流域水文氣象變化趨勢及相關性分析

曹小磊，周祖昊，許　翼，王子茹（.中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 0008；.大連理工大學水資源與防洪研究所，遼寧 大連 6086；.沈陽環(huán)境科學研究院，遼寧 沈陽 006）

流域水文氣象變化趨勢及相關性分析

曹小磊1，2，周祖昊1，許翼3，王子茹2
（1.中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；
2.大連理工大學水資源與防洪研究所，遼寧 大連 116086；3.沈陽環(huán)境科學研究院，遼寧 沈陽 110016）

采用Mann-Kendall趨勢檢驗和線性回歸分析法，對松花江流域及水資源二級區(qū)1956-2010年的水文氣象要素進行趨勢分析，并采用Pearson相關系數(shù)方法，分析了研究區(qū)天然徑流與氣象要素之間的相關關系。趨勢分析結果表明：松花江流域的氣溫呈顯著上升趨勢，降水呈不顯著的減少趨勢，日照時數(shù)、相對濕度和風速呈顯著的減小趨勢，潛在蒸散發(fā)呈顯著增加趨勢，天然徑流深呈不顯著的減少趨勢。相關性分析結果表明，影響天然徑流變化的主要因素是降水量，蒸散發(fā)變化也對徑流有較為顯著的影響作用，相對濕度減少和溫度升高也在一定程度上通過對蒸散發(fā)的影響間接作用于徑流變化。

水文氣象要素；Mann-Kendall；趨勢分析；相關性分析

0　引言

氣候變化改變了地表的水熱條件，使全球水資源供給條件發(fā)生變化，進而影響地表的生態(tài)水文過程，以及社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設［1］。由于區(qū)域條件的差異，氣候變化情況具有不確定性，根據(jù)IPCC報告［2］，高緯度地區(qū)屬于氣候變化的敏感區(qū)域。寒區(qū)生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的高度敏感性導致生態(tài)系統(tǒng)加速退化［3］，在氣候變化及生態(tài)系統(tǒng)變化驅動作用下，寒區(qū)的水文循環(huán)過程發(fā)生了顯著改變。松花江流域是我國氣候變化敏感區(qū)，近年來，受氣候變化影響，松花江流域干旱洪澇頻發(fā)，水土流失嚴重［4］。目前針對松花江流域氣候變化及其影響的研究大部分集中在單個氣象、水文要素或局部區(qū)域的研究［4-9］，缺乏對全流域氣象、水文要素變化以及水文要素與各氣象因子之間相關關系的系統(tǒng)全面的研究分析?；?956—2010年長系列氣象水文資料，對松花江流域的氣象、水文要素的變化趨勢進行了分析，并探討了影響流域徑流變化的主要氣象因素，以期為松花江流域的水資源可持續(xù)利用、生態(tài)建設和社會經(jīng)濟發(fā)展提供科學依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

松花江流域地處我國東北地區(qū)的北部，流域面積55.68萬km2。松花江有南、北兩源，南源為第二松花江，流域面積7.82萬 km2；北源為嫩江，流域面積28.3萬km2［6］，兩源于三岔河附近匯合向東而流注入黑龍江。松花江流域地處北溫帶季風氣候區(qū)，多年平均降水量在500 mm左右，東南部山區(qū)降水可達700～900 mm，而干旱的西部地區(qū)只有400 mm，流域多年平均水資源總量為960.9億m3，多年平均氣溫在-5～3℃之間。

2　研究數(shù)據(jù)和方法

氣象資料來自中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)，包括松花江流域內(nèi)的46個氣象站和周邊18個氣象站的1956—2010年的逐日降水、氣溫、日照時數(shù)、相對濕度和風速數(shù)據(jù)。采用距離平方反比法（RDS）對松花江流域內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)進行空間插值，統(tǒng)計得到各水資源分區(qū)的平均值。徑流資料來源于松遼流域水資源綜合評價的成果，具體收集了松花江流域1956—2000年45年的天然徑流深數(shù)據(jù)，并依據(jù)1999—2010年的《松遼流域水資源公報》將天然徑流數(shù)據(jù)延長至2010年。

采用線性回歸分析法和Mann-Kendall趨勢分析法［10］，分析松花江流域的氣象要素和水文要素的年際變化趨勢，在顯著性水平α=0.05時，Mann-Kendall檢驗統(tǒng)計量的臨界值為±1.96；采用pearson相關系數(shù)方法［11］，分析天然徑流與各氣象要素的相關關系。

