甘南高原区大峪沟流域水文要素特性分析

仲复捷，王 东，曹 杰

(甘肃省临洮水文水资源勘测局，甘肃 临洮 730500)

近年来，流域连续出现冬春季节降水量偏少、河川径流持续偏枯的情况，水资源供需矛盾日益加剧，同时随着旅游资源的进一步开发、水利水电工程的建设和运行，人类活动改变了地表径流的时空分布特征，因而针对流域生态水文方面的研究近来也变得越发重要和急需。甘南水资源在涵养和补给水源、调节气候、 保持水土、维护生物多样性方面发挥着重要作用，在维系黄河流域水资源和生态安全方面发挥着不可替代的作用[1]。大峪沟地处甘肃省东南部迭山北麓的卓尼县境内，属青藏高原东北边缘与黄土高原的交汇地带，2005 年被甘肃省国土资源厅列入省级地质公园名录(即洮河大峪省级地质公园)，2007年被国家旅游局批准为国家AAAA级旅游景区[2]。本文通过探究各要素的变化特征，为今后大峪沟流域的合理开发利用提供科学依据。

1 流域概况

大峪沟发源于甘肃省甘南藏族自治州卓尼县境内迭山主峰扎伊克嘎北麓，北流经卓尼县木耳镇多坝村汇入洮河，介于东经103°41′～103°4′，北纬34°11′～34°34′之间，源地海拔4 920 m，全长63.3 km，流域面积782 km2，流域地表起伏较大，山大沟深，气候高寒湿润，山地阴坡森林茂盛，植被良好，主要支流有尼嘎沟、阿角沟、旗步沟、燕麦沟、桑布沟、头沟等，流域内径流补给主要为降水补给，植被垂直地带性分布差异明显，半山雪线以上为裸岩，以下依次为高山草场、原始森林、低山草甸、灌木、农家田园等。多年平均径流量3.2亿 m3，年蒸发量1 118.3 mm，年降水量610 mm，年平均气温4.6℃，最高气温23.4℃，最低气温7.1℃，平均无霜期119 d。

2 资料与方法

2.1 资料来源

大峪沟多坝水文站设立于1958年，1958年开始径流、降水等要素监测，1975年开始蒸发要素监测，该站集水面积779 km2，占全流域总面积的99.6%，为能客观地分析流域水文要素变化特征，采用1959-2018径流、降水资料及1976-2018年的蒸发量资料，分析水文要素的变化特征。

2.2 分析方法

(1) 趋势分析法：通过建立水文序列xi与相应的时序i之间的线性回归方程，进而检验时间序列的趋势性，其斜率在一定程度上表征了时间序列的平均趋势变化率。用一次线性回归方程表示为[3]：

xi=a×i+b

式中：xi为时间序列，i为相应时序；a为线性方程斜率，用于定量描述序列的趋势变化特征；b为截距。

(2)距平分析法：运用距平分析法，将各数值与其平均值进行对比，可以直观的反映数值的变化趋势以及变化程度。其公式为[4]：

Pi=(Hi-H0)/H0

式中：Pi为距平百分数，(i=1，2，3…，n)；Hi为第i个观测值；H0为时间序列平均值。

(3)非参数Mann-Kendall(以下简称M-K法)[5-6]，趋势分析检验法是用来评估气候要素时间序列趋势的常用检验方法之一，以适用范围广、人为性少、定量化程度高而著称，其检验统计量公式是

(1)

其中，sign()为符号函数。当xi-xj小于、等于或大于零时sign(xi-xj)分别为-1、0或1；M-K统计量公式分别在s大于、等于、小于零时为z

(2)

3 分析与结果

3.1 水文要素年内变化特征

由图1可知，降水主要集中在五月至九月，占全年的77.1% ，各月份的比例在13.2%～17.3%之间。七月降水量最大，占年降水量的17.3%，十一至次年三月占年降水量的6.7%，其中十二月最小，仅占年降水量的0.3%；径流的年分布主要受供水来源的影响，径流主要集中在五月至十月，占年径流量的82.4%，各月份的比例在10.4%～17.4%，七月为17.4%，此期间径流补给主要为降水，二月份和三月份径流量最小，仅占全年的1.8% 和2.0%；蒸发量主要集中在四月至八月，占全年蒸发量的61.1%，各月份的比例在10.7%～13.1% 之间，十二月和一月蒸发量最少，仅占3.0%和3.6%；降水、径流、蒸发年内分配不均匀。

图1 大峪沟流域水文要素年内变化图

3.2 水文要素年际变化特征

3.2.1 年际变化趋势分析

从图2可知：降水量年际变化为减少的趋势，减少倾向率为1.127 6 mm/a，拟合的趋势线方程为y=-1.127 6x+2 852.1，1984年为最多年份，降水量为823.2 mm，1997年为最少年份，降水量为431 mm；径流量年际变化为减少的趋势，减少倾向率为0.027 6亿 m3/a，拟合的趋势线方程为y=-2.756 1x+5 801.2，1964年为最丰年份，径流量为5.48亿 m3，1997年为最枯年份，径流量为1.908亿 m3；蒸发量总体呈现增加的趋势，增加倾向率为1.601 mm/a，拟合的趋势线方程为y=-1.127 6x+2 852.1，2010年为蒸发量最大的年份，蒸发量为1 252.2mm，1976年为最小的年份，为961.8 mm。

