凉水河子站年径流变化趋势及突变分析

(辽宁省朝阳水文局，辽宁 朝阳 122000)

1 概 况

凉水河子河位于辽宁省西部的北票地区，是大凌河流域一级支流，由西官营子河和东官营子河两条河交汇而成，全长44km，流域面积731km2。凉水河子河在北票市凉水河乡双楼村注入大凌河。该区径流主要补给源为大气降水、冰雪融水等。

凉水河水文站位于凉水河子河入大凌河汇合处7km处，该站建于1960年4月，2001年1月由原站址上迁3.5km处。凉水河子站径流年际变化很大、丰枯悬殊。径流年内分配极不均匀，每年6—9月为汛期，汛期径流占年径流量的69.4%；10月至次年5月为枯水期，期间径流量仅占30.6%。

本文选取凉水河子站1960—2012年的实测径流资料，对径流的年际变化进行趋势分析及预测，为该流域的防洪、抗旱及水资源开发利用提供科学依据。

2 资料选取与研究方法

本次分析选取凉水河子站1960—2012年的实测径流资料，采用线性趋势、矩平、变差系数等对径流的年际变化特征进行分析，运用滑动平均法、累积滤波器法、Mann-Kendall分析法对分析径流的趋势变化特征及突变特征进行分析，结合Mann-Kendall法和R/S分析法对径流持续性进行预测。

3 结果分析

3.1 径流年际变化特征

影响径流的因素很复杂，径流不仅受降水量年际变化的影响，同时也受河流所处的地理位置、地形地貌、人为因素等影响。凉水河子站多年平均年径流量为3767万m3, 径流年际变化很大、丰枯悬殊，凉水河子站最大年径流量11306万m3(1963年)，最小年径流量1035万m3(2012年)，年际极值比为10.9，年径流变差系数Cv为0.66。

凉水河子站1960—2012年间，从距平曲线上看，有16年年径流量高于平均值(见图1)，其中有5年发生大洪水；其余的37年年径流量低于平均值，偏枯年占70%，说明这53年中主要是以枯水年为主。

图1 凉水河子站年径流距平

3.2 径流趋势分析

根据凉水河子站年径流资料做出径流变化曲线，如图2。

采用线性趋势法，对凉水河子站年径流变化曲线做线性趋势分析，线性趋势法假定径流序列以恒定速率增加或减少。从图2线性趋势看出，凉水河子河径流整体呈下降趋势，以80.537万m3/a在下降。

图2 凉水河子站径流变化及其滑动平均曲线

运用滑动平均法绘制滑动平均曲线，选取5年作为滑动周期。经过滑动平均后，序列中短于滑动长度的周期被削弱，体现出变化趋势来[1]。从5年滑动平均曲线可以看出：ⓐ1960—1965年呈上升趋势；ⓑ1966—1991年呈明显的下降趋势，下降趋势持续26年之久，这26年间，只有8年径流量高于平均值(见图1)；ⓒ1992—1996年呈上升趋势，其间，1994年发生了一场大洪水，致使出现了短暂的上升趋势；ⓓ1997—2003年呈现下降趋势；ⓔ2004-2007年呈较平缓的上升趋势；ⓕ2008年以后又呈现出下降趋势。从滑动平均曲线上看，总体上上升趋势时长较短，下降趋势持续时间较长。

累积滤波器法能充分反映时间序列定性的变化趋势[2-3]，运用累积滤波器法绘制凉水河子站径流累积平均曲线(见图3)，凉水河子站径流量整体上呈现下降趋势，1960—1965年呈现明显的上升趋势，1966—1992年呈现明显的下降趋势，1993年以后呈现比较平缓的下降趋势。

图3 凉水河子站年径流量累积平均曲线

通过Mann-Kendall趋势分析法[4]，计算U值，经计算，U=-4.41，说明凉水河子站径流系列呈下降趋势，且U>U0.05/2=1.96，表明径流序列下降趋势变化显著。

3.3 突变分析

Mann-Kendall(简称“M-K”)突变检验法的优点是不需要观测值服从一定的分布，也不受个别异常值的干扰，计算简便。M-K检验法以实用范围广、人为影响少、定量化程度高而广泛应用于流域年径流序列突变点检验[5]。

图4 凉水河子站年径流序列M-K趋势变化分析

采用M-K突变检验法，绘制凉水河子站年径流序列M-K趋势变化分析图(见图4)。由图4可看出：1960—1966年，UFk>0，说明径流呈上升趋势；1967年以后，除了1968年UFk>0，其余年份UFk均小于0，说明这区间径流整体呈现下降趋势。UFk和UBk曲线在1960—2012年有3个交点:其中1975年发生下降的突变，并且1975年以后超过临界范围，达到突变程度，即1975年为下降突变点，1993年和1995年，存在上升的突变点，即1993—1995年径流量呈短暂的上升趋势，但上升趋势没有达到突变的程度。

3.4 年径流持续性分析

R/S( Re-scaled Range )是一种时间序列统计法[6]。利用R/S分析法可以计算得Hrust指数H，该指数可以反映具有统计特性的非线性数据系列的持续性，同样适用于水文径流序列。通过Hurst 指数，可判定径流时序的状态持续性及其记忆长度[7]。

R/S分析法从定性的角度揭示未来的变化特征，但无法揭示出未来的趋势特征是上升还是下降，所以，综合M-K法揭示序列的趋势特征, 最后由两个统计量综合就可以得出未来的趋势特征。

因此只要对序列用M-K法分析其趋势特征，再由Hurst指数所揭示的持续性或反持续性特征就能说明未来趋势特征[8]。水文时间序列未来的趋势特征见下表。

水文时间序列未来的趋势特征表

利用R/S方法对凉水河子站1960—2012年径流量序列进行计算，绘制lgT-lg(R/S)图，见图5。从图5中可以看出，Hurst系数即斜率为0.725。Hurst系数大于0.5，说明年径流序列具有持续性，即下一个状态将持续上一个状态的态势，结合M-K法趋势方程计算得到的U=-4.41，根据上表可以得到，凉水河子站2012年以后的一定时间内径流总体上会呈现显著的下降趋势。

图5 凉水河子站径流量R/S分析结果

4 结 论

本文基于线性趋势法、滑动平均法、累积滤波器法、M-K趋势法对凉水河子站年径流趋势变化进行分析，得出一致的结论：凉水河子河径流整体呈下降趋势，且下降趋势显著；并结合R/S法和M-K法对径流的趋势进行预测，凉水河子站2012年以后的一定时间内径流总体上会呈现显著的下降趋势。

径流的变化特征和未来趋势是水文水资源研究中的重要内容，通过对凉水河子站的径流分析，可以为凉水河子河流域的防洪抗旱提供科学依据，从而为城市用水、水资源合理利用提供参考。

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[3] 肖鹏嵩,代俊峰,王娜.广西降雨量变化趋势分析[J].节水灌溉2013(2):38-40.

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[8] 于延胜,陈兴伟.R/S和Mann-Kendall法综合分析水文[J].水资源与水工程学报,2008,19(3):41-44.