年首次超过1 000万t,之后开始大规模开采,2010年达1.61亿t。

2径流变化分析

该研究采用的温家川站流量数据来自于黄河水利委员会出版的《黄河流域水文年鉴》[8]。 分别采用滑动平均法、距平累积法、Mann-Kendall检验法和滑动t检验法对窟野河年平均径流序列进行分析,以期找出其变化特征及突变时间。

2.1滑动平均法

滑动平均法是一种简单的平滑预测方法[9],其计算公式为

(1)

式(1)中,yi为i点的滑动平均值;xj+i为j+i点的序列值;k为单侧平滑时距;2k+1为滑动长度。

根据样本数量选取适当的k值,将原序列中的高频振荡加以平均,从而反映序列的长期变化趋势。取k=2,对窟野河温家川站径流序列进行5 a滑动平均,分析其径流序列的演变特征(图1)。

图1　1961—2010年温家川站平均流量及5 a滑动平均曲线

由图1可以看出,近50 a来温家川站流量下降明显。1980年前流量保持在22 m3·s-1左右,但有几次大的波动,20世纪60年代末和70年代末流量较大;之后流量明显下降,20世纪80、90年代在15 m3·s-1左右波动,接近多年平均流量;20世纪90年代末,流量再次大幅下降后保持在5 m3·s-1左右,5 a滑动平均流量与实际流量基本相同。

2.2累积距平法

应用累积距平法时,如果累积距平曲线呈上升趋势,即距平值增加,则该时刻的流量值大于序列平均值,反之则小于序列平均值[10]。序列x在某一时刻t的累积距平可以表示为

(2)

(3)

图2显示,20世纪60、70年代累积距平曲线呈明显上升趋势,但是越来越平缓,说明这一时期温家川站流量大于平均流量,但是有减少的趋势;20世纪80年代和90年代前期变化比较平稳,说明这一时期的流量和平均流量接近,累积距平未再增加;20世纪90年代后期累积距平曲线呈明显下降趋势,说明这一时期温家川流量开始减少,低于平均流量。从曲线起伏可以诊断出流量突变的大致时间为1979年和1996年前后。

图2　1961—2010年温家川站年平均流量累积距平曲线

2.3Mann-Kendall检验法

曼-肯德尔(Mann-Kendall)检验法的优点是样本不需要遵从一定的分布,也不受其中少数异常值的影响,计算过程简便[11]。若时间序列x具有n个样本,则其秩序列为

(4)

(5)

式(4)～(5)中,ri为i时刻以前数值xj小于xi的样本数;秩序列Sk为所有ri的累计数。

假设时间序列随机独立,定义统计量如下:

(6)

E(Sk)=k(k+1)/4,

(7)

var(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72。

(8)

式(6)～(8)中,Sk为检验统计量;UFk为Mann-Kendall统计量,UF1=0。UFk为标准正态分布,在给定显著性水平α的情况下,若|UFk|>Uα,表明该序列趋势发生显著变化。

将时间序列x逆序排列,并使UBk=-UFk(k=n,n-1,…,1),UB1=0,再重复上述计算过程。若UFk<0,则序列呈下降趋势;若UFk>0,则相反;UFk绝对值越大,则变化趋势越显著。如果UFk和UBk曲线的交点出现在临界直线之间,则其对应的时间就是序列突变点[12]。

对温家川年平均流量采用Mann-Kendall法进行检验分析,并绘制统计曲线(图3)。设显著性水平α=0.05,则Uα=±1.96。

UFk为Mann-Kendall统计量；UBk为将时间序列逆序排列后计算的Mann-Kendall统计量。

由图3可见,自1961年以来,UFk基本都小于0,说明温家川年平均流量一直呈递减趋势。20世纪60年代末和70年代末有2次峰值,这与滑动距平法的计算结果相一致;20世纪80年代以来UFk曲线开始出现单边下行,一度低于临界值Uα(-1.96);1998年UFk曲线与UBk曲线相交,之后UFk开始快速下降,2010年Mann-Kendall统计量达-6.10,表明1998年后温家川年平均流量下降趋势显著。因此可以确定,1998年以来温家川年平均流量下降为突变现象。

