小清河来水量变化特征及其影响因素研究

宋仁超 李安军

摘 要：根据小清河黄台桥、岔河和羊角沟水文站1970—2010年逐年来水量资料及其雨量站的降水量数据，运用5a滑动平均法和Mann-Kendall非参数检验法，分析了小清河来水量和降水量的变化特征;在此基础上，利用Mann-Kendall突变检验法对小清河近40年来水量与降水量序列进行了突变点分析，并运用交叉小波变换（XWT）和小波相干谱（WTC）分析来水量与太阳黑子数的相互关系和周期变化特征。結果表明：小清河上游、中游和下游来水量的变化具有显著增加的趋势，后期来水量比前期更为丰富，变化程度也更趋稳定。而小清河上游和中游降水量的变化具有增加的趋势，下游降水量变化具有减少的趋势，但增加和减少趋势均不显著，降水量发生突变的时刻主要集中在90年代后期和21世纪初。通过小波分析得出，高能量区，小清河来水量与太阳黑子的共振周期约为8～10a。低能量区，小清河来水量与太阳黑子显示出2a左右的年际变化，但是显著性水平有所不同。小清河流域来水量的变化主要是由降水流和人类活动引起，随着沿岸地区的发展，来水量与降水径流的相关性逐渐减小，人类活动主要通过兴建水库、干流工农业用水等活动逐渐增大对来水量的影响，成为影响来水量变化的主导因素。

关键词：小清河;来水量;降水量;太阳黑子;人类活动

中图分类号 P333文献标识码 A文章编号 1007-7731（2019）22-0078-07

Study on the Variation Characteristics and Influencing Factors of the Inflow of Water in Xiaoqing River

Song Renchao1 et al

（1College of Geography and Environment，Shandong Normal University，Jinan 250358，China）

Abstract：In this paper，the data of annual water quantity and precipitation data of Huangtai Bridge，Cha he and Yangjiaogou Hydrological stations from 1970 to 2010 in Shandong Province are used. The variation characteristics of the incoming and precipitation of Xiaoqing River are analyzed by using the 5-year moving average method and the Mann-Kendall nonparametric test method. On this basis，the Mann-Kendall mutation test method is used to analyze the abrupt point of the precipitation sequence of Xiaoqing River in the last 40 years.Cross Wavelet Transform （XWT） and wavelet coherence spectrum （WTC） are used to analyze the relationship between water quantity and sunspot number and the characteristics of periodic variation.The results show that： the upper reaches of Xiaoqing River is located in the upper reaches of Xiaoqing River. The variation of the inflow water in the middle and lower reaches has a significant increasing trend. In the later period，the amount of incoming water is more abundant than that of the earlier period，and the change degree is more stable. The change of precipitation in the upper and middle reaches of Xiaoqing River has an increasing trend，and the change of precipitation in the lower reaches has a decreasing trend. But the trend of increase and decrease is not significant. The abrupt change of precipitation occurred mainly in the late 90s and the beginning of 21th century. The wavelet analysis shows that the resonant period of the water coming from the Xiaoqing River and the sunspot is about 8～10 a in the high energy area. In the low energy area，the amount of water coming from the Xiaoqing River and the sunspots show an interannual variation of 2a，but the saliency level is different. The change of the inflow of water in Xiaoqing River Basin is mainly caused by precipitation runoff and human activities. With the development of the coastal area，the correlation between the inflow of water and the runoff of precipitation gradually decreases. Human activities are mainly through the construction of reservoirs，and the activities of water use for industry and agriculture in the main stream are gradually increasing. The influence of water amount has become the main factor to influence the change of incoming water quantity.

