汾河中游闸坝区河川径流演变特性及驱动因素分析*

(山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002)

水是地球万物生命之源，是生物圈的血液，是维持人类和生态系统的基础，随着经济的发展，水资源已成为重要的战略资源。河川径流是水资源存在的重要形式，是人类社会生存和发展最主要的水源。20世纪以来，人类活动直接或间接地影响了河川径流的质量、数量和径流过程，而径流的变化对整个水文水资源系统的演化起着主导作用，并对资源环境和区域经济发展有着深远的影响[1]。汾河流域是山西省生产力布局最密集、人口最集中的区域[2]，近年来，在气候和人类活动影响下，汾河流域水资源情势与水循环格局已显著改变，导致中下游部分河段一度出现了断流、泉水干涸、水质恶化等问题[3]，进一步加剧了该地区水资源供需矛盾。

为蓄滞雨洪，抬升地下水位，改善汾河生态环境，山西省在汾河中游二坝至义棠段堤内建拦河节制蓄水闸15座，闸坝工程运行后，闸坝区将具有工程调节作用，汾河中游面临河道人工干扰强度大、河流系统完整性受到威胁等问题，该河段上密集闸坝群的合理调度方案以及下游河道水量如何保障等问题亟待研究，而闸坝间水资源的合理调度与优化配置均受上游来水规律的影响，因此研究汾河中游径流变化规律及成因对解决河道片段化问题及15座闸坝的科学运行十分必要。国内学者针对汾河流域已开展了大量的研究工作，这些研究多集中在汾河上游或下游，且研究多以单一影响因素对径流的影响为主，研究成果对汾河流域径流演变特性及影响因素分析缺乏系统性和全面性。因此，本文以汾河二坝站、义棠站实测径流系列为基础，从年际与年内两个时间尺度研究年径流变化规律，基于Mann-Kendall法突变检验结果，建立降水-径流双累计曲线模型，对影响径流的各项驱动因素进行定量分析，探求河川径流量减少的原因，为缓解汾河流域水资源危机、保护生态环境提供依据。

1 资料与方法

本研究以汾河二坝水文站1965—2015年和义棠水文站1958—2015年实测年径流量作为基础数据，采用累计距平法、Mann-Kendall趋势检验和突变检验法对径流的年内分配与年际变化规律进行了分析，采用双累计曲线模型分析了径流变化的驱动力。

1.1 Mann-Kendall趋势检验法

Mann-kendal趋势检验法是一种非参数检验方法，其具有不需要样本规律分布、不受异常值干扰等优点，可对降水、径流、气温等非正态分布序列的变化趋势进行分析和检验。其原理为：设(x1,x2,…xn)是n个独立、随机样本，统计量S为：

其中sign()为符号函数。当(xi-xj)小于、等于或大于零时，sign(xi-xj)分别等于-1、0和1。M-K统计量公式S分别为：

Z为正表示趋势增加，反之表示减小。当|Z|≥1.28、|Z|≥1.64、|Z|≥2.32时，分别表示序列趋势通过了信度为90%、95%、99%的显著性检验，说明序列趋势显著上升或下降。

1.2 Mann-Kendall突变检验法

设序列x1,x2,…xn，构造秩序列ri，ri为xi≥xj(1≤j≤i)的累计数，其统计量Sk及其均值和方差分别为：

将Sk标准化：

UFk组成一条UF曲线，其中UF1=0，将此方法用于反序列，计算UB曲线，其中UB1=0，给定显著水平α，如果UF>0，表示序列趋势呈现上升，反之呈下降，当UF值超过信度线上下限时，表示序列上升或下降趋势达到显著水平。绘制UF和UB曲线图，则两条曲线在置信区间内的交点为突变点。

1.3 双累计曲线

人类活动影响时期实测水文变量与天然时期之间的差值主要包括两部分，即人类活动影响和气候变化影响，并提出了二者对径流影响的分离分析方法[4-5]。计算过程如下：

ΔWT=WHR-WN

ΔWH=WHR-WHN

ΔWC=WHN-WN

式中ΔWT——径流总量变化值；

ΔWH——径流受人类活动影响变化量；

ΔWC——径流受气候影响变化量；

WN——天然径流量；

WHR——人类活动影响时段实测的径流量；

WHN——人类活动影响时段天然径流量；

ηT、ηC——人类活动与气候变化分别对径流影响比例。

2 结果分析

2.1 河川径流年内分配

河川径流量的年内分配一般表现为明显的洪水、枯水交替现象，这种变化因河流所处的地域不同而有所差异。因此，对同一流域，即使年径流总量相差无几，但如果该流域的河川径流量年内分配差异显著，对从该流域取水的城市生产和生活用水、农业灌溉用水等也会造成较大影响。因此，研究河川径流的年内分配也是确保社会经济可持续发展的基础。

图1 汾河二坝、义棠站径流量年内变化曲线

山西省降雨的主要水汽来源是夏季风带来的暖湿气流，6—9月降水量占全年降水量的70%以上，7、8两月降水尤为集中，从汾河二坝站和义棠站的径流量年内变化曲线(图1)可知，汾河中游径流年内分配主要表现为典型的夏雨型，即月径流量的丰枯程度和降水量的大小对应。汾河中游区从11月到次年5月径流量均较小，2—3月的径流量为一年中的最小值，从6月开始，随着降雨量的增加径流量迅速上升，8月前后径流量达到一年中的最大值，之后开始逐渐缩减。总体上，汾河中游闸坝区河川径流量主要集中在汛期，且除3月外义棠站月径流量均大于汾河二坝站月径流量，3月是冬小麦等农作物灌溉的高峰期，上游灌区灌溉用水量的增加是导致下游义棠站流量减少的原因之一。