3　結果分析

3.1松花江流域氣象要素變化趨勢分析

對松花江流域及水資源二級區(qū)1956—2010年的降水、平均氣溫、日照時數(shù)、相對濕度和風速的變化趨勢，進行Mann-Kendall趨勢線檢驗和線性回歸分析，如表1所示。松花江流域降水呈不顯著的減少趨勢，平均減少幅度為0.80 mm/a；嫩江、第二松花江和松花江（三岔河口以下）的降水均呈不顯著減少趨勢，平均減少幅度分別為0.61 mm/年、0.52 mm/a和1.21 mm/a。松花江流域氣溫呈顯著上升趨勢，平均升幅為0.39℃/10 a；嫩江、第二松花江和松花江（三岔河口以下）的氣溫均呈顯著上升趨勢，平均上升幅度分別為0.42℃/1 0a、0.38℃/10 a和0.27℃/10 a。松花江流域日照時數(shù)、相對濕度和風速均呈顯著的減少趨勢，各水資源分區(qū)的日照時數(shù)、相對濕度和風速也均為顯著減少趨勢，只是受地理位置、下墊面條件等因素影響，減少程度有所不同。3.2松花江流域潛在蒸散發(fā)趨勢分析

表1　松花江流域氣象要素趨勢檢驗結果

蒸散發(fā)是能量平衡和水量平衡的重要組成部分，是水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，潛在蒸散發(fā)是實際蒸散量的理論上限，通常也是計算實際蒸散量的基礎［12］。根據(jù)插值得到的日氣象資料和彭曼公式［13］，計算松花江流域的多年平均潛在蒸散發(fā)為659.53 mm，其中嫩江、第二松花江和松花江（三岔河口以下）的潛在蒸散發(fā)多年平均值分別為667.98 mm、 670.32 mm和645.55 mm。松花江流域潛在蒸散發(fā)的年際變化如圖1所示，Mann-Kendall趨勢檢驗和線性回歸分析結果顯示其呈顯著增加趨勢，平均增幅為0.75 mm/a，見表2。從水資源分區(qū)來看，嫩江的潛在蒸散發(fā)呈顯著增加趨勢，平均增幅為0.95 mm/a，第二松花江和松花江（三岔河口以下）的潛在蒸散發(fā)呈不顯著增加趨勢，平均增幅為0.47 mm/a和0.53 mm/a。 3.3松花江流域徑流趨勢分析

圖1　松花江流域潛在蒸散發(fā)年際變化

表2　松花江流域潛在蒸散發(fā)趨勢檢驗結果

松花江流域的多年平均天然徑流深為142.62 mm，徑流系數(shù)為0.26，利用Mann-Kendall趨勢檢驗法和線性回歸分析方法，對天然徑流的變化趨勢進行分析，結果如圖2所示，松花江流域1956—2010年的徑流呈波動減少趨勢，平均減少幅度為0.53 mm/a，Mann-Kendall趨勢檢驗得到的統(tǒng)計值為-1.29，即不顯著減少趨勢。

圖2　松花江流域徑流年際變化過程

表3給出了松花江流域1956—2010年徑流的平均值、徑流系數(shù)、變差系數(shù)和趨勢檢驗結果。嫩江、第二松花江和松花江（三岔河口以下）多年平均天然徑流深分別為94.30 mm、223.16 mm和185.50 mm。從徑流變差系數(shù)來看，嫩江最大，表明嫩江徑流年際變化較大，而第二松花江和松花江（三岔河口以下）徑流變化則相對較小。Man-Kendall趨勢檢驗結果表明：嫩江的天然徑流呈顯著減少趨勢，平均減少幅度為0.48 mm/a；第二松花江和松花江（三岔河口以下）的天然徑流則呈不顯著減少趨勢，平均減少幅度分別為0.11 mm/a 和0.76 mm/a。3.4松花江流域徑流與氣象要素的相關性分析

表3　松花江流域徑流統(tǒng)計量和趨勢檢驗結果

分析松花江流域1956—2010年的天然徑流和降水的相關關系，結果見表4，徑流與降水存在顯著的正相關關系，相關系數(shù)為0.93?？梢姡苫ń饔蚪鼛资陙韽搅鳒p少，主要是由于降水減少引起的。從水資源分區(qū)來看，嫩江、第二松花江、松花江（三岔河口以下）徑流和降水均呈顯著的正相關關系，相關系數(shù)分別為0.89，0.92和0.93。