Key words：Xiaoqing River;Water quantity;Precipitation;Sunspot;Human activities

近年来，随着经济增长和城市化进程的加快，各流域沿线城市的用水量越来越大，对流域的来水量研究也显得越来越重要。匡键等[1]从气候变化、生态环境变化等方面对黄河源区近十几年实际来水量不断减少的成因进行了定量初步分析。邓丽仙等[2]利用阳宗海流域水文资料，采用水量平衡还原方法计算得到了阳宗海1985—2005年的入湖水量，并采用1985—2005年水质监测资料，分析了丰水期和枯水期2个不同时期湖泊水质与来水量之间的关系。陈祖华[3]根据黄河流域主要控制水文站2003年的报汛资料，计算分析了2003年黄河流域来水量变化。韩锐等[4]为了提高径流预测的精度，建立了EEMD组合预测模型，并应用于黄河上游主要来水区年来水量预测。李泽红等[5]基于历史观测数据统计，分析了1956—2003年石羊河上游天然来水量与下游民勤绿洲来水量变化趋势，采用生产法计算了1950—2006年武威绿洲农业水足迹，定量揭示了石羊河中游武威绿洲农业开发对区域水资源的真实占用及其对下游民勤绿洲来水量的影响。本研究在前人研究的基础上，以山东省小清河干流黄台桥、岔河和羊角沟水质监测断面为主要代表断面，分析小清河来水量的变化特征及其影响因素。

1 研究区概况

小清河流域為西起济南、东至渤海湾、南临泰鲁沂山地北麓，北依黄河之间的区域，流域面积10572km2[6]，全长237km，不仅是山东省内最大的内陆河，而且是我国5条重要的国防战备河之一[7]。小清河发源于济南西郊睦里闸，流经济南、滨州、淄博、东营和潍坊的5市18县（市、区），最终于寿光市羊口镇汇入渤海的莱州湾[8]。小清河流域多年平均水资源总量为24.5亿m3，占全省水资源量的5.8%，其中，地表水资源量11.5亿m3，地下水资源量18.2亿m3[9]。小清河流域地处东亚季风区，全年约有80%的降水和径流量集中在夏季，较之秋季，夏季河道宽水深大[10]。小清河干流主要由降雨径流、地下水和城市排水补给，系季节性河道，径流主要来源是汛期降水，6～9月份的河道流量约占全年径流量的80%～90%。暴雨是造成本流域洪水的最主要原因，具有明显的季节性，较大暴雨主要发生在7、8月份[11]。枯季径流主要靠地下水和城市排水及灌溉尾水补给，地下水主要有济南市区的趵突泉、黑虎泉、五龙泉、珍珠泉四大泉群及市郊诸泉涌水常年补给，灌溉尾水主要有沿河引黄灌区的灌溉尾水。各支流，包括孝妇河、淄河这样的大河，除雨季有水补给小清河外，平时基本无水注入小清河。1970年以来，小清河沿岸地区的人口急剧增长、工业迅速崛起以及农药化肥普遍使用，大量污染物不断地排入小清河，导致水质严重恶化。据1986年省工业污染源调查统计，小清河流域内每年受到来自济南、淄博、潍坊、惠民、东营五地市1152多家工业企业的废水污染[12]。

2 数据与方法

2.1 数据来源 小清河上游有黄台桥水文站，控制流域面积351km2，位于济南市黄台桥。小清河中、下游设有岔河水文站和羊角沟潮水位站。岔河水文站位于金家堰闸以下3km，控制流域面积5114km2;羊角沟潮水位站控制流域面积10179km2，位于羊口港以上3km。本文小清河流域来水量量采用山东省水文局所提供的黄台桥、岔河和羊角沟水文站1970—2010年逐年来水量资料，降水量采用用山东省水文局提供的黄台桥、岔河和羊角沟雨量站1970—2010年的逐年降水量。

2.2 研究方法

2.2.1 滑动平均法 滑动平均法是趋势拟合技术最基础的方法，相当于低波过滤器[13]。用确定时间序列的平滑值来表示变化趋势。样本量为n的时间序列x的滑动平均序列可表示为：

[xj=1ki=1kxi+j-1] j=1，2，…，n-k+1

式中k为滑动长度，选择合适的k可以较好地反应时间序列的变化趋势。

2.2.2 Mann-Kendall趋势检验法和突变检验法 Mann-Kendall检验法是一种非参数统计检验方法，与参数统计检验方法相比，此方法不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，而且计算简单。近年来此法被众多学者应用于分析径流、气温、降水和水质等要素时间序列的变化趋势。在此只介绍计算思路： 构造统计量U并求取，U的绝对值越大，则序列变化趋势越显著。给定显著性水平α和对应的检验统计量Uα/2，当U的绝对值大于Uα/2时，趋势显著;反之，则不显著[14-15]。