2.2 年际变化规律分析

汾河二坝站和义棠站径流年际特征值统计见表1，历年径流累计距平曲线如图2所示。

表1 Mann-Kendall趋势检验结果

注*表示通过了0.01的显著性检验。

图2 汾河二坝、义棠站年径流量距平累计曲线

由图2可以看出，汾河二坝站和义棠站年径流量在20世纪70年代之前呈上升趋势，而整个70年代为波动起伏状态，1980—2010年呈逐渐减小趋势，特别是1998—2008年的10年间，地表径流大幅度减少，究其原因，主要是降水量减少所致，加之地下水大量超采，导致地下水位下降、泉水出流量剧减，流域产流也随之急剧衰退，两者共同作用造成河川径流量大幅减少。2008年之后随着外调水的增加和流域关井压采、水源逐步置换，汾河中游河川径流量才有所回升。根据Kendall趋势检验结果(表1)，汾河二坝站1965—2015年、义棠站1958—2015年的河川径流量整体处于下降趋势，且这种趋势通过了0.01的显著性检验，表明汾河中游段河川径流量下降非常显著。

通过图3、图4显示的汾河二坝站及义棠站年径流量Mann-Kendall突变检验可以看出，汾河二坝站年径流量1969—1975年表现为减少的趋势，这种减少趋势在1971年通过了0.05显著性检验(U0.05=-1.96)，说明汾河二坝站年径流量下降趋势十分显著；义棠站径流量1969—1974年表现为减少的趋势，但趋势不显著，1976—1979年径流量略有回升，但从1980—1987年径流量又表现为下降趋势，且这种趋势在1981年通过了0.05显著性检验(U0.05=-1.96)，表明义棠站年径流量下降趋势十分显著；从2008年开始两站径流量均开始回升，但未达到显著性水平。

图3 汾河二坝站年径流量突变检验曲线

图4 义棠站年径流量突变检验曲线

图3、图4中UF(k)和UB(k)曲线在1970年和1971年在临界线之间有一个交点，并且汾河二坝站UF(k)曲线在1971年、义棠站UF(k)曲线在1981年后超出了临界线，因此汾河二坝站河川径流量在1971年、义棠站河川径流量在1981年后显著下降，汾河二坝站在1970年、义棠站在1971年发生突变。

2.3 驱动因素分析

气候变化和人类活动是导致径流发生变化的双重驱动因素[6]，降水-径流双累积曲线可反映出气候变化与人类活动对径流的影响。通过趋势分析和突变检验，汾河二坝站、义棠站径流序列均呈显著递减趋势，突变年份分别为1970年和1971年，因此，汾河二坝站可将1970年以前的径流量视为基准期，义棠站可将1971年以前的径流量视为基准期，基准期内径流变化只受气候变化的影响，之后的时段视为变化期，变化期内径流不仅受气候变化的影响，同时还受人类活动的干扰。根据双累计曲线建模原理，计算出降水、人类活动对径流的影响，结果如图5所示。

图5 汾河二坝站、义棠站降水-径流双累计曲线

汾河二坝站和义棠站，降水因素对径流的影响量分别为0.38亿m3和0.74亿m3，影响率分别为10.27%和12.71%；人类活动对径流的影响量分别为3.32亿m3和5.08亿m3，影响率分别为89.73%和87.29%，见表2。

表2 降水、人类活动对径流影响统计结果

流域径流分布特性主要受气候因素和人类活动两个因素影响。气候因素对径流产生着持久且基本稳定的影响。人类活动对流域地表径流量的影响可分为两方面：ⓐ以地表水为水源的工农业用水、生活用水以及水利工程的调蓄，直接改变了下游水文站控制断面的实测径流量；ⓑ生产实践和社会活动改变流域下垫面条件，导致入渗、径流、蒸散发等平衡要素变化，使得流域产汇流条件发生变化，同时改变径流的时程分配。

对比分析各驱动因素的影响结果得出如下结论：

a.义棠站的人类活动对径流总影响量远大于汾河二坝站，但影响程度略小于汾河二坝水文站，主要由于义棠水文站控制流域面积更大，范围更广。

b.从汾河二坝站和义棠站降水和人类活动对径流的影响比例来看，虽然结果有微小差异，但总体上保持一致性，表明气候和人类活动对汾河流域河川径流的影响具有一致性。

c.降水量偏少以及时空分布不均是造成汾河中游径流量减少的原因，但影响程度有限。

d.人类活动干扰是汾河中游径流减少的主要原因。随着人口的增加和经济的发展，人为大量开采地下水，尤其是开采岩溶水，导致岩溶大泉自然出流量严重衰减，加之煤矿的无序开采对地下水造成了永久性和不可逆转性的破坏，导致地下水位持续下降，使浅层地下水疏干，加速了土壤退化和植被衰退，植被破坏又进一步导致涵养水源能力减弱，地表湿地面积萎缩、地下水补给减少，加剧了地下水位快速下降，形成生态系统的恶性循环。

3 结 语

本文采用Mann-Kendall法对汾河中游二坝站1965—2015年、义棠站1958—2015年实测径流量进行了趋势检验和突变检验，系统地分析了汾河中游径流年内分配和年际变化规律，并根据突变检验结果建立了降水-径流双累积曲线模型，研究表明:汾河中游段径流量年内分配不均，年际变化大，年径流量总体呈现减小趋势，降水量偏少以及时空分布不均是造成汾河中游径流量减少的部分原因，而人类活动干扰是汾河中游径流减少的主要原因，特别是人为大量开采地下水，导致岩溶大泉自然出流量严重衰减，加之煤矿的无序开采造成地下水位持续下降，使浅层地下水疏干，加速了土壤退化和植被衰退，植被破坏又进一步导致涵养水源能力减弱，进一步加剧了地表径流的衰减。