大通河流域近60年径流变化特征和趋势分析

王大超，杜丽芳，路 贺，史伟明，张 钰

（兰州大学资源环境学院，甘肃兰州 730000）

1 研究背景

20世纪80年代以来，由于人类活动和气候变化的影响，水资源问题日益突出。中国水资源时空分布不均衡，西北地区水资源较为缺乏。河川径流决定了地表水资源的数量，是最易开发利用的水资源［1］。河流取水、水库蓄水、跨流域调水等人类活动和全球气温升高、降水量变化等气候变化，会影响流域径流的时空分布规律，也使得流域水文要素序列产生一定程度的变异［2-3］；导致流域水文特征频率不一致和时空不对应，水文规律失真，使水文水利计算和水资源分析评价的成果出现偏差［4］。

大通河是西北地区少有水资源丰富的河流，水资源总量达28.95亿m3，目前流域开发利用方式主要是建设梯级水电站和跨流域调水。研究表明，1990年以来大通河流域开发利用主要对生态环境和水文过程造成了负面影响［5］，流域自上至下影响程度逐渐递增［6］；近20 a来该流域径流时空分布规律发生了变化［7］；梯级电站建设对流域洪水过程影响较大［6］，外调水工程直接导致上游尕大滩水文站径流减少［8］，下游享堂水文站径流量也呈现递减趋势［9］，流域径流深总体表现为减少趋势［8］。

分析大通河流域径流变化规律和趋势，对其流域水资源开发利用和区域水利规划具有重要的现实意义。目前关于大通河干流径流特征的已有研究中，未对整个干流进行全面分析，因此本文选用该河干流天堂和享堂水文站1956～2015年60 a长系列天然径流资料，采用滑动平均法、累计距平、M-K检验和Morlet小波分析等方法，分析了该河干流径流的年内年际变化、周期、突变特征和趋势。

2 大通河概况

大通河是湟水一级支流，位于甘肃省和青海省境内，在上游祁连和刚察县称默勒河，在中游门源县名为浩门河。大通河流域海拔介于1 700～5 000 m，呈西北—东南走向，集水面积15 130 km2，其中青海省内12 943 km2。大通河发源于天峻县托勒山的木里山泉，流经青海省祁连、刚察、海晏、门源、互助县和甘肃省天祝、永登县，入河口位于青海省民和县享堂镇，河流全长560 km，河道比降5.67%。以尕大滩站、天堂站和享堂站为控制站点（见表1），可将大通河流域划分为上、中、下游（见图1）。

大通河流域主要为大陆性高寒半湿润山地气候，径流以大气降水和冰川消融为主要补给来源，年平均气温约-4℃～-1℃，年平均降水量约400～600 mm，降水主要集中在5～10月，平均年径流量27.7亿m3（1956～2015年）。大通河流域水利工程开发较晚，从1958年就开始“引大入秦”工程的规划勘察，到1985年开始实施水电站规划建设［10］，至2015年已建成梯级电站42座，规划了6处跨流域调水工程，已建成或正在建设“引大入秦”“引大济湟”“引硫济金”和“引大济西”［5］，后期拟建的有“引大济黑”和“引大济湖”调水工程［11］。

表1 大通河流域上、中、下游水文站信息

图1 大通河流域控制水文站分布

3 研究资料与方法

3.1 研究资料

本次主要研究大通河流域的水文特征，根据水文站控制情况，从甘肃省水文水资源局和黄河上游局收集到大通河干流中游天堂水文站、下游享堂水文站1956～2015年的长系列实测径流资料，经检验，资料代表性和可靠性良好。

3.2 研究方法

3.2.1 年际变化和趋势性分析方法

本文采用线性倾向分析法、滑动平均法和距平累计曲线法来分析大通河径流量年际趋势性变化。线性倾向分析法在水文气象趋势分析中比较常用，数理统计中通过线性回归方程来确定自变量和因变量之间关系［12］。滑动平均法是序列经过滑动平均后削弱序列中的短周期，有效修正差异较大值引起的误差，滑动均值随时间的变化可以反映序列的变化趋势［13］。距平累积曲线又称为差积曲线，根据绘制出的曲线变化情形判断显著的持续性变化及趋向，可以大致判断出序列突变的时间［14-15］。