對松花江流域的徑流和潛在蒸散發(fā)進行相關性分析，結果如表4所示，徑流與潛在蒸散發(fā)呈顯著的負相關關系，相關系數(shù)為-0.72。

表4　松花江流域徑流與氣象要素的相關系數(shù)

可見，松花江流域蒸散發(fā)變化對徑流的影響雖然不及降水，但也較為顯著，是徑流變化的因素之一。潛在蒸散發(fā)增加的趨勢表明地區(qū)的蒸散發(fā)能力呈逐漸增大趨勢，更多的降水將以蒸散發(fā)的形式返回到大氣中，導致地區(qū)產(chǎn)流系數(shù)的下降。從水資源分區(qū)來看，嫩江、第二松花江、松花江（三岔河口以下）徑流和潛在蒸散發(fā)呈顯著的負相關關系，相關系數(shù)分別為-0.64，-0.59和-0.74。

區(qū)域蒸散發(fā)又受氣溫、日照、相對濕度和風速4個要素的影響，各氣象要素通過對蒸散發(fā)的影響間接作用于徑流。通過分析氣溫、日照、相對濕度、風速和潛在蒸散發(fā)的相關關系，可以進一步明確各氣象要素對徑流的影響程度。

表5　松花江流域潛在蒸散發(fā)與氣象要素的相關系數(shù)

由表5的分析結果可以看出，松花江流域的氣溫、日照、相對濕度、風速和潛在蒸散發(fā)均存在較好的相關性，其中，蒸散發(fā)與相對濕度的相關性最高，相關系數(shù)為-0.78；其次是溫度，相關系數(shù)為0.52?？梢?，溫度和相對濕度是影響松花江流域蒸散發(fā)變化的主要氣象因素，同時也在一定程度上引起徑流變化。日照時數(shù)和風速對潛在蒸散發(fā)的影響作用相對較弱，相關系數(shù)分別為0.36和-0.30，受其他氣象因素的影響作用，松花江流域風速與潛在蒸散發(fā)呈負相關關系。水資源分區(qū)各氣象要素與潛在蒸散發(fā)的相關關系基本與松花江流域相同。

4　結論

分析松花江流域近195—2010年的水文氣象要素變化趨勢，以及影響松花江流域徑流變化的主要因素，得出：

松花江流域的氣溫呈上升趨勢，降水、日照時數(shù)、相對濕度和風速呈下降趨勢，潛在蒸散發(fā)呈增加趨勢，天然徑流深呈下降趨勢。其中，溫度的平均上升幅度為0.39℃/10 a，降水的平均減少幅度為0.80 mm/a，潛在蒸散發(fā)的平均增加幅度為0.75 mm/a，徑流的平均減少幅度為0.53 mm/a。

通過對松花江流域徑流、潛在蒸發(fā)和氣象要素之間的相關性分析，表明影響天然徑流下降的主要原因是受降水減少的影響，此外，蒸散發(fā)量增加也是松花江流域天然徑流減少的主要原因之一；其他四個氣象要素主要通過對蒸散發(fā)的影響間接作用于地區(qū)的徑流量，而氣象要素和潛在蒸散發(fā)之間的相關性分析表明，引起松花江流域蒸

發(fā)變化的主要原因是相對濕度和氣溫。

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將這次計算的桓仁、回龍山、太平哨水電站壩址設計洪水成果與1972年太平哨初設審定成果比較，均值減小，Cv值增大，各頻率設計洪水成果均有所減小。其中洪峰流量設計成果減小幅度在0%～8%之間，3 d洪量成果減小幅度在4%～10%之間，分析其原因，主要為1971年以后渾江流域雖然發(fā)生了1986，1995，2010年等大水，但其量級相對于1888，1960年等歷史洪水還有一定差距，對前4位大洪水的排位無影響，而洪水系列的延長導致大洪水重現(xiàn)期增加，致使頻率曲線中的大洪水點距左移，且本次延長系列中大多數(shù)年份洪水量級不大，導致均值減小，從而使本次洪峰、洪量設計

值較太平哨初設成果整體減小。

6　結語

通過對桓仁、回龍山、太平哨水電站壩址設計洪水進行復核分析，各壩址設計洪峰、洪量成果較審定成果有一定程度的減小，因此，從工程安全角度分析，太平哨初設審定的洪水成果仍然是安全的?？紤]各水電站工程均已建成，為保持工程設計洪水成果相對穩(wěn)定、且從工程安全考慮，桓仁、回龍山、太平哨壩址洪水仍可沿用既往審定成果。

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[收稿日期]2016-04-20

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