2.2.3 小波分析法 小波分析通过尺度变换，不仅可以观察水文序列概貌，而且可以洞察其细微变化，对水文序列变化特性的描述具有其独特之处[16]。本文采用交叉小波变换（XWT）和小波相干谱（WTC）探论小清河来水量与太阳黑子数之间的多时间尺度相关关系[17]，其计算原理及方法参见文献[16-19]。

3 结果与分析

3.1 降水量、来水量的基本特征 由图1a可以看出，小清河上游年来水量的总体变化呈上升趋势，表明来水量在逐年增加，年平均值为30513.49万m3。在1970年达到了历史最低值，为14936万m3。在2004年达到最高值53923万m3，极值比为3.61，可见小清河上游来水量在近40a变化比较大。由图1b可以得出，小清河上游年降水量的总体变化趋势不明显，仅在均值上下波动，多年平均值为681.30mm。在2002年达到最低值308.4mm，2004年达到最大值1076.7mm，极值比为3.49，比来水量的变化稍微平缓一些。

由图1c可以看出，小清河中游年来水量的总体变化是呈上升趋势，表明来水量在逐年增加，年平均值为58015.44万m3。在1986年达到了历史最低值，为8452万m3，与小清河在这段时期内多次出现断流有关。在2004年达到最高值149574万m3，极值比为17.70，可见小清河中游来水量在近40a变化相当大。由图1d可以得出，小清河上游年降水量的总体变化趋势不明显，仅在均值上下波动，略有上升的趋势，多年平均值为581.33mm。在1989年达到最低值222.80mm，1973年达到最大值809.40mm，极值比为3.63，比来水量的变化平缓得多。

由图1e可以看出，小清河下游年来水量的总体变化是呈上升趋势，表明来水量在逐年增加，年平均值为101141.88万m3。在1989年达到了历史最低值，为24600万m3，与小清河在这段时期内多次出现断流有关。在2004年达到最高值244258万m3，极值比为9.93，可见小清河来水量在近40a变化比较大。由图1f可以得出，小清河上游年降水量的总体变化呈下降趋势，多年平均值为574.46mm。在1981年达到最低值344.30mm，1974年达到最大值931.5mm，极值比为2.71，比来水量的变化稍微平缓一些。

从表1可以看出，小清河上、中、下游2005—2010年来水量的平均值均最大，分别为45117.8万、110421.7万和176354.0万m3，远大于其他时期的来水量平均值，而2000—2004年平均来水量均位居第3，容易得出，小清河在21世纪初来水量的平均值最大，流量较为丰富。而在1985—1989年，小清河上、中、下游来水量的平均值均最小，分别为22832.8万、20816.6万、46034.0万m3。在2005—2010年，小清河上、中、下游来水量的极值比与变差系数分别为1.28和0.09、1.10和0.15、1.15和0.18，均为最小值，表明该时期小清河来水量的变化较小，较为稳定。而小清河上、中、下游在降水量变化方面则不尽相同。其中，小清河上游1990—1994年的年降水量為最大，达到了776.64mm，最小值出现在1985—1989年，其值为575.66mm，极值比和变差系数均较大，分别为2.99、0.45。在2000—2004年，极值比与变差系数同步变化，均为最大值，分别为3.49，0.48。小清河中游1995-1999年的年降水量为最大，达到了670.14mm，最小值出现在1985—1989年，其值为441.12mm，极值比和变差系数均较大，分别为2.52、0.31。在1985—1989年，极值比与变差系数同步变化，均为最大值，分别为2.52，0.31。小清河下游1970—1974年的年降水量为最大，达到了808.14mm，最小值出现在1985—1989年，其值为467.64mm。在1990—1994年，极值比与变差系数同步变化，均为最大值，分别为2.12，0.28。

3.2 降水量、来水量的趋势性和突变性特征 利用Mann-Kendall趋势分析法和突变检验法对小清河上、中、下游1970—2010年来水量、降水量的时间变化序列进行检验分析，得出的结果见表2和图2。

由表2可知，上游和中游降水量的趋势是在增加，上游的平均值和标准差分别为681.30mm和191.53mm，中游的平均值和标准差分别为581.33mm和139.01mm;下游降水量的趋势是在减少，平均值为574.46mm，标准差为145.92。另外，上、中和下游的检验统计量Zc的绝对值均小于Z0.1（1.28），表明其降水量的增加和减少趋势均不显著。在来水量方面，上、中和下游的趋势均是在增加，上游的平均值和标准差分别为30513.50万m3和9369.41万m3，中游的平均值和标准差分别为58015.44万m3和35733.93万m3，下游的平均值和标准差分别为101141.88万m3和54153.29万m3。此外，上、中和下游得检验统计量Zc的绝对值均大于Z0.01（2.32），拒绝原假设，即在置信度99%的水平下，来水量的增加趋势是显著的。

