黑河流域水文特征时空变异规律研究

高华峰 宋向旭 周 帅

(1.晋中市水文水资源勘测站,山西 晋中 030600;2.河北工程大学, 河北 邯郸 056038)

水文特征,用以揭示流域水文要素、下垫面变化的时空变异性,并诊断水文模型建模的认知缺陷[1-2]。然而,在气候变化与人类活动影响下,流域水情发生改变,其必将增加水库安全风险,给水利工程带来严峻挑战。一致性条件下的流域洪水计算结果将不再适用[3-4]。因此,从流域层面研究“水文一致性”的水文极值变异规律,对流域洪水预报、抗旱减灾工作的顺利开展具有现实意义。

众多国内外学者针对水文特征指标开展了大量研究,并取得了丰硕成果。例如,李欢玮等[5]以渭河流域咸阳、华县和氵状头三个水文站为例,采用IHA-RVA法综合评估河川径流水文指标改变程度,揭示了人类活动对水文情势的影响。陈秀秀等[6]选取黄河干流龙羊峡、小浪底两个代表性水库,利用水文改变度指标揭示水库运行对河流水文情势影响。王国庆等[7]采用两参数水量平衡模型,利用纳什效率系数和模拟总量相对误差两个水文指标,揭示了气候变化对水文过程的影响。杨大文等[8]基于水热耦合平衡方程(Budyko),利用气候弹性和下垫面弹性指标精准识别出黄河流域径流变化的主要原因,并揭示人类活动对中下游的影响大于上游,且人类活动影响大于气候变化影响。班璇等[9]采用变化范围方法(RVA),量化了三峡蓄水后长江中游流域水文特征的时空变异特征及其对生态的影响。纵观过往研究发现,多数研究侧重于某一流域的水情变化,而针对变化环境所导致的“水文一致性”的水文极值变异规律方面研究不足。

故此,本文以受气候变化和人类活动影响大的黑河流域为研究对象,充分考虑流域尺度气候和下垫面要素的空间异质性,以莺落峡水文站出山口以上为上游和莺落峡至正义峡之间为中游,将黑河流域划分为两个子流域;采用Pettitt突变检验、一元线性回归等方法,有效识别上中游之间径流的突变性和趋势性变化特征;最后,基于11种水文特征指标,精准揭示由变化环境所导致的“水文一致性”的水文极值变异特征。

1 区域概况及数据收集

黑河发源于祁连山脉,干流总全长928km,莺落峡出山口以上为黑河上游,属于典型的高海拔山区,平均海拔高达3000m以上,是黑河流域的重要产流区[10-11]。上游流域总集水面积为10009km2,1970—2014年多年年均径流量为15.6亿m3。莺落峡至正义峡之间为黑河的中游,河道长204km,两岸地势平坦,多年平均温度6～8℃,年降水量为140mm,为典型干旱区,而正义峡以下为黑河的下游,大部分区域为沙漠戈壁,年降水量仅有为47mm,属极端干旱区;受气候变化和人类活动影响较小,水情变化不凸显,故不考虑下游非一致条件对其水文过程的影响,黑河流域示意图见图1。

本文收集流域内部及周边14个气象站点1970—2014年逐日降水量和气温数据,并从相关机构收集到同期莺落峡和正义峡实测径流资料。

2 研究方法

2.1 Pettitt突变检验方法

Pettitt突变检验方法是识别水文序列突变点的非参数检验方法[12],其在有效诊断水文时序突变情况的同时,还可检验突变是否具备数学统计意义上的显著性,拟定统计量Ut,n:

(1)

(2)

(3)

式中:Kt,n为最大统计量;xt、xi为序列中的随机变量;n为序列总长度;p为显著性检验指标。

2.2 流域水情评估指标

基于流域气象和水文数据,计算了11种水文特征指标(总径流比、径流降水弹性、基流指数、低流量、高流量、低流量历时曲线斜率、中流量历时曲线斜率、高流量历时曲线斜率、高流量发生的频次、低流量发生的频次和自相关性),用以揭示流域的水情变化特征,且对各时间尺度水文过程均较敏感。这些水文特征指标其物理描述见表1。

表1 流域水情评价指标

3 结果与讨论

3.1 径流年际变化特征

3.1.1 年际尺度径流突变检验结果

图2为采用Pettitt方法识别的黑河流域上中游径流突变检验结果。可以看出,上中游对应的莺落峡水文站和正义峡水文站均发生了显著突变,其突变年份分别为1993年和1989年。同样,由黑色曲线变化过程可以看出,在径流变异前,二者径流量均呈增加趋势变化特征,且通过了95%显著性水平检验,但径流变异后径流呈微弱下降趋势。而上游和下游径流突变年份不同可能归因于上游属于高寒融雪区,受气候变化影响较大;中游属于平原区,受人类活动影响较大。