2.4滑动t检验法

(9)

(10)

方程遵从自由度v=n1+n2-2的t分布。

采用该方法对温家川年平均流量进行检验,选择2段子序列长度n1=n2=5,通过连续设置基准点,按照式(9)～(10)计算其统计量。显著性水平α=0.05对应的临界值为t0.05=2.31,如果|ti|>tα,则表示在基准点时刻发生了突变,前后2段子序列均值有显著差异,否则认为没有发生突变。

从图4可以看出,1961—2010年温家川站年平均流量滑动t统计量有3处超过了0.05显著水平的临界值t0.05,分别是1979、1996—1999和2004年,此外1970年也接近于临界值。

图4　1961—2010年温家川站年平均流量的滑动t统计量曲线

这说明1961年以来温家川站年平均流量经过3～4次较明显的突变。这几次突变中滑动t统计量均为正值,说明应该是河道流量减少引起的突变。其中最明显的是1998年的突变,t统计量超过了0.001显著水平的临界值5.04,说明在该时间前后流量的变化趋势发生了很大变化;1979年前后流量的变化趋势也发生了较大变化;2004年后期数据较少,具体变化趋势不明显,可以忽略。因此近50 a来窟野河主要的流量突变点有1979和1998年2处。

3结果与分析

3.1降雨径流变化分析

窟野河径流以降水补给为主,约占径流总量的70%(包括冰雪消融),地下水补给占30%。窟野河流域降雨量东多西少、南多北少,年际变化较大,多年平均降雨量为413.41 mm,最大年降雨量679.91 mm(1967年)是最小年降雨量190.19 mm(1965年)的3.57倍。由图5可以看出,窟野河流域降雨量总体上呈现稳中有降的变化趋势。在20世纪80年代之前,窟野河径流量和降雨量严格对应,两者明显相关;20世纪80、90年代,窟野河降雨量变化不大,但是径流量开始缓慢减少,两者相关性减弱;从20世纪90年代末开始,窟野河降雨量略有减少,径流量则大幅度减少,平均径流量只有多年平均值的30%,两者基本不存在明显的相关性。由此可以得出,20世纪80年代之前降雨量等自然因素是窟野河径流的主要影响因素,21世纪煤炭开采等人为因素开始显著影响河道径流。

图5　1961—2010年窟野河流域年平均降雨量及温家川站年平均径流量对比

窟野河流域降雨量年内分配极不均匀,大暴雨较多,其中汛期(7—9月)多年平均降雨量为261.09 mm,占全年降雨量的63%。因此窟野河径流量年内分配也极不均匀,变差系数(Cv)为0.65。由图6可以看出,窟野河年内径流量的变化与降雨量密切相关,径流量集中于7—9月,8月最大。但是随着时间的推移,汛期径流量所占比例越来越小,由早期的63%降到近期的47%,窟野河径流的大幅度减少主要发生在汛期。窟野河最小径流出现在每年的12—次年2月,同期降雨量也很少;因河川冰雪消融有春汛,虽然同期降雨量也很少,3月窟野河平均径流量仍达全年径流量的13%。窟野河流域蒸发损失较大,径流系数不到0.2。

3.2径流变化原因分析

笔者前期研究[14]表明,20世纪80年代前,降雨量等自然因素是窟野河径流的主要影响因素;20世纪80、90年代,水土保持面积大幅度增加,除了降雨等自然因素,水土保持措施等人为因素也开始影响河道径流;21世纪,窟野河流域煤炭开采量的大幅增加与河道径流的大幅减少相对应(图7)。

图6　窟野河流域多年月平均降雨量及温家川站多年月平均径流量对比

图7　窟野河流域煤炭开采量与河道径流量对比

3.3结果

通过对比滑动平均法和距平累积法对温家川站年平均流量的分析结果,可以发现1961—2010年河道流量的突变主要有2处,分别是20世纪70年代末和90年代末。再结合Mann-Kendall检验法和滑动t检验法的分析结果,可以确定这2处突变点分别是1979和1998年。因此根据窟野河径流的变化规律可以将其时间序列分为3个时期,分别是1961—1979、1980—1998和1999—2010年。