图2 大峪沟流域水文要素年际变化趋势

3.2.2 不同年代变化特征分析

1959-2018年系列平均年降水量609.8 mm。1959-1970年高于多年均值7.7%，1971-1980年低于多年均值0.11%，1981-1990年高于多年均值1.8%，1991-2000年低于多年均值10.2%，2001-2010年高于多年平均值0.39%，2011-2018年低于多年平均值1.3%；1959-2018年以来，1984年降水量最多，为823.2 mm，1997年降水量最少，仅为431 mm，最大是最小的1.91倍；各时间段的极值比在1.43～1.78之间，说明降水量的年际间变化相对平稳。

1959-2018年系列平均年径流量3.21亿 m3。按照《水文情报预报规范》(SL250-2000)丰枯水评定标准[7]，1959-1970年高于多年均值32.4%，属丰水时期；1971-1990年高于多年均值5.6%～0.62%，属正常水平；1991-2010年低于多年均值23%～20.9%，属枯水时期；2011-2018年低于多年平均值2.49%，属正常水平；1959-2018年以来，1964年为最丰年份，径流量为5.48亿 m3，1997年为最枯年份，径流量为1.908亿 m3，最大是最小的2.96倍；各时间段的极值比在1.56～1.98之间，变化幅度不大，说明径流量的年际间变化基本保持平稳。

1976-2018年系列平均年蒸发量1 118.3 mm。1976-1980年低于多年均值2.7%，1981-1990年低于多年均值1.6%，1991-2000年低于多年均值0.96%，2001-2010年高于多年平均值3.9%，2011-2018年低于多年平均值0.06%；1976-2018年以来，最大年蒸发量1 252.2 mm，出现在2010年，最小年蒸发量961.8 mm，出现在1976年，最大是最小的1.37倍；从各时间段的极值比来看，略呈减小趋势，但总的来说变化幅度不大，说明蒸发量的年际年变化相对平稳。

4 水文要素的趋势检验

用非参数Mann-Kendall法对1959年-2018年降水量、径流量和1976年-2018年蒸发量序列的变化趋势做显著性检验，给定显著性水平α=0.05，即u0.05=±1.96。计算结果见图3～图5。

图5 大峪沟流域蒸发量Mann-Kendall统计量曲线

表1 大峪沟流域水文要素变化特征

图3 大峪沟流域降水量Mann-Kendall统计量曲线

图4 大峪沟流域径流量Mann-Kendall统计量曲线

由曲线可知，自上世纪60年代以来，大峪沟流域降水量呈减少趋势，总体减少趋势不显著，1995年后这种趋势超过0.05临界线，表明降水量的减小趋势显著；径流量呈减少趋势，1983年后这种减少趋势超过0.05临界线甚至超过0.001显著性水平(u0.001=±2.56)，表明这种减少趋势十分显著；蒸发量呈增加趋势， 2008-2017年这种增加趋势超过0.05临界线，表明这段时间增加趋势显著，但总体增加趋势不显著。可以看出，该流域径流量的减少、蒸发量的增加与降水量减少有密切关系，径流量的补给主要是降水补给，影响蒸发量的因素主要为降水量，这与该流域径流量、蒸发量特性基本一致。

5 结语

(1)降水量主要集中在5-9月，占全年降水量的77.1%；径流主要集中在5-10月，占全年径流的82.4%；蒸发量主要集中在4-8月，占到全年蒸发量的61.1%；降水量、径流量、蒸发量年内分配不均匀。

(2)降水量、径流量年际变化总体呈减小的趋势变化，减小倾向率为1.127 6 mm/a、0.027 6亿 m3/a；蒸发量年际变化总体呈现增加的趋势变化，增加倾向率为1.601 mm/a。降水量、蒸发量的变化趋势不显著，径流量的变化趋势显著。

(3)以10 a为时间段而言，降水量的变化较为平稳，处于正常水平；径流量年际变化幅度不大，60年代属丰水时期；70年代、80年代属正常水平；90年代、21世纪前十年属枯水时期；2011-2018年属正常水平；蒸发量年际变化相对平稳，20世纪70年代后期小于多年均值2.7%，80年代小于多年均值1.6%，90年代小于多年均值0.96%，21世纪前十年大于多年平均值3.9%，2011-2018年小于多年平均值0.06%。

(4)该流域径流量的减少、蒸发量的增加与降水量减少有密切关系，径流量的补给主要是降水补给，影响蒸发量的因素主要为降水量。