渭河支流黑河径流变化特征分析

张 萍

(陕西江河工程项目管理有限责任公司，陕西 西安 710018)

河川径流量是地区工农业用水的重要来源，是生态保护和高质量发展的制约因素[1]。受气候变化和人类活动影响，河川径流过程变化明显。黑河作为渭河的一级支流，水质优良，是黑惠渠灌区的灌溉水源，流域上建有黑河金盆水库，为西安市300万市民提供饮用水，是西安市最重要的地表水源地[2]。随着西安国家中心城市和引领“一带一路”、亚欧合作交流的国际化大都市的建设，对黑河流域水资源提出更高的要求。近年来，水资源短缺已成为经济社会快速发展的制约因素。黑河流域水资源变化对西安市经济发展和市民生活用水有重要影响，因此研究黑河流域的径流变化特征意义重大。

针对河川径流变化分析，业内学者开展了大量研究，取得了一批研究成果。肖洁等[3]对渭河干流径流年际及年内变化趋势进行分析，发现60a来渭河径流量显著减少，并在未来一段时间内保持持续减少态势；年内径流分配不均，径流多集中在5-10月。姜世中[4]在分析黄河源区达日至玛曲段近50 a径流量变化趋势中发现径流量存在3.2 a、7.5 a、19.5 a和36.5 a左右的主周期，1986年以来出现的枯水期，2004年左右以后发生改变。杨春利等[5]对1958-2015年疏勒河上游径流变化及其气候因素进行分析，发现疏勒河出山径流量呈现增加趋势，降水是出山径流变化的主控因素，气温升高引起的冰雪融化是近年来出山径流增长较快的重要原因。

通过分析黑河流域径流变化特征，对黑河流域水资源开发利用具有重要现实意义。本文以黑河流域为研究区域，选用黑河黑峪口水文站1950-2015年径流量为研究对象，采用线性回归法[6]、滑动平均法[7]和Mann-Kendall非参数检验法分析径流量变化趋势，采用累积距平法[8-9]分析径流量变化过程，采用Mann-Kendall突变检验法分析径流量突变情况，采用R/S分析法预测径流量未来变化趋势；通过对黑河流域径流年际年内年代变化过程、趋势、突变状况及未来趋势分析，旨在为黑河流域水资源调度和生态保护高质量发展提供依据。

1 资料与方法

1.1 黑河概况

黑河为渭河右岸一级支流，发源于秦岭北麓太白山，最大海拔2 710 m，入渭口海拔404 m，河道总落差2 306 m，平均比降8.8‰。干流总长125.8 km，集水面积2 258 km2，其中：峪口以上河长96.3 km，集水面积1 887 km2，峪口以下河长29.5 km，集水面积371 km2。黑河流域概况如图1所示。

图1 黑河流域及水文测站分布图

1.2 资料来源

根据黑河流域水文站点分布情况，本文选取黑峪口水文站1950-2015年共66 a实测径流资料。经过三性审查，黑峪口站径流数据具有良好的周期性、代表性和一致性，可用于径流变化特征分析研究。

1.3 研究方法

1.3.1 Mann-Kendall趋势检验法

Mann-Kendall检验是水文气象领域普遍使用的检验方法，优点是方法简单，样本无需按照一定规律分布，受异常值干扰小[10-11]。

1.3.2 Mann-Kendall突变检验方法

对于具有n个样本量的时间序列，构造秩序列[12]：

(1)

(2)

定义统计量：

(3)

E(sk)=n(n+1)/4

(4)

var(sk)=n(n-1)(2n+5)/72

(5)

式中：UF1=0，E(sk)和var(sk)是累积数sk的均值和方差。

给定显著性水平α，若∣UFk>Uα∣，则表明序列有明显趋势变化。将时间序列逆序，再重复上述过程，使UFk=UBk(k=n，n-1，… 1)。UFk和UBk的值大于0，说明有上升趋势，反之下降趋势，当其值超出临界线时，说明变化趋势显著。如果UFk和UBk两条曲线有交点，且交点出现在临界区间，则交点为突变开始时刻[13]。

1.3.3 R/S分析法

R/S分析法基本原理为：

设有一时间序列：{ζ(t)}，t=1，2，3，…，N；然后取一个系列τ=1，2，3，…，N，对于某个τ，定义：

(6)

(7)

Hurst指数：ln(R/S)=Hlnτ+Hlna

(8)

Hurst指数(00.5，表明未来趋势与历史一致，H越大持续性越强；当H<0.5，表明未来趋势与历史相反，H越小反持续性越强[14]。

2 结果分析

2.1 径流年内变化特征分析

图2 (a)为黑峪口站径流量年内分配过程，柱状为月径流值，折线为月径流占全年总量百分率。从结果看：该站月径流最大值为9月(0.98×108m3)，9月之前呈增加趋势，之后呈递减趋势。径流年内分配不均，主要集中在汛期6-10月，占全年的70.7%。

