邯郸主城区降水径流变化趋势分析

王小鹏，王玉梅，吴 旭

邯郸主城区降水径流变化趋势分析

王小鹏1，王玉梅2，吴 旭2

（1.河北建设勘察研究院有限公司，河北石家庄050030；2.河北省邯郸水文水资源勘测局，河北邯郸056001）

城市化是促使自然环境变化的最强大的因素之一，城市化的过程增进了人类社会与周围环境之间的相互作用过程。随着邯郸城市化水平的不断提高，引发了一系列城市水资源与水环境问题。研究了1956年以来邯郸主城区降水量与径流量的变化趋势，并对二者进行相关分析。研究结果表明，邯郸主城区降水量无明显变化趋势而径流量则有明显下降趋势，且1970年以后二者的相关性显著下降。

城市化；M-K检验；趋势法；相关性；邯郸

1 研究背景

华北山前平原西依太行山，北依燕山，是我国第二三阶梯过渡地带。近年来，随着城市化进程的加快，山前平原城区水资源供需矛盾突出，地下水位处于下降趋势，城区洪涝灾害严重[1]。邯郸主城区位于太行山前平原，其气候条件和城区下垫面条件都具有代表性，具有重要的研究意义。

邯郸市主城区位于河北省最南部，西依太行山，东连邯郸平原，是滏西平原的一部分，位于北纬36° 14′～36°43′、东经113°53′～114°28′，包含丛台区、复兴区与邯山区3个行政区。2014年邯郸市行政区划重新划分后，邯郸县三陵乡、黄粱梦镇并入丛台区，康庄乡与户村镇并入复兴区，邯郸主城区行政面积由177.3 km2增大至392.4 km2。

1.1 地形地势

邯郸主城区地势西高东低，由丘陵、岗坡地、冲洪积扇和冲积平原组成。丘陵区主要分布在城区西部，海拔高程为300～1 000 m，地表由闪长岩、砂页岩和较大面积的黄土组成。岗坡地主要分布在城区中部，海拔约为60～100 m，为丘陵与平原的过渡地带，地面多由黄土组成。冲洪积扇和冲积平原位于城区东部，海拔约45～60 m，由黄土沉积物和夹杂碎石洪积物组成。

1.2 气象水文

邯郸主城区属北温带半湿润大陆性季风气候区，四季分明，雨热同期，具有春季干旱多风、夏季炎热多雨、秋季天高气爽、冬季寒冷少雪等特征。

据历年气象资料统计，邯郸主城区多年平均气温为14.0℃，极端最高气温为1972年6月11日的41.0℃，极端最低气温为1972年1月26日的-18.3℃；年日照时数为2 370.3 h，年日照率为53.0%；无霜期为207.8 d，初霜期一般出现在10月下旬，终霜期则出现在3月下旬。经统计计算，邯郸主城区1956—2014年系列的多年平均年降水量为502.2 mm，其中多年平均汛期（6—9月）降水量为376.8 mm，占多年平均年降水量的75.0%。

1.3 河流水系与水利工程

邯郸主城区内的天然河流有滏阳河及其支流渚河、沁河、输元河，人工河道有南水北调中线渠，自南向北穿过城区。其中，滏阳河为常年性河流，渚河、沁河、输元河为季节性河流。滏阳河为子牙河水系一级支流，发源于邯郸市峰峰矿区和村镇附近，经东武仕水库调节后，流经磁县，由南向北穿过邯郸主城区。渚河、沁河与输元河均自西向东先后汇入滏阳河，是排泄主城区南、中、北大部雨、污水的主要河道。渚河位于邯郸市城区的西南部，上游有分别发源于复兴区西望庄和会星头的南、北2条支流，2条支流于西大屯村汇合后称渚河，向东流经邯山区张庄桥村南于节制闸上游汇入滏阳河，河道全长28.7 km，流域面积84.0 km2。沁河发源于武安市康二城镇车网口、兴盛庄一带，向东流入邯郸主城区，于丛台区春厂汇入滏阳河，河道全长43.8 km，集水面积186.5 km2。1957年，在沁河齐村修建拦河坝并开挖溢洪道，使齐村拦河坝以上的沁河水改道流入输元河。输元河位于邯郸主城区西北部，发源于丛台区紫山东麓姜窑村一带，并汇入齐村大坝以上沁河来水，于苏里村西北汇入滏阳河，河流全长19.9 km，流域面积73.1 km2。

自新中国成立至今，经过邯郸水利人的奋斗拼搏，兴建了众多的防洪、除涝、灌溉和水土保持等水利工程。目前，邯郸市主城区包含小（1）型水库2座、小（2）型水库9座、橡胶坝3处、节制闸4处。各类水利工程设施的兴建，大大提高了邯郸主城区抵御自然灾害的能力，但同时也改变了当地下垫面状态与径流形成条件。由于大部分水利工程集中修建于1970年以前，故本文以1970年为界，将1956—2014年降水与径流量实测资料序列分为先后两部分，分别进行趋势计算分析，并进行比较。