由表1可知,1961—1979年温家川站平均年径流量为7.38×108m3,变差系数Cv值为0.35;1980—1998年平均径流量和多年平均值接近,为5.03×108m3,Cv值为0.27;1999—2010年平均径流量突然降为1.65×108m3,较前一时期减少67 %,Cv值为0.19。3个时期的Cv值越来越小,说明流量变化幅度减小;而且各个时期的Cv值都低于1961—2010年的Cv值0.55,这说明将窟野河径流时间序列划分为3个时期是比较合理的。

表1温家川站不同时期径流量统计

Table 1Statistics of runoffs of various time periods monitored at the Wenjiachuan Hydrologic Station

年份平均径流量/108m3变差系数Cv1961—19797.380.351980—19985.030.271999—20101.650.191961—20105.110.55

4结论

(1)由滑动平均法和距平累计法计算可知,窟野河近50 a来径流明显减少,突变主要发生在20世纪70年代末和90年代末;径流量由20世纪60、70年代的22 m3·s-1下降到80、90年代的15 m3·s-1,21世纪再大幅下降到5 m3·s-1左右。

(2)根据Mann-kendall检验法和滑动t检验法的对比分析可知,1961—2010年窟野河径流的突变时间点为1979和1998年。据此可将该序列分为3个时期:1961—1979年径流量大于多年平均流量,但呈现减少趋势;1980—1998年径流量变化不大,基本等于多年平均流量;1999—2010年径流量明显减少,远小于多年平均流量。

(3)在窟野河径流变化的长序列中,1961—1979年降雨量等自然因素是河道径流变化的主要影响因素;1980—1998年流域内水土保持面积大幅增加,除了降雨等自然因素,水土保持等人为因素也开始显著影响河道径流;1999年以后,流域内煤炭开采量的大幅增加与河道径流的大幅减少相对应,煤炭开采开始显著影响河道径流。

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(责任编辑： 许素)

收稿日期：2015-07-20

基金项目：陕西省自然科学基金(2014JM2-5063);榆林市产学研合作项目(2014CXY-11);榆林学院博士科研启动基金(16GK07)

中图分类号：X21

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)04-0558-05

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.04.007

作者简介：吴喜军(1979—),男,陕西榆林人,副教授,博士,主要研究方向为水资源保护及非点源污染。E-mail: wxj0826@163.com

Analysis and Diagnosis of Changes in Annual Runoff in Kuye River Valley in North Shaanxi.

WU Xi-jun1,2， LI Huai-en2， SUN Zhi-yong3, DONG Ying1

(1.Department of Architecture Engineering, Yulin University， Yulin 719000, China;2.State Key Laboratory Base of Eco-Hydraulic in Arid Area/ Institute of Water Resources and Hydro-Electric Engineering, Xi′an University of Technology, Xi′an 710048， China;3.Department of Energy Engineering, Yulin University, Yulin 119000, China)

Abstract:Based on the 1961-2010 data of the flow in the Kuye River monitored by and stored in the Wenjiachuan Hydrologic Station, changes in runoff flow in the past 5 decades were characterized with moving average method and cumulative anomaly method and abrupt junctions in the runoff sequence identified with Mann-Kendall test method and sliding t test method. Then runoff characteristics and times of abrupt junctions worked out with various methods were analyzed and compared, and main causes triggering changes in runoff discussed preliminarily. Results show that the past 5 decades witnessed the Kuye River declining in runoff. The runoff time sequence could roughly be divided into three periods: 1961-1979, 1980-1998 and 1999-2010. Human activities, especially the large-scale exploitation of coal mines early this century, has rendered a great impact on runoff in the Kuye River Valley.

Key words:Kuye River;runoff change;time series;Mann-Kendall test method;sliding t test method