榆林地区降雨径流关系及产汇流机制分析

强文博

0 引言

榆林市地属干旱、半干旱大陆性季风气候区，气候干燥，蒸发强烈，降水较少[1]。榆林市年平均降水量为405 mm，仅为全省平均降雨量的59%，且降水分布不均，风沙区一般在325～425 mm之间，丘陵区在400～500 mm之间[2]。市内多年平均水面蒸发量为1211 mm，约为降水量的三倍，陆面蒸发量为342.6 mm，多年平均气温为10.7℃左右[3]。

榆林市境内河流主要有黄河水系和全省唯一的内陆水系。黄河为晋陕界河，从府谷入陕西省，流经府谷、神木、佳县、吴堡、绥德、清涧6县，共270 km。集水面积在100 km2以上的河流共有109条，较为有代表性的为“四河四川”：无定河、窟野河、秃尾河、佳芦河、皇甫川、清水川、孤山川、石马川[4]。无定河为全市最大河流，发源于定边县长春梁东麓，流经定边、靖边、横山、榆阳、米脂、绥德、清涧7县（区），流域面积30261 km2，较大的支流有大理河、淮宁河、榆溪河、芦河[5]。清涧河、延河、洛河及泾河上游支流流出榆林市境外，进入延安地区。内陆水系流域面积较大的有八里河和红碱淖。八里河是陕西省最大的内陆河，发源于定边县东南白于山地，消失于东部石洞沟乡，河流长约51 km，流域面积1374 km2[6]。红碱淖是陕西省最大的内陆湖泊，湖面总面积50.3 km2，总蓄水量10亿 m3，由蟒盖河、齐盖素河、尔林兔河、前庙河等12条河流注入[7]。除此之外，北部风沙区还分布有大小不等的海子200多个，水面达120 km2。

由于黄土高原地区特殊的地形地貌、植被覆盖以及水文地质条件，地表水与地下水交互强烈，表现出在时间和空间上的复杂性。区域降水与径流的相关性较差，使得在水文分析中常用的降雨径流变化趋势法在黄土高原地区应用起来难度较大，且准确性无法保证。因此，本次研究拟采用回归分析法和Mann-kendall趋势检验法[8]研究榆林地区的降水量和径流量的演化规律，并对两者的相关关系及产汇流机制进行讨论。

1 研究方法与数据来源

1.1 Mann-Kendall趋势检验法

Mann-Kendall（MK）法是由Mann（1945）和Kendall（1975）提出的一种重要的用于时间序列的非参数趋势检验的方法[8]，由于该方法不需要待检序列服从某一概率分布，且不受少数异常值干扰，克服了水文数据偏态、非同分布、有异常值等问题，因而该检验方法在水文统计领域应用较广[9]。MK方法具体原理如下[10]：

假设 X1，2，…n为时间序列变量，n 为时间序列的长度，其统计量S按下式计算：

其中：Xj和Xk为时间序列相应年份数据；n为时间序列长度；sgn（Xj-Xi）为符号函数。

当n≥10时，统计量S近似服从正态分布，其期望和方差分别为：

按照下式可构造标准化的检验统计量：

服从标准正态分布，当时，存在上升的趋势，当时，存在下降的趋势。

1.2 数据来源

为了系统分析榆林地区的降水径流关系及其产汇流机制，选取无定河（赵石窑站）、窟野河（王道恒塔、神木、温家川站）、秃尾河（高家堡、高家川站）、大理河（青阳岔）、小理河（李家河站）、黑木头川（殿市站）、佳芦河（申家湾站）、马湖峪河（马湖峪站）、皇甫川（皇甫站）、清水川（清水站）、孤山川（高石崖站）、黄河（吴堡站）共15个水文站点降雨及径流数据作为本次的研究对象。

（1）降水资料

在中国气象科学数据共享服务网中查找到了榆林市及周边地区共217个站点降雨量的观测资料，其中各站的时间序列长短不同，最早的观测年为1951年。根据观测资料，应用泰森多边形法[11]对不同水文站控制区域的面降雨量进行推求，得到15个水文站点的面降雨量。

（2）径流资料

由于本文所选研究区域内15个水文站点均属黄委会管辖，故其径流数据均采用黄委水文局汇编的《黄河流域水文资料》，代表性和可靠性满足应用要求。

2 降雨量演变规律分析

对15个水文站点的面降雨量进行统计分析，结果见图1。从各站面降水量的年际变化曲线及其趋势线可以得出，各站点的年际面降水量趋势变化并不相同。殿市站面降水量存在小幅增加趋势，马湖峪站保持平稳，其他站点表现出不同程度的缩减趋势。

图1 各水文站面降雨量年际变化

根据Mann-Kendall的趋势检验结果（如表1所示），不难发现其与图1所展现结果基本保持一致。除殿市、马湖峪水文站面降水量略有增加趋势外，其他各站点皆呈现出下降趋势，其中榆林北部地区的高家堡、王道恒塔、神木、高家川、高石崖及温家川站点下降趋势相对更为显著。