综上，小清河上游和中游降水量与来水量的变化趋势均为增加，其中，降水量增加趋势不显著，来水量的增加趋势显著;下游降水量的变化趋势为不显著减少，来水量的变化趋势为显著增加。

由图2a、b和c可知，UF曲线中的统计量在1980—2000年间为负值，即表明小清河来水量虽然整体变化趋势是在增加，但在这段时间里的变化趋势是在减少，尤其是在1985—1995年，小清河中游和下游来水量的减少趋势很明显。根据Mann-Kendall突变检验确定突变时刻的原则，在临界直线之间两条曲线的交点即为突变开始的时刻，即小清河上、中和下游在2003年均发生突变。所以，可将小清河游来水量变化分为前、后2个时期。从表3可看出，小清河上、中和下游后期的水量比前期更为丰富，来水总量分别为为324630万、812104万和1302382万m3，平均来水量分别达到了46375.71万、116014.86万和186054.57万m3。同时，变差系数均小于前期，说明后期来水量变化程度趋于稳定。

由图2d、e和f可看出，UF和UB曲线的交点主要集中在90年后期和21世纪初，即小清河上、中和下游降水量在这段时期内变化较大。另外，小清河上游和中游降水发生突变后，大多呈上升的趋势;而下游降水自1974年发生突变后，UF曲线中Z统计量便开始变为负值，说明下游降水量从此时开始减少，呈下降趋势。

3.3 来水量与太阳黑子数的关系 对小清河来水量与太阳黑子数的时间序列进行交叉小波变换和相干小波变换，进一步分析来水量与太阳黑子数周期之间的共同特征。交叉小波变换重点突出小清河来水量变化与太阳黑子数在时频域中高能量区的相互关系，相干小波变换则重点突出小清河来水量变化与太阳黑子数在时频域中低能量区的相互关系（图3～4）。图中黑色细实线表示小波边界效应影响锥，在该曲线以外的功率谱因受到边界效应的影响而不予考虑;黑色粗实线则表示通过置信水平为95%的红噪声检验;箭头方向反映来水量与太阳黑子数动态的相位关系，其中由左向右的箭头表示来水量与太阳黑子数动态同相位，由右指向左的箭头表示反相位，垂直向下表示来水量的小波变换提前太阳黑子数1/4个周期，垂直向上则表示太阳黑子数提前来水量1/4个周期[20]。

图3显示，小清河上游来水量与太阳黑子数通过显著性检验的8～10.5a共振周期主要表现在1982—1998年，来水量与太阳黑子数呈负相关。中游来水量与太阳黑子数在1982—1998年间存在周期为8～10a的显著负相关，且通过置信水平为95%的红噪声检验。下游来水量与太阳黑子数通过显著性检验的8～10a共振周期主要表现在1983—1998年，来水量与太阳黑子数呈负相关。

小波相干功率谱低能量区图4。小清河上游来水量与太阳黑子数在1974—1978年间存在周期为0～2a的显著负相关;在1982—1999年间存在周期为8～10a的显著正相关，且通过置信水平为95%的红噪声检验。5a共振周期主要表现在1982—1985年，平均位相角接近垂直向上90°，来水量延后于太阳黑子数，但未通过置信水平为95%的红噪声检验。中游来水量与太阳黑指数在1973—1979年表现出0～1.5a的共振周期并呈负相位变化，且通过置信水平为95%的红噪声检验。下游来水量与太阳黑子数在1976—1985年存在周期为4～6a正相关，在1983—1995年间存在周期为9～10.5a的负相关，但未通过置信水平为95%的红噪声检验。黑色细实线为小波边界效应影响锥，黑色粗实线表示通过置信水平为95%的红噪声检验;箭头方向反映降雨侵蚀力与气候指数动态的相位关系。

