松花江流域1956—2014年徑流量變化特征分析

汪雪格，胡 俊，呂 軍，劉洪超，魏春鳳，張 正，張 宇

(松遼流域水資源保護(hù)局 松遼水環(huán)境科學(xué)研究所，吉林 長春 130026)

松花江流域1956—2014年徑流量變化特征分析

汪雪格，胡 俊，呂 軍，劉洪超，魏春鳳，張 正，張 宇

(松遼流域水資源保護(hù)局 松遼水環(huán)境科學(xué)研究所，吉林 長春 130026)

徑流量；Mann-Kendal法；1956—2014年；松花江流域

利用松花江流域內(nèi)嫩江的尼爾基、大賚斷面，第二松花江的豐滿水庫、扶余斷面，松花江干流的哈爾濱和佳木斯斷面等6個干流水文站，以及洮兒河的鎮(zhèn)西斷面、霍林河的白云胡碩斷面等2個支流水文站的1956—2014年水文監(jiān)測資料，采用Mann-Kendal法分析了松花江流域主要干支流1956—2014年徑流量變化規(guī)律和特征，結(jié)果表明：松花江流域干支流的徑流量年際變化很大，經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)豐水年和連續(xù)枯水年的情況，尤其是支流洮兒河和霍林河徑流極值比非常大。松花江流域干支流徑流量均有下降的趨勢，其中嫩江、松花江干流、洮兒河和霍林河下降趨勢較為明顯，而第二松花江徑流量下降趨勢相對不顯著。嫩江的突變點(diǎn)有兩個，主要集中在1963和1991年；第二松花江沒有突變點(diǎn)；松花江干流有兩個突變點(diǎn)，分別是1967和1990年左右；洮兒河的突變點(diǎn)為1971和1995年；霍林河的突變點(diǎn)為1964年。松花江流域干支流研究水文站點(diǎn)的突變點(diǎn)均為減小突變。

水資源是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源，地表徑流是水資源的主要組成部分。地表徑流作為地貌形成的外營力之一，參與在地殼中的化學(xué)過程，影響土壤發(fā)育、植物生長，以及湖泊、沼澤形成等，是地區(qū)工農(nóng)業(yè)供水的重要來源，制約著地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展規(guī)模，在國民經(jīng)濟(jì)中具有十分重要的意義。隨著全球變暖和人類活動影響加劇，河川徑流量發(fā)生了顯著的時空變化，直接影響了流域水資源的合理配置、開發(fā)與利用，以及河流生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物過程。

近幾十年來松花江流域出現(xiàn)了持續(xù)而顯著的增溫現(xiàn)象[1-2]，土地利用格局[3-4]、降水和徑流過程發(fā)生了巨大變化，并引起了濕地退化[5-6]、草地沙化和鹽堿化等生態(tài)環(huán)境問題[7]，旱澇災(zāi)害發(fā)生的頻率也在不斷增加，嚴(yán)重制約了松花江流域經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展。在松花江流域1990年之后發(fā)生的洪災(zāi)中，以1995、1998、2013年的最為嚴(yán)重，其中1998年發(fā)生在嫩江、松花江的洪災(zāi)是中華人民共和國成立以來流域內(nèi)發(fā)生的最為嚴(yán)重的一場洪災(zāi)，造成直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)480億元，災(zāi)區(qū)主要位于黑龍江、吉林兩省的西部及內(nèi)蒙古自治區(qū)的東部，受災(zāi)縣、市88個，受災(zāi)人口1 733萬人。

近年來研究者們對松花江流域徑流量變化進(jìn)行了大量研究工作，認(rèn)為降雨量和徑流量整體呈現(xiàn)減少的趨勢，然而關(guān)于徑流量變化的研究主要集中在個別站點(diǎn)[8-11]、區(qū)域[12]、區(qū)段[13]、流域[14]，對全流域主要干支流徑流量變化的研究較少。本研究以松花江流域嫩江及其支流洮兒河和霍林河、第二松花江和松花江干流為研究對象，分析松花江流域干支流的徑流量變化特征、變化趨勢及突變節(jié)點(diǎn)，以期為流域水資源的評價、開發(fā)、利用和管理等提供科學(xué)依據(jù)，這對流域水利工程建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

