近40年来蒲河流域径流变化及影响因素分析

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(沈阳农业大学 水利学院，辽宁沈阳110161)

径流是流域水文循环的重要组成，对流域水资源的开发利用起着决定性的作用。随着全球性的气候变化以及人类活动对自然的干预程度加强，流域内的径流发生了显著的变化，直接影响了流域水资源的配置和合理开发利用[1]。研究近几十年来流域径流变化的过程，不仅有助于认识流域水循环对气候变化和人类活动的响应，同时对流域内水资源的规划、利用和管理都具有重要意义[2-4]。蒲河是沈阳市直接管理的河道长度最长、流域面积最大的中型河流。随着蒲河生态廊道建设整体规划的提出，蒲河成为沈阳乃至辽宁经济新的增长点。改善蒲河生态环境，建立蒲河水系连通是建设蒲河生态带，未来提升为经济带的前提。而现有研究中，对蒲河流域径流特性及影响因素分析研究较少。鉴于此，本文以蒲河流域为研究对象，基于蒲河流域内沈阳站1975年以来近40 a的降雨、径流长系列资料，应用线性回归分析、滑动平均、M-K检验法、累积距平曲线、方差分析法和双累积曲线法对蒲河流域的径流变化及影响因素进行讨论，为蒲河流域发展提供数据参考。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

蒲河是沈阳市第四大河流，隶属于浑河水系，是浑河下游右岸最大支流。蒲河发源于铁岭县横道河子乡想儿山，从东北流向西南，流经铁岭、沈北新区、东陵、于洪、新民市和辽中县区，于辽中县老观坨乡黑鱼沟流入浑河，全长205 km，流域面积2 496 km2。流域内自上而下有棋盘山水库、东陵、裕国、沈阳、大河泡和辽中等水文站，其中，沈阳水文站位于蒲河流域中部，是流域内建站历史最长，拥有降雨、径流资料最全的水文站，是研究蒲河流域降雨、径流历史变化的理想站点。本文收集蒲河流域沈阳站1975年以来近40 a降雨、径流资料，分析计算蒲河流域径流年内年际变化规律，判断径流变化趋势，同时对影响蒲河流域径流变化的因素进行讨论。

1.2 研究方法

本文采用线性回归分析法和滑动平均法判断径流和降雨整体变化趋势，在此基础上通过M-K检验判断趋势性是否明显。为了更明显地分辨径流年际变化阶段，采用累积距平曲线判断径流阶段趋势，通过方差分析法判断径流周期性。采用双累积曲线法分析不同阶段降雨及人类活动对径流的影响。

2 结果与分析

2.1 径流变化趋势分析

2.1.1径流年内变化

蒲河流域沈阳站多年平均月径流年内分配统计见表1。由表1可知，蒲河流域8月径流最大，占全年径流的27.3%，2月径流最小，占全年径流的1.7%，最大一个月的径流为最小一个月径流的16倍。年内各月径流分配不均，径流主要集中于5—8月，1—3月径流较小。

进一步分析蒲河流域径流的季节变化，将多年的沈阳站实测径流资料时间序列按照春、夏、秋、冬4个时段划分，并计算每个时段的多年平均值。从表1可知，蒲河流域的夏季径流大于其他季节，呈现夏季(6—8月)>春季(3—5月)>秋季(9—11月)>冬季(12月至次年2月)的特点，其中夏季径流占全年径流的56.9%，春季径流占全年径流的23.2%，秋季径流占全年径流的13.5%，冬季径流占全年径流的6.5%。

表1 沈阳站多年平均月径流年内分配统计

2.1.2径流年际变化

流域径流年际变化的总体特征通常采用变差系数、模比系数和年际极值比来表示[5]。蒲河流域径流年际变化特征值计算结果见表2。由表2可知，沈阳站年径流的最大值为4 838.07×106m3，最小值为428.55×106m3，径流最大值与最小值分别出现在2010年与2001年。径流的多年均值为1 408.6×106m3，径流最大值与径流多年平均值的模比系数为3.43，径流最小值与径流多年平均值的模比系数为0.3，年际极值比为11.29，变差系数为0.76。由于径流变差系数及年际极值比的数值比较大，说明蒲河流域径流的年际丰枯变化剧烈，变化不均匀。

表2 径流年际变化特征值

2.1.3径流变化趋势分析

根据沈阳站多年实测径流资料，绘制年径流曲线，利用线性回归分析法和五年滑动平均法对沈阳站径流时间序列进行趋势分析。趋势分析结果见图1。由图1可以看出蒲河流域年均径流处在丰枯交替的不断变化中，但总的趋势是递增的。为了判断径流的递增趋势是否明显，本文采用Mann-Kendall趋势分析法，选用置信水平α= 0.05。经计算，Mann-Kendall检验统计量为0.8，表明径流呈现递增趋势，与线性回归分析和滑动平均法检验的结果一致。但是由于其绝对值小于临界值1.64，表明径流递增趋势不显著。

2.1.4径流阶段趋势分析

为分析径流的年际变化阶段，绘制了蒲河流域沈阳站径流累积距平曲线。当径流处于枯水期时，累积距平曲线低于多年平均水平，累积距平过程线向下波动；当径流进入平水期时，径流在多年平均值上下波动，累积距平过程线呈现水平；当径流处于丰水期时，累积距平曲线高于多年平均水平，累积距平过程线上升[6]。根据蒲河流域沈阳站多年实测径流资料绘制累积距平曲线见图2。