2 M-K检验法介绍

曼-肯德尔检验法（即Mann-Kendall检验）是世界气象组织推荐并已广泛使用的非参数检验方法，简称M-K检验法。它可以检测流域降水的长期变化趋势和突变情况。在时间序列趋势分析中，M-K检验法最初由Mann和Kendall提出，许多学者不断应用该方法分析降水、径流、气温和水质等要素时间序列趋势变化[2-3]。

M-K检验法无需样本服从一定的分布，也不受个别异常值的干扰影响，适用于水文非正态分布数据且计算简便。在M-K检验中，原假设H0为时间序列数据（x1,…,xn），是n个同分布的独立随机变量的样本；假设H1是双边检验，对于所有的k，j≤n，且k≠j，xk和xj的分布不相同，统计变量S计算公式为：

式中：x为被检测样本值，本文采用邯郸主城区的年降水量序列。

其中：

S为正态分布，其均值为0，方差var(S)=n(n-1) (2n+5)/18。当n≥10时，标准正态统计变量z通过下式计算：

在双边的趋势检验中，在给定的α置信水平上，如果|z|≥z1-α/2，则原假设是不可接受的，即在α置信水平上时间序列数据存在明显的上升或下降趋势：大于0时是上升趋势，小于0时是下降趋势。当|z|＜z1-α/2时，接受原假设，即趋势不显著。

3 降水量变化趋势分析

根据邯郸主城区及其周边1956—2014年的雨量资料，选取临洺关、武安、张庄桥、淑村等雨量站计算邯郸主城区逐年降水量，分别采用趋势线法和M-K检验法对比分析邯郸主城区近59 a年降水量的变化趋势。由于从1970年开始人类活动影响显著，各种水利工程不断建成运行，城市建设进程明显加快，为了更好地反映现状及未来来水情势，现采用1956—2014、1971—2014年两段系列资料分别分析，如图1—2所示。

图11956 —2014年年降水量系列趋势分析

图21971 —2014年年降水量系列趋势分析

由图1—2可知，降水量极大值1 300 mm出现于1963年，极小值194.8 mm出现于1986年，1956—2014年降水量系列呈下降趋势而1971—2014年降水量系列变化趋势不明显。

采用M-K检验法，在置信水平0.95下，邯郸主城区两系列降水量资料均无明显趋势，见表1。

表1 降水量及径流量系列资料M-K检验法结果

4 径流量变化趋势分析

依据《河北省邯郸县水资源评价》、历年邯郸市水资源公报成果及张庄桥水文站实测资料进行计算，得到邯郸主城区1956—2014及1971—2014年年径流量系列。通过趋势法及M-K检验法对径流量系列进行趋势分析，如图3—4所示，见表1。

图31956 —2014年年径流量系列趋势分析

图41971 —2014年年径流量系列趋势分析

由图3—4可知，邯郸主城区径流量呈下降趋势且下降趋势较降水量更为显著，1970年后径流量下降趋势减缓。

M-K检验法与趋势法结果均表明，邯郸主城区年径流量呈明显下降趋势且1971—2014年年降水量无明显变化趋势。

以1970年为界，将1956—2014年分成2个时间序列，分别对1956—2014、1956—1970、1971—2014年3个系列的降水量与径流量进行相关分析，如图5—7所示。

图51956 —2014年年降水量与径流量系列相关分析

图61956 —1970年年降水量与径流量系列相关分析

图71971 —2014年年降水量与径流量系列相关分析

由图5—7可知，1956—1970年系列年降水量与径流量相关性最好，相关系数达到0.95；而1971—2014年系列相关性最差，仅为0.71。

经分析发现，从1970年开始，人类活动影响显著，城市建设进程明显加快，城区面积不断扩大，使得城区蒸发量减小、径流量增大，改变了径流的形成与排出比例，致使1970年以后的邯郸主城区年径流量与降水量相关程度下降。

5 结论

（1）由以上分析结果证明，M-K检验法能较好地揭示年降水量及径流量序列变化趋势特征。

（2）降雨量是影响径流量变化的主要原因，但城市化速度越来越快，对城市自然环境影响越来越显著[4]。城市化进程明显改变了径流的形成和排出比例，不仅使城市水资源大量流失，使枯季径流量减少，汛期径流量增大，而且易形成城市内涝，给城镇居民的生命财产安全带来严重威胁。

（3）城区不断建设与扩大，改变了区域下垫面条件（包括植被、土壤、水面、耕地等因素），径流、下渗、蒸发等水平衡要素发生变化，致使当地径流系数发生改变，径流资料出现“拐点”，不能直观地反映当地气象水文情况。

[1]郭凤震.华北山前平原城区雨洪预报及资源利用关键技术研究[J].河北水利，2014（9）：21-22.

[2]张璐，周跃.Mann-Kendall检验及其在河流悬沙浓度时间序列分析中的运用[J].新疆环境保护，2007，29（3）：19-22.

[3]张燕明，文俊，王新华.基于Mann-Kendall分析的昆明降雨与气温变化趋势研究[J].安徽农业科学，2011，39（25）：15755-15757.

[4]袁建球.苏州市区降雨径流关系初步分析[J].水文科技信息，1997（2）：46-48.

TV121+.1

A

1004-7328（2017）02-0052-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.02.016

2017—01—15

王小鹏（1980—），男，工程师，主要从事水文地质工作。