(a)基本趋势 (b)Mann-Kendall趋势检验图2 黑峪口站径流量变化趋势

图2(b)为黑河流域黑峪口站径流量Mann-Kendall趋势检验。取显著性置信水平，则。由图可知，黑峪口站月流量均为减少趋势，且除了9月径流量减少趋势未通过显著性检验外，其余月份均为显著性减少。4月减少趋势的幅度最大，9月减少趋势的幅度最小，汛期(6-10月)减少趋势的幅度小于非汛期。

2.2 径流年际变化特征分析

为排除偶然因素的影响，通常使用平滑法分析处理数据。对黑峪口站66 a的年径流系列采用3 a、5 a分析年际径流变化特征，分析结果见图3(a)。由图可知，黑峪口站年径流量整体呈减少趋势，年径流量以0.083×108m3/a的速率减少。采用MK法分析径流变化规律。经计算，年径流量的Z值为-4.77，采用显著性置信水平α=0.05检验，该站径流量显著减少。年径流量最大值为1983年的12.31×108m3，最小值为2013年的1.09×108m3，两者相差11.22×108m3，最大值是最小值的11.29倍，平均值为5.33×108m3，最小值是平均值的0.20倍，可以看出黑峪口站径流量的年际变化较大。

(a)年际变化 (b)径流距平图3 黑峪口站径流变化趋势

图3(b)为径流距平图，从结果看出：1964年之前，黑峪口站年径流量呈增加趋势；1964-1979年，呈现波动变化趋势；1979-1990年，呈增加趋势；1990年之后，呈减少趋势。黑峪口站年径流量出现3个拐点和4个阶段的变化(增加-波动-增加-减小)。

2.3 径流年代变化特征分析

图4为黑峪口站年代径流量Boxplot图。从结果看，黑峪口站各年代平均值均大于中位数，表明径流量多集中于均值以下部分。年代径流量1980年最大，2010年最小。1950-1960年代径流量均大于多年均值，径流偏丰；1990-2010年均小于多年均值，径流偏枯。1970-1980年呈增加趋势，1950-1970年和1980-2010年均呈减少趋势，且在1980-1990年减少最多。

图4 黑峪口站径流量年代变化分析

2.4 径流突变分析

采用MK突变检验法分析黑峪口站年径流量突变。取显著水平α=0.05，查表得临界值Uα/2=±1.96。图5为黑峪口站年径流量M-K突变曲线。从结果看出，该站1950-1965年UF>0，年径流量上升趋势。1965-2015年UF<0，年径流量呈下降趋势，其中1995-2015年通过了0.05显著水平，为显著性下降。年径流量统计量曲线UF和UB在1992年相交于置信区间内，表明黑峪口站径流量在1992年发生了突变。

2.5 径流序列R/S分析

图6(a)为该站年径流量R/S分析图。从结果看出，该站年径流量呈现明显的线性关系。年、月径流的相关系数均超过0.94，趋势为线性关系。图6(b)为该站年、月径流H指数，从分析结果看出：年、月径流H指数均超过0.5，与历史正相关，即未来相同时间内该站年、月径流量将呈现减少趋势。10月H指数最小，持续性最弱；1月H指数最大，持续性最强。汛期(6-10月)H指数小于非汛期，说明未来汛期径流持续减少的趋势要小于非汛期。

图5 黑峪口站径流量突变分析

(a)年际 (b)Hurst指数图6 黑峪口站径流量R/S分析

3 结语

(1)黑河黑峪口站径流量年内分配不均，主要集中在汛期(6-10月)，占全年径流量的70%。年代径流量多集中于小于均值的部分，1950-1960年代径流量均大于多年均值，径流偏丰；1990-2010年之间年代径流量均小于多年均值，径流偏枯。各年代径流量增减交替，在1970-1980年代径流呈增加趋势，1950-1970年和1980-2010年呈减少趋势，在1980-1990年减少最多。

(2)黑河黑峪口站的年和月径流量均为减少趋势，且除了9月径流量减少趋势未通过显著性检验外，其余月份均为显著性减少，汛期(6-10月)减少趋势的幅度小于非汛期。黑峪口站的年和月径流量Hurst指数均大于0.5，汛期径流量Hurst指数整体上小于非汛期，表明黑峪口站年和月径流量具有持续下降的趋势，未来汛期径流量持续性减少的趋势要小于非汛期。

(3)黑河黑峪口站径流量呈现增加-波动-增加-减小的变化过程，且存在1992年突变点。流域径流量变化是由气候变化和人类活动共同作用引起，气候变化对径流的影响主要为降水量和潜在蒸散量的增减，人类活动对径流的影响主要为水利工程修建和取用水量的增减。后续研究将在本文基础上深入分析各阶段径流变化的影响因素。