3.4 人类活动对年来水量的影响

3.4.1 水利工程建设 小清河流域自60年代起在其支流上先后兴建了大中型水库9座，控制流域面积2207km2，设计灌溉面积4.56万hm2，有效灌溉面积2.35万hm2，最大实灌面积2.14万hm2，支流拦河灌溉面积0.13万hm2;小清河干流建拦河闸4座、排灌站292处，农田灌溉面积53.87万hm2。对流域年径流进行调节利用，改变了年径流的时空变化特征，从而影响来水量的变化。从1971—2010年年径流量系列分析，年径流量多年平均值为10.01亿m3。各年代年径流平均值比较分析，2001—2010年最大，为14.75亿m3，80年代最小，为5.01亿m3。80年代的降水量较其它年代稍微减少，但径流量却减少明显，只有5.01亿m3，可以看出80年代工农业用水量增大，使径流量偏少，导致来水量减少。90年代以后，由于小清河干流水质污染，灌溉用水量大为减少，2001—2010年小清河上游和中游降水量偏丰，径流量增大，所以来水量增大。人类活动对年来水量的影响在枯水年较为显著，各年代年径流平均值见表4，流域内大中型水库统计见表5。

3.4.2 小清河干流工农业用水 根椐《山东省水利工程大检查资料汇编》（1975年）和有关统计资料，20世纪60～70年代期间，在小清河干流上先后兴建了柴庄、水牛韩、金家堰闸、金家桥闸4处节制闸、船闸，1999年兴建了王道节制闸。在北店子修建了引黄济清工程，引水流量30m3/s，为发展灌溉、航运提供了条件。经调查统计小清河沿线共有扬水站292处，其中历城27处、章丘18处、邹平31处、高青38处、桓台53处、博兴81处、广饶35处、寿光9处，农田灌溉面积3.87万hm2（含分洪道内滩地农田灌溉面积4667万hm2）。由于小清河污染较重，现无工业用水，农业灌溉用水亦受到影响，经调查，1995年实际运行的扬水站为58处，灌溉面积1.04万hm2;2005年实际运行的扬水站为37处，灌溉面积0.38万hm2，呈逐渐减少趋势。按《山东省资源节约标准》本区农业灌溉净定额为2730m3/hm2，灌溉毛定额为4710m3/hm2，计算1995、2005年农业灌溉用水量分别为5533、2402万m3，与小清河多年平均年径流量10.27亿m3相比，为多年平均年径流量的5.4%、2.3%。遇枯水年，农灌用水量将大幅度增加，按现状灌溉面积2万hm2，灌溉毛定额按4710m3/hm2，计算现状年农业灌溉用水量为9420万m3，与小清河灌溉期径流量相比，所占比重较大，对小清河的枯季径流影响较大，有时会出现断流现象，导致小清河来水量减少。

4 结论

（1）小清河上游、中游和下游来水量的变化具有增加的趋势，而且增加趋势显著。根据Mann-Kendall突变检验确定突变时刻，可知小清河上、中和下游来水量发生突变的时刻为2003年。所以，可将小清河游来水量变化分为前、后2个时期，小清河上、中和下游后期的水量比前期更为丰富，来水总量分别为为324630万、812104万和1302382万m3，平均来水量分别达到了46375.71万、116014.86万和186054.57万m3。同时，变差系数均小于前期，说明后期来水量变化程度趋于稳定。

（2）小清河上游和中游降水量的变化具有增加的趋势，下游降水量变化具有减少的趋势，但增加和减少趋势均不显著。根据Mann-Kendall突变检验确定突变时刻，可知小清河上、中和下游降水量发生突变的时刻主要集中在90年代后期和21世纪初，降水量在这段时期内变化较大。小清河上游和中游降水发生突变后，大多呈上升的趋势;而下游降水自1974年发生突变后，开始减少，呈下降趋势。

（3）通过小波分析得出，高能量区，小清河来水量与太阳黑子的共振周期约为8～10a。低能量区，小清河来水量与太阳黑子显示出2a左右的年际变化，但是显著性水平有所不同。

（4）小清河流域来水量的变化主要是由降水径流和人类活动引起的。随着流域沿岸地区的发展，来水量与降水量的相关性逐渐减小，人类活动对来水量的影响逐渐增大，逐渐成为影响来水量的主导因素。人类活动主要通过在其支流上兴建大中型水库、干流工农业用水以及小清河引水工程来影响小清河来水量。

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（责编：王慧晴）