松花江流域位于我國的東北部，是我國七大流域之一，位于東經(jīng)119°52′～132°31′、北緯41°42′～51°38′之間，東西寬920 km，南北長1 070 km，流域面積56.12萬km2。松花江有南北兩源，南源第二松花江發(fā)源于吉林省長白山天池，北源嫩江發(fā)源于大興安嶺伊勒呼里山中段南側(cè)，兩源于三岔河附近匯合后向東而流始稱松花江。松花江流域西部為大興安嶺，北部為小興安嶺，東部和東南部為完達(dá)山脈和長白山脈，流域中部為松嫩平原，是主要的農(nóng)業(yè)區(qū)，西南部丘陵地帶是松花江、遼河兩流域的分水嶺。松花江流域地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，春季干燥多風(fēng)、夏秋降雨集中、冬季嚴(yán)寒漫長，多年平均氣溫-3～5 ℃、降水量400～850 mm、蒸發(fā)量1 000～1 700 mm。松花江流域人均水資源量為全國平均值的85%，單位面積水資源量僅為全國平均值的30%。

松花江流域范圍內(nèi)山嶺重疊，滿布原始森林，蓄積在大興安嶺、小興安嶺、長白山等山脈上的木材總計(jì)有10億m3，是中國面積最大的森林區(qū)，同時礦產(chǎn)蘊(yùn)藏量極為豐富，除了煤，還有金、銅、鐵等。松花江流域土地肥沃，盛產(chǎn)大豆、玉米、高粱、小麥，以及亞麻、棉花、蘋果和甜菜等。松花江還是中國東北地區(qū)的一個大淡水魚場，每年供應(yīng)的鯉、鯽、鰉、哲羅魚等在4萬t以上。因此，松花江雖然是黑龍江的支流，但對東北地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、內(nèi)河航運(yùn)、人民生活等的意義都超過了黑龍江和東北地區(qū)其他河流。

2 研究方法

采用Mann-Kendal檢驗(yàn)法進(jìn)行徑流量變化趨勢及突變分析。Mann-Kendal檢驗(yàn)法是時間序列數(shù)據(jù)趨勢檢驗(yàn)中使用廣泛的一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，該方法不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用于水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，計(jì)算比較簡便[15-17]。

(1)Mann-Kendal趨勢檢驗(yàn)。在Mann-Kendal檢驗(yàn)中，原假設(shè)H0為時間序列數(shù)據(jù)(x1,x2,…,xn)，是n個獨(dú)立的、隨機(jī)變量同分布的樣本；備選假設(shè)H1是雙邊檢驗(yàn)，對于所有的i、j≤n，且i≠j，xi和xj分布是不相同的。

定義檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S為

(1)

式中：sign()為符號函數(shù)，當(dāng)xi-xj<(=、>)0時，sign(xi-xj)分別為-1、0、1；S為正態(tài)分布，均值和方差分別為E(S)=0，Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。

當(dāng)n>10時，標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)統(tǒng)計(jì)變量Z的計(jì)算公式為

(2)

在雙邊趨勢檢驗(yàn)中，對于給定的置信水平α，若|Z|≥Z1-α/2則原假設(shè)H0是不可接受的，即在置信水平α上，時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。統(tǒng)計(jì)變量Z為正值時表示增加趨勢，為負(fù)值時表示減少趨勢。Z的絕對值在≥1.28、1.64、2.32時，表示分別通過了置信度90%、95%、99%的顯著性檢驗(yàn)。

(2)非參數(shù)Mann-Kendal突變檢測。設(shè)時間序列為(x1,x2,…,xn)，Sk表示第i個樣本xi>xj(1≤j≤i)的累計(jì)數(shù)，定義統(tǒng)計(jì)量Sk為

(3)

其中：

定義統(tǒng)計(jì)量UFk為

(4)

其中：

E(Sk)=k(k-1)/4

Var(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72 (1≤k≤n)

UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，UF1=0，UFk是根據(jù)時間序列xi計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)序列，再按照時間序列逆序(xn,xn-1,…,x1)，重復(fù)上面的步驟，得出UBk統(tǒng)計(jì)序列，同時令UBk=-UKk,i′=n+1-i(i、i′=1,2,…,n),其中UB1=0。

給定顯著性水平，如α=0.05，那么臨界值U0.05=±1.96，將UFk和UBk兩個統(tǒng)計(jì)量序列曲線和±1.96兩條直線繪制在同一張圖上。若UFk或UBk值大于0，則表明序列呈現(xiàn)上升趨勢，小于0則表示呈下降趨勢。當(dāng)它們超過臨界線時，表明上升或下降趨勢顯著。超過臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時間區(qū)域。如果UFk和UBk兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，那么交點(diǎn)對應(yīng)的時刻便是突變開始的時間。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流量年際變化分析