3.2.2 小波分析方法

小波分析是20世纪80年代出现的一门新兴数学分支领域，适用性较好，对具有多个时间尺度变化和非平稳变化特征的序列，能够比较清楚地体现序列时域和频域的局部变化特点［16］，是研究水文特征的较为可靠的方法之一。本文选用常用的非正交小波——Morlet小波对大通河流域年径流进行周期性分析，对序列连续进行小波变换可以得出小波变换系数，进而绘制出小波分析等值线图，从中识别水文序列在时间上的周期性特征［17］；通过绘制小波方差图进行检验并识别径流序列主周期，小波方差图上波峰对应尺度为主周期。

3.2.3 Mann-Kendall方法

Mann-Kendall（M-K）秩次检验是一种非参数检验方法，对类型变量和顺序变量具有较强的适用性和检验能力，可以检测径流时间序列的变化趋势，以及确定趋势起始位置，指出突变区域［18-19］。M-K检验一般取显著性水平α=0.05，临界值U0.05=±1.96，比较计算径流时间序列UF和UB值的正负情况，得知序列呈现上升或下降趋势［20］。当UF和UB曲线超过临界线时，表明趋势显著；通过分析统计序列构成UF和UB的两条曲线的交点是否位于临界线之间，判断变异是否存在，突变开始的时间就是交点对应的时刻。

图2 1956～2015年天堂站、享堂站径流量月平均分配曲线

4 结果与分析

4.1 年内径流变化特征

大通河流域径流主要补给来源是大气降水，以降雨补给为主，融雪补给为辅。从大通河干流天堂站、享堂站径流年内分配曲线（见图2）可以看出，两站的年内径流量分配规律基本一致，各季节径流量大小关系都呈现为：夏季>秋季>春季>冬季。大通河径流年内分配极不均匀，受夏季和秋季降雨影响，汛期径流主要集中在5～10月，这6个月径流量总量占全年流量的比例约82%，11月至次年4月的径流量总量仅占全年流量的约18%。

4.2 年际径流变化特征和趋势分析

根据天堂、享堂站1956～2015年径流资料，计算得到两站多年平均径流量分别为24.75亿m3、27.41亿m3；在1989年天堂和享堂站都出现最大年径流量，分别为40.04亿、50.19亿m3；天堂、享堂站最小年径流量分别为12.68亿（1973年），13.22亿m3（2004年）；两站年径流量极值比分别为3.19，3.80，变差系数Cv值较为接近，分别为0.30，0.31，流域年径流量序列变化较大。

20世纪90年代，大通河流域开始水利工程开发，主要在天堂站和享堂站之间。1956～1990年，大通河天堂站和享堂站多年平均径流量分别为23.66亿，29.21亿m3，90年代以后两站多年平均径流量为24.90亿，25.05亿m3，天堂站多年平均径流量相对增加了5.24%，而享堂站多年平均径流量相对减少了14.24%。绘制大通河干流天堂站、享堂站年径流过程及趋势线，由图3可知，天堂站径流趋势线斜率k1为0.053 9，享堂站径流趋势线斜率k2为-0.094 5，表明大通河上中游径流量60 a来呈现缓慢增长的趋势，而下游径流量出现衰减的趋势。

图3 1956～2015年大通河流域天堂站、享堂站年径流趋势和5 a滑动曲线

由图3天堂和享堂水文站年径流5 a滑动曲线可以看出，1995年以前大通河流域中游和下游年径流量丰枯水年对应，变化趋势基本一致，1956～1980年和1990～1995年径流量总体呈现减少趋势，1981～1989年呈现增加趋势；1995年以后，天堂站1996～2012年径流量总体呈现增加趋势，而享堂站年径流量呈现明显的减少趋势。近20 a来下游影响径流变化的因素较多，享堂站年径流过程线比天堂站年径流过程线变化更加剧烈。

采用累积距平法绘制近60 a来大通河干流天堂站和享堂站逐年径流距平累计曲线，见图4。由图4可知，天堂站和享堂站变化趋势差异较大，根据天堂站逐年径流距平累计曲线，1956～1961年大通河中上游流域累计距平值持续增加，表明该时段距平值持续为正，处于丰水期；1962～1982年呈减小趋势，处于枯水期；1982～1990年径流量不断增加，处于丰水期；1991～2004年，径流量波动频繁；2005～2013年径流量不断增加，处于丰水期；2014～2015年径流量减少，处于枯水期。