表1 各水文站面降雨量Mann-Kendall趋势检验结果

3 实测径流序列的演变规律

将15个水文站点的实测径流量点绘于图2中，得到不同水文站点的实测径流量的年际变化曲线。由各站点的径流年际变化图可看出整个榆林地区的实测年径流均呈现明显的下降趋势。

图2 各水文站点径流量年际变化

4 降雨径流关系分析

为进一步分析榆林地区各水文站点的降雨-径流关系，本文点绘了各站点的面降水量与实测径流量（扣除含沙量，即清水径流量）的相关曲线，如图3所示。由图3可知，榆林地区的降水-径流关系并不理想，相关关系较差。

图3 各站面降水量与实测径流量的相关曲线

5 榆林地区产汇流机制分析

降水-径流关系的分析结果表明，各站面降水量与实测径流量关系呈现非稳定状态，且相关关系不佳，在水文设计中，难以直接采用。因此，对榆林地区进行产汇流的机理分析十分必要。

从榆林地区河川径流的补给来源看，榆林地区的河川径流主要来自于地表产流和地下水补给（即基流）。

地表产流量，即为降水扣除初损、蒸发、入渗以后的地表产流量。从地貌上看，榆林地区大体可分为风沙区和黄土区，风沙区降水入渗量大，入渗速度快，地表产流小，且实际蒸发损失较少。黄土区包气带较厚，降水产流原理大部分地区为超渗产流，相比风沙区地表产流量大，且实际蒸发消耗也较大。

地下水补给量，包括三部分。①降水入渗量，转化为地下径流，并经过地下水系统调蓄后，补给到河流中，其中汛期7～8月份的降水入渗量会在10～11月补给至河流，时滞大概为2～3个月；②融雪补给量，榆林地区通常11月底-12月上旬进入结冰期，次年3月解冻，由于榆林地区风速较大，地表基本无积雪，故解冻期融雪主要通过地下水径流补给至河川径流，通常会在3～4月形成桃汛。③外区侧向补给量，由于榆林地区地表水边界与地下水边界不重合，区内地下水受外区地下水补给（如鄂尔多斯台地地区地下水），导致部分河流的径流量会明显高于区内其他流域。因此，在进行河川基流分割时，通常会将地下水（降水）补给量、融雪补给量、跨区地下水补给量包含在内。

榆林地区河流受地下水补给量较大，一般占30%～80%，长城以北风沙区高达50%～80%（其中榆林和韩家峁受外区地下水补给影响，地下水补给占天然径流的90%），黄土区一般在30%～60%。受地下水补给影响，径流深值的CV值一般呈如下规律：风沙区站点＜风沙黄土区站点＜黄土区站点。

从产流机制上看，榆林地区不同的地貌类型和水文地质特征是导致榆林地区的产流过程和径流过程存在较大的差异的主因：

风沙区：流域内地貌型态主要为波状起伏的沙丘和地形平缓的滩地，地形较平缓，地表为现代风积沙，岩性以粉、细砂为主，厚度一般1～3 m，透水性强；下伏河湖相萨拉乌苏组地下水含水层，岩性以中、细砂为主，厚度一般25～80 m。表层的现代风积沙对降水起到快速渗透作用，下伏的萨拉乌苏组含水层则起到储存作用，二者组合对降雨起到了“削峰”的作用。其“三水”转化主要表现为降水入渗补给地下水，地下水再以泉的形式转化为地表水。表现为丰水季节雨水补给地表水，枯水季节地下水补给地表水，流域下垫面调蓄能力较好，可对降雨起到了“削峰”的作用，水文过程线较平缓。

黄土区：区内侵蚀切割强烈，支沟纵横，地形破碎。地表堆积物以黄土为主，降水入渗系数小。河流阶地为基座式，堆积物以粉土、粉质黏土为主，下部偶含砂砾石，基座为砂岩和砂泥岩，也不利于降水入渗。沟谷深切，地形起伏大，下垫面岩性颗粒细，透水性弱等条件导致该流域降水对地下水补给量较少，降雨迅速汇集，形成地表径流，径流主要由雨季降水直接形成的地表产流补给，具有泥沙含量高、暴涨暴落季节性的“洪水河”特征，径流变化与降水变化同步，冬季径流量小，夏季径流量大。“三水”转化主要表现为绝大部分降水直接转化为地表水，只有少量的转化为地下水，同样的，地下水通过排泄转化为地表水的量也较少[4]。

6 结论

本文对榆林地区年降水量、径流量的趋势变化及相关关系进行分析，发现榆林地区的降水量和径流量基本呈现缩减趋势，且径流量的缩减程度大于降水量。同时，由降水与实测径流的相关关系分析表明，榆林地区的降水与径流关系较差，其原因不仅受到区域人类取用水的影响，地下水补给迟滞效应的影响也尤为重要。降水补给地下水后，经过3个月～1年左右的时间才能补给到河水中，有些地区迟滞时间甚至更长。这就导致了当年降水补给地下水的部分水量不能完全补给到河流中，进而产生降水与实测径流的不同步性。

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