从图2可知，蒲河流域近40 a天然径流序列大致可以分为如下阶段：4个显著的枯水期为1975—1984、1987—1993、1996—2004、2005—2009年。3个显著的丰水期为：1984—1987、1993—1996、2009—2010年，无表现出丰枯转换显著的平水期。从图2中还可以发现，年径流累积距平是负距平占主导地位，说明蒲河流域天然径流年际之间持续枯水的时段要大于持续丰水的时段。

2.1.5径流的周期分析

蒲河流域年径流的多年变化具有一定的周期性，对蒲河流域沈阳站年径流序列进行方差分析，可以得到其主要周期，蒲河流域年径流周期分析见表3。根据表3数据绘制方差比值见图3。由表3及图3可知，蒲河流域径流变化周期大致为5 a和10 a。

表3 径流不同周期下方差比计算结果

2.2 径流变化影响因素分析

2.2.1降雨影响分析

1975年以来的近40 a中，蒲河流域降雨的多年均值为659.16 mm，降雨的最大值为1 052.9 mm，最小值为404.1 mm，降雨的年际极值比为2.61，降雨年际变化不大，说明蒲河流域降雨的年际丰枯变化并不剧烈。

为分析降雨对径流变化的影响，绘制蒲河流域年降雨和年径流分期变化曲线，见图4、5。从图4可以看出：在1994年以前，降雨与径流两者趋势变化具有一定的同步性，年径流随着年降雨的增减变化而变化，因此降雨是影响径流变化的主要因素；从图5可以看出1995年以后，在全流域年降雨具有减小趋势条件下，年径流出现上升趋势，表明降雨对径流的影响在不断减弱，人类活动对径流的影响逐渐加强。

2.2.2人类活动影响分析

通过绘制径流与降雨的双累积曲线并观察其直线斜率变化，可以判断出影响径流发生变化的主要因素[7]。对于正常年份，如果径流只受到降雨而无其他因素影响时，双累积曲线呈直线且斜率没有明显变化；对于受到人类活动影响的年份，双累积曲线将会发生一定的偏离。可根据双累积曲线发生偏离所对应的年份判断出径流发生显著改变的时间点，偏离程度反映受人类影响强度，偏离程度越大表明受人类影响越强。

根据蒲河流域沈阳站实测径流资料和实测降雨资料，绘制降雨～径流双累积曲线见图6。从图6可以看出，曲线自1984年开始产生了明显的偏转，因此以1975—1984年作为沈阳站的基准期，依据降雨～径流双累积曲线的拐点将沈阳站径流序列划分为4个阶段。基准期与其他时段进行对比分析可以看出，径流累积值自1984年之后开始有显著的向上偏离，自1994年之后向上偏离的程度更加明显，自2004年之后依然保持向上偏离的趋势，表明径流的变化受到了除降雨之外的其他因素影响，如人类活动引起下垫面条件变化继而影响径流使径流发生变化。

对基准期累积降雨和累积径流进行回归分析，建立基准期内累积降雨和累积径流序列的相关方程如下：

R=0.5184P+319.16(R2=0.9947)

根据基准期内的径流和降雨资料，建立基准期内的径流序列和降雨序列的相关方程：

R=0.4038P+100.9

根据降雨与径流的相关方程计算沈阳站不同时段的理论平均径流，将其作为天然径流的近似值。基准期实测值与各个时段的计算值的差值即为此时段降雨变化对径流变化的影响值[8]。而人类活动影响时段的实测径流与基准期实测径流的差值包括两部分，即降雨影响部分以及人类活动影响部分。因此，基准期实测值与各个时段实测值的差值再减去降雨变化影响值就得到了人类活动对径流变化的影响值，影响值与总减少值的百分比即为影响率[9]。计算结果见表4。

表4 降雨和人类活动对蒲河流域径流影响

由表4可以看出，基准期内蒲河流域沈阳站年均天然径流为359.59 (m3/s·月)，对比基准期1985—1994、1995—2004、2005—2015年年均径流增加分别为222.90、156.79、394.51 (m3/s·月)。其中，降雨影响使径流增加分别为18.63、6.57、3.51 (m3/s·月)，占总增加量的8.36%、4.19%、0.89%。人类活动影响使径流增加分别为204.27、150.23、391.01 (m3/s·月)，占总增加量的91.64%、95.81%、99.11%。说明以1975—1984年为基准期，蒲河流域在整个研究期内人类活动对径流的影响是导致径流发生改变的主要因素。

3 结论

本文根据蒲河流域内沈阳站长系列径流、降雨实测资料，计算得出以下结论。

a) 蒲河流域径流年内分配不均，主要集中在5—8月，占全年的74.5%，径流的年际变化不均匀，丰枯变化较为剧烈。蒲河流域径流存在周期性，周期由一个5 a周期和一个10 a周期叠加而成。

b) 蒲河流域径流变化中，不只是降雨对其产生影响，还有人类活动对其产生影响。研究结果表明降雨对径流的影响有了一定的削弱，人类活动对径流的影响逐渐加强，成为导致径流发生改变的主要因素。

c) 本文分析的蒲河流域径流的年内、年际变化规律，以及影响蒲河流域径流变化的影响因素，可为蒲河流域改善生态环境，建立水系联通的生态带以及未来提升为经济带建设提供径流信息参考。