根据享堂站逐年径流距平累计曲线可知，1956～1968年处于丰水期；1969～1980年径流量波动频繁，呈减小趋势；1981～1990年径流量又不断增加，处于丰水期；1991年开始累计距平值呈减小趋势，表明该时段距平值持续为负，处于枯水期。

图4 1956～2015年大通河流域天堂站、享堂站年径流序列标准距平累计曲线

4.3 大通河干流年径流周期变化

对天堂、享堂水文站年径流序列采用Morlet小波分析法进行周期性分析并通过小波方差检验，小波分析结果如图5所示。大通河干流天堂站年径流量存在3，7 a及25 a左右的振荡周期，径流序列最大峰值均出现在25 a，表明25 a的周期振荡最强，是径流量序列的第一主周期；7 a和3 a时间尺度分别为径流量变化的第二和第三主周期。在25 a时间尺度的情况下，正负相位交替明显，经历了“丰—枯—丰—枯—丰”5个变化期，其中1956～1966年、1978～1990年、2004～2014年为正相位，为丰水年；1967～1977年、1991～2003年为负相位，为枯水年。在7 a时间尺度下，经历了8个“丰—枯”转换期。根据上述分析可知：当时间尺度不同，径流量丰枯交替变化也会不同，径流量周期变化以第一周期为主；径流量等值线图在2015年以后表现为负相位，且等值线显示未封闭，表明研究区径流量将继续减少；按照25 a的第一主周期特征推算，年径流量到2028年左右将持续呈现减少趋势。

在大通河下游享堂站年径流周期性分析图中，大通河下游享堂站存在3，6 a及30 a左右的振荡周期，在30 a时间尺度上经历了“丰—枯—丰—枯—丰”5个变化期，1956～1965年、1981～1996年和2012～2015 年为偏多期，为丰水年；1966～1980年和1997～2011年为偏少期，为枯水年。下游径流变化主周期大于上游，小周期转换要比上游频繁，大通河上下游径流量变化周期年份对应关系不好，可能与流域径流补给形式、水资源开发程度和调蓄能力有关，需要进一步研究这种情况的影响因素。

图5 大通河流域天堂站、享堂站年径流量小波分析和小波方差

4.4 大通河干流年径流突变性分析

运用M-K检验法对大通河干流天堂站、享堂站年径流序列进行突变检验，假定年径流变化稳定、时间序列相互独立而且保持相同连续分布，取显著性水平α=0.05，临界值U0.05=±1.96，天堂、享堂水文站年径流突变分析见图6。根据图6可知天堂、享堂两站年径流量变化趋势为：1990年以前基本一致；1956～1960年UF>0，年径流量上升；1962～1987年UF＜0，年径流量下降。天堂水文站年径流统计量曲线UF、UB交点在置信区间里面，突变发生在1989年左右；1988～2015年UF>0，年径流量上升趋势，其中2011～2015年显著上升。享堂水文站UF、UB曲线在1999年置信区间内相交，表明享堂站径流量在1999年发生突变；1996～2015年UF＜0，径流量下降，其中2010～2015年呈显著下降趋势。

图6 大通河流域天堂站、享堂站年径流突变分析

5 结论

本次分析研究采用滑动平均法、累计距平、小波分析法和M-K秩次检验方法，系统分析大通河中游天堂水文站和下游享堂水文站年径流变化特征和趋势。结果表明：

（1）大通河流域中游和下游年径流量变化在1956～1995年变化趋势相似，丰枯水年基本相对应；1995～2015年两站径流变化趋势相反。近60 a，中上游年径流量总体呈上升趋势，但增加趋势不明显，以0.053 9亿m3/a的幅度增加；下游享堂站年径流量存在明显下降趋势，以0.094 5亿m3/a的幅度减少。

（2）采用Morlet小波分析对天堂站和享堂站1956～2015年年径流量序列进行周期性分析，结果表明天堂站年径流存在3，7 a及25 a左右的振荡周期，在25 a时间尺度上经历了“枯-丰-枯-丰-枯”5个循环交替；下游小周期的转换要比上游频繁，享堂站年径流量存在3，6 a及30 a左右的振荡周期。

（3）大通河天堂站和享堂站径流变化1990年以前趋势基本一致，中游天堂站年径流量在1989年发生了突变，1989～2015年年径流量呈现上升趋势；而下游享堂站径流在1999年发生突变，1996～2015年年径流量呈现下降趋势，2010年后显著下降。