根據(jù)松花江流域內(nèi)嫩江的尼爾基、大賚斷面，第二松花江的豐滿水庫、扶余斷面，松花江干流的哈爾濱和佳木斯斷面6個干流水文站，以及洮兒河的鎮(zhèn)西斷面、霍林河的白云胡碩斷面等2個支流水文站1956—2014年水文監(jiān)測資料，分析各研究水文站歷年徑流量變化特征。各研究水文站點(diǎn)位置示意見圖1。各研究水文站點(diǎn)徑流量變化特征見表1。

圖1 松花江流域各研究水文站點(diǎn)位置示意

表1 各研究水文站點(diǎn)徑流量變化特征

從表1可以看出，松花江流域嫩江、第二松花江及松花江干流的6個主要水文控制站中松花江干流的哈爾濱和佳木斯站年徑流量數(shù)值相對較大，其次是嫩江的大賚站，第二松花江的豐滿水庫站、扶余站徑流量相對較小，嫩江的尼爾基站徑流量最小，徑流量空間分布不均勻。

松花江流域各研究水文站點(diǎn)1956—2014年徑流量總體呈減少趨勢(圖略)，同時徑流量年際變化很大，徑流極值比為4.9～13.0，經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)豐水年和連續(xù)枯水年的情況。

支流洮兒河的鎮(zhèn)西站和霍林河的白云胡碩站年徑流量很小，且呈減少趨勢。鎮(zhèn)西站的年徑流量為11.66億m3，霍林河只有2.84億m3。這兩個水文站徑流極值比非常大，分別為54.1和98.0，表明徑流量年際分布極不均勻。除個別年份為豐水年外，其他年份枯水年較多，整體來說洮兒河流域和霍林河流域干旱少水。

3.2 徑流量變化趨勢分析

對尼爾基、大賚、豐滿水庫、扶余、哈爾濱、佳木斯、鎮(zhèn)西和白云胡碩水文站1956—2014年徑流量序列進(jìn)行Mann-Kendal趨勢檢驗(yàn)，結(jié)果見表2。

從表2可知，松花江流域內(nèi)8個研究水文站的Z值均為負(fù)值，說明各站點(diǎn)的徑流量均呈減少趨勢。其中，大賚、哈爾濱、佳木斯和白云胡碩水文站的|Z|>2.32，通過了顯著性水平0.01的檢驗(yàn)，說明這4個水文站的徑流量下降得非常明顯；尼爾基、鎮(zhèn)西站的|Z|>1.64，通過了顯著性水平0.05的檢驗(yàn)，說明這兩個水文站的徑流量存在明顯的下降趨勢；豐滿水庫站的|Z|>1.28，通過了顯著性水平0.10的檢驗(yàn)，說明豐滿水庫站徑流量下降得也較為明顯；而扶余站的|Z|<1.28，未通過顯著性水平0.10的檢驗(yàn)，說明該站點(diǎn)徑流量下降趨勢不顯著。

表2 各測站趨勢檢驗(yàn)結(jié)果

3.3 徑流量變化突變分析

通過Mann-Kendal突變檢驗(yàn)方法得出尼爾基、大賚、豐滿水庫、扶余、哈爾濱、佳木斯、鎮(zhèn)西和白云胡碩水文站1956—2014年徑流量Mann-Kendal統(tǒng)計(jì)量曲線見圖2—9。松花江流域徑流量突變分析結(jié)果見表3。

表3 松花江流域徑流量突變分析結(jié)果

圖2 嫩江尼爾基站Mann-Kendal統(tǒng)計(jì)量曲線

圖3 嫩江大賚站Mann-Kendal統(tǒng)計(jì)量曲線

從圖2、3可以看出，嫩江尼爾基站和大賚站的Mann-Kendal統(tǒng)計(jì)量曲線不太一致。尼爾基站在置信區(qū)間的交點(diǎn)出現(xiàn)在1963、1999、2009、2011、2012、2014年，其中1963年為突變點(diǎn)，1964年UF曲線超越了置信區(qū)間，徑流量有一個突變減小的過程，其余交點(diǎn)還構(gòu)不成突變點(diǎn)；在置信區(qū)間之外的交點(diǎn)有1983年，說明1983年開始有增加的變化趨勢，但是并沒有達(dá)到突變的水平，因此該點(diǎn)不是突變點(diǎn)。大賚站在置信區(qū)間內(nèi)的交點(diǎn)出現(xiàn)在1963、1991年，且均為突變點(diǎn)；在突變點(diǎn)1963年之后的1964年UF曲線超越了置信區(qū)間，徑流量有一個突變減少的趨勢；在2002年左右UF曲線超越了置信區(qū)間，徑流量有一個突變減少的趨勢。