3.1.2 年际尺度径流趋势性检验结果

表2和图3为采用一元线性回归方法检验得到的黑河流域上中游径流趋势检验结果。首先,由图2拟合线可以看出,莺落峡以上流域平均年径流量大于中游(莺落峡至正义峡之间),且随着时间推移,二者之间的差异逐渐增大(由拟合线可知)。

表2 黑河流域上中游径流趋势检验统计量取值情况

图3 黑河流域上中游径流趋势检验结果

由图3(a)可以看出,上游年径流量整体呈显著增加趋势,且在1989—1996年出现极端低流量事件,即该结论与突变检验结果相一致,而中游年径流量整体呈微弱增加趋势;此外,由95%置信区间宽度可以看出,1985—1995年间径流置信区间宽度最窄,意味着该时期径流量年际变化小。

由表2同样可以看出,径流变异前后,上游和中游趋势检验结果差异明显。详细结果如下:

a.径流突变前,上游和中游水文站的年径流量分别以8.90m3/(s·10a)速率增加和0.50m3/(s·10a)的速率递减,径流变异后,二者均呈增加趋势,且前者大于后者。

b.径流突变前,上游和中游水文站的年径流量的F检验统计值分别为11.15和1.22,而径流变异后,其值分别为28.49和21.49。

c.总的来说,黑河流域水文情势在流域尺度内具有显著的非一致性变化特征。

3.2 径流变异对不同量级流量的影响

本文根据McMillan等[13]研究建议,将径流变异前后不同量级流量下流量历时曲线进行中值处理,可有效解决不同大小集水区中快流、慢流之间的水分配不统一问题。

图4为黑河流域上中游径流变异对不同量级流量的影响结果。可以看出:

图4 黑河流域上中游径流变异对不同量级流量的影响

a.径流变异后,极端高流量值均增大,且发生频次增加,这与近年来的极端洪涝灾害事件增多相吻合。

b.由变异前后的流量历时曲线(FDC)可以看出,气候变化和人类活动不仅改变了洪峰流量大小,也改变了水文过程(曲线平滑度降低);对于上游,超越概率为0.10时,其流量值与其中位数的比值为4.70,径流变异后,其值为4.85;同理对于中游,径流变异前,其流量值与其中位数的比值为2.50,径流变异后,其值为3.05。

c.总之,非一致性条件对中游水文过程的改变度大于上游,且上中游极端高流量洪水事件均呈增加趋势,应予以重视。

3.3 非一致条件对上中游水文过程的影响

表3为径流变异前后水文特征值变异结果。可知:非一致条件下,11种水文特征指标均发生了不同程度改变,其中总径流比Rr变化最大,如径流变异前后,中游Rr值分别为167.02和139.46;同时,对上中游低流量的影响也较大;如径流变异前后,上游Fl值分别为0.02和0.12,中游Fl值分别为0.24和0.33。

表3 径流变异前后水文特征值变异结果

由采用数字滤波Chapman-Maxwell方法[13]得到的基流指标(BFI)表明,径流变异后,上游和中游的BFI值分别改变了0.03和0.07,即中游基流量对总径流量的贡献减少程度更大,这与流域径流的增加相反,意味着人类活动、水利工程等影响显著改变了地下水文过程。

此外,由水文过程线与滞后1天水文过程线的相关性系数(AC1)和高流量频率Fh可知,径流变异改变上中游的极端高流量,但未显著改变流域水文过程。

总之,非一致性条件下黑河流域的水文规律发生了较大改变,尤其是对极端水文特征指标的影响较大。

4 结 语

本文以受气候变化和人类活动影响大的黑河流域为研究对象,充分考虑流域尺度气候和下垫面要素的空间异质性,将黑河流域划分为两个子流域,采用Pettitt突变检验、一元线性回归等方法,有效识别上中游之间径流的突变性和趋势性变化特征。最后,基于11种水文特征指标,精准揭示非一致性条件下流域水文特征的时空变异规律。结果表明:

a.上中游对应的莺落峡水文站和正义峡水文站均发生了突变,其突变年份分别为1993和1989年,且通过了95%置信水平显著性检验;同时1985—1995年间莺落峡和正义峡水文站年径流量出现极端低值区,整体来讲年径流量呈弱增加上升趋势变化规律。

b.径流变异改变了流量历时曲线(FDC)的极端高值区,且近年来极端高流量呈增大趋势;同时,中游的极端高值改变量大于上游。