榆林地區(qū)降雨徑流關(guān)系及產(chǎn)匯流機(jī)制分析

強(qiáng)文博

0 引言

榆林市地屬干旱、半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，氣候干燥，蒸發(fā)強(qiáng)烈，降水較少[1]。榆林市年平均降水量為405 mm，僅為全省平均降雨量的59%，且降水分布不均，風(fēng)沙區(qū)一般在325～425 mm之間，丘陵區(qū)在400～500 mm之間[2]。市內(nèi)多年平均水面蒸發(fā)量為1211 mm，約為降水量的三倍，陸面蒸發(fā)量為342.6 mm，多年平均氣溫為10.7℃左右[3]。

榆林市境內(nèi)河流主要有黃河水系和全省唯一的內(nèi)陸水系。黃河為晉陜界河，從府谷入陜西省，流經(jīng)府谷、神木、佳縣、吳堡、綏德、清澗6縣，共270 km。集水面積在100 km2以上的河流共有109條，較為有代表性的為“四河四川”：無(wú)定河、窟野河、禿尾河、佳蘆河、皇甫川、清水川、孤山川、石馬川[4]。無(wú)定河為全市最大河流，發(fā)源于定邊縣長(zhǎng)春梁東麓，流經(jīng)定邊、靖邊、橫山、榆陽(yáng)、米脂、綏德、清澗7縣（區(qū)），流域面積30261 km2，較大的支流有大理河、淮寧河、榆溪河、蘆河[5]。清澗河、延河、洛河及涇河上游支流流出榆林市境外，進(jìn)入延安地區(qū)。內(nèi)陸水系流域面積較大的有八里河和紅堿淖。八里河是陜西省最大的內(nèi)陸河，發(fā)源于定邊縣東南白于山地，消失于東部石洞溝鄉(xiāng)，河流長(zhǎng)約51 km，流域面積1374 km2[6]。紅堿淖是陜西省最大的內(nèi)陸湖泊，湖面總面積50.3 km2，總蓄水量10億 m3，由蟒蓋河、齊蓋素河、爾林兔河、前廟河等12條河流注入[7]。除此之外，北部風(fēng)沙區(qū)還分布有大小不等的海子200多個(gè)，水面達(dá)120 km2。

由于黃土高原地區(qū)特殊的地形地貌、植被覆蓋以及水文地質(zhì)條件，地表水與地下水交互強(qiáng)烈，表現(xiàn)出在時(shí)間和空間上的復(fù)雜性。區(qū)域降水與徑流的相關(guān)性較差，使得在水文分析中常用的降雨徑流變化趨勢(shì)法在黃土高原地區(qū)應(yīng)用起來(lái)難度較大，且準(zhǔn)確性無(wú)法保證。因此，本次研究擬采用回歸分析法和Mann-kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法[8]研究榆林地區(qū)的降水量和徑流量的演化規(guī)律，并對(duì)兩者的相關(guān)關(guān)系及產(chǎn)匯流機(jī)制進(jìn)行討論。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法

Mann-Kendall（MK）法是由Mann（1945）和Kendall（1975）提出的一種重要的用于時(shí)間序列的非參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)的方法[8]，由于該方法不需要待檢序列服從某一概率分布，且不受少數(shù)異常值干擾，克服了水文數(shù)據(jù)偏態(tài)、非同分布、有異常值等問(wèn)題，因而該檢驗(yàn)方法在水文統(tǒng)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用較廣[9]。MK方法具體原理如下[10]：

假設(shè) X1，2，…n為時(shí)間序列變量，n 為時(shí)間序列的長(zhǎng)度，其統(tǒng)計(jì)量S按下式計(jì)算：

其中：Xj和Xk為時(shí)間序列相應(yīng)年份數(shù)據(jù)；n為時(shí)間序列長(zhǎng)度；sgn（Xj-Xi）為符號(hào)函數(shù)。

當(dāng)n≥10時(shí)，統(tǒng)計(jì)量S近似服從正態(tài)分布，其期望和方差分別為：

按照下式可構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)化的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量：

服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，當(dāng)時(shí)，存在上升的趨勢(shì)，當(dāng)時(shí)，存在下降的趨勢(shì)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

為了系統(tǒng)分析榆林地區(qū)的降水徑流關(guān)系及其產(chǎn)匯流機(jī)制，選取無(wú)定河（趙石窯站）、窟野河（王道恒塔、神木、溫家川站）、禿尾河（高家堡、高家川站）、大理河（青陽(yáng)岔）、小理河（李家河站）、黑木頭川（殿市站）、佳蘆河（申家灣站）、馬湖峪河（馬湖峪站）、皇甫川（皇甫站）、清水川（清水站）、孤山川（高石崖站）、黃河（吳堡站）共15個(gè)水文站點(diǎn)降雨及徑流數(shù)據(jù)作為本次的研究對(duì)象。

（1）降水資料

在中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)中查找到了榆林市及周邊地區(qū)共217個(gè)站點(diǎn)降雨量的觀測(cè)資料，其中各站的時(shí)間序列長(zhǎng)短不同，最早的觀測(cè)年為1951年。根據(jù)觀測(cè)資料，應(yīng)用泰森多邊形法[11]對(duì)不同水文站控制區(qū)域的面降雨量進(jìn)行推求，得到15個(gè)水文站點(diǎn)的面降雨量。

（2）徑流資料

由于本文所選研究區(qū)域內(nèi)15個(gè)水文站點(diǎn)均屬黃委會(huì)管轄，故其徑流數(shù)據(jù)均采用黃委水文局匯編的《黃河流域水文資料》，代表性和可靠性滿(mǎn)足應(yīng)用要求。

2 降雨量演變規(guī)律分析

對(duì)15個(gè)水文站點(diǎn)的面降雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)圖1。從各站面降水量的年際變化曲線及其趨勢(shì)線可以得出，各站點(diǎn)的年際面降水量趨勢(shì)變化并不相同。殿市站面降水量存在小幅增加趨勢(shì)，馬湖峪站保持平穩(wěn)，其他站點(diǎn)表現(xiàn)出不同程度的縮減趨勢(shì)。

圖1 各水文站面降雨量年際變化

根據(jù)Mann-Kendall的趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果（如表1所示），不難發(fā)現(xiàn)其與圖1所展現(xiàn)結(jié)果基本保持一致。除殿市、馬湖峪水文站面降水量略有增加趨勢(shì)外，其他各站點(diǎn)皆呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，其中榆林北部地區(qū)的高家堡、王道恒塔、神木、高家川、高石崖及溫家川站點(diǎn)下降趨勢(shì)相對(duì)更為顯著。

表1 各水文站面降雨量Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

3 實(shí)測(cè)徑流序列的演變規(guī)律

將15個(gè)水文站點(diǎn)的實(shí)測(cè)徑流量點(diǎn)繪于圖2中，得到不同水文站點(diǎn)的實(shí)測(cè)徑流量的年際變化曲線。由各站點(diǎn)的徑流年際變化圖可看出整個(gè)榆林地區(qū)的實(shí)測(cè)年徑流均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。

圖2 各水文站點(diǎn)徑流量年際變化

4 降雨徑流關(guān)系分析

為進(jìn)一步分析榆林地區(qū)各水文站點(diǎn)的降雨-徑流關(guān)系，本文點(diǎn)繪了各站點(diǎn)的面降水量與實(shí)測(cè)徑流量（扣除含沙量，即清水徑流量）的相關(guān)曲線，如圖3所示。由圖3可知，榆林地區(qū)的降水-徑流關(guān)系并不理想，相關(guān)關(guān)系較差。

圖3 各站面降水量與實(shí)測(cè)徑流量的相關(guān)曲線

5 榆林地區(qū)產(chǎn)匯流機(jī)制分析

降水-徑流關(guān)系的分析結(jié)果表明，各站面降水量與實(shí)測(cè)徑流量關(guān)系呈現(xiàn)非穩(wěn)定狀態(tài)，且相關(guān)關(guān)系不佳，在水文設(shè)計(jì)中，難以直接采用。因此，對(duì)榆林地區(qū)進(jìn)行產(chǎn)匯流的機(jī)理分析十分必要。

從榆林地區(qū)河川徑流的補(bǔ)給來(lái)