圖4 第二松花江豐滿水庫站Mann-Kendal統(tǒng)計(jì)量曲線

圖5 第二松花江扶余站Mann-Kendal統(tǒng)計(jì)量曲線

第二松花江豐滿水庫站和扶余站的UF曲線和UB曲線基本都在置信區(qū)間內(nèi)，變化趨勢不明顯。其中豐滿水庫站的UF和UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)的交點(diǎn)出現(xiàn)在1957、1959和1967年，扶余站的UF和UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)的交點(diǎn)出現(xiàn)在1957年，它們都沒有通過95%置信區(qū)間的檢驗(yàn)，所以不是突變點(diǎn)。

圖6 松花江干流哈爾濱站Mann-Kendal統(tǒng)計(jì)量曲線

圖7 松花江干流佳木斯站Mann-Kendal統(tǒng)計(jì)量曲線

松花江干流的哈爾濱和佳木斯站的Mann-Kendal統(tǒng)計(jì)量曲線基本一致。哈爾濱站UF和UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)的交點(diǎn)出現(xiàn)在1967、1993年，且均為突變點(diǎn)，在1975和2002年左右UF曲線超越了置信區(qū)間，徑流量有突變減小的過程；在置信區(qū)間之外的交點(diǎn)有1983年，說明1983年開始有增加的變化趨勢，但是變化沒有達(dá)到突變的水平。佳木斯站UF和UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)的交點(diǎn)出現(xiàn)在1967、1989年，且均為突變點(diǎn)，在1975和2002年左右UF曲線超越了置信區(qū)間，徑流量有突變減小的過程。

圖8 洮兒河鎮(zhèn)西站Mann-Kendal統(tǒng)計(jì)量曲線

洮兒河鎮(zhèn)西站UF和UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)的交點(diǎn)出現(xiàn)在1967、1971、1995年，其中1971和1995年為突變點(diǎn)，在1978和2006年左右UF曲線超越了置信區(qū)間，徑流量有突變減小的過程；在置信區(qū)間之外的交點(diǎn)出現(xiàn)在1985年，說明1985年開始有增加的變化趨勢，但是變化沒有達(dá)到突變的水平。

圖9 霍林河白云胡碩站Mann-Kendal統(tǒng)計(jì)量曲線

霍林河白云胡碩站UF和UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)只有一個交點(diǎn)，即1964年，為突變點(diǎn)，在1965年左右UF曲線超越了置信區(qū)間，徑流量有一個突變減小的過程。

4 結(jié) 論

(1)松花江流域干流及支流的年徑流量空間分布不均勻，年際變化很大，經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)豐水年和連續(xù)枯水年的情況，尤其是支流洮兒河和霍林河徑流極值比非常大，分別達(dá)到了54.1和98.0，說明徑流的年際分布極不均勻。

(2)1956—2014年松花江流域干支流徑流量均有下降的趨勢，其中嫩江、松花江干流、洮兒河和霍林河下降趨勢較為明顯，而第二松花江徑流量下降趨勢相對不顯著。

(3)嫩江的突變點(diǎn)有兩個，主要集中在1963和1991年；第二松花江沒有突變點(diǎn)；松花江干流有兩個突變點(diǎn)，分別是在1967和1990年左右；洮兒河的突變點(diǎn)為1971和1995年；霍林河的突變點(diǎn)為1964年。整個松花江流域干支流研究水文站點(diǎn)的突變點(diǎn)均為減小突變。

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

P333

A

1000-0941(2017)10-0061-05

受松花江流域河湖連通特征及修復(fù)技術(shù)研究項(xiàng)目(201401014)資助

汪雪格(1978—)，女，河北新樂市人，高級工程師，博士，主要研究方向?yàn)榱饔蛞?guī)劃環(huán)境影響評價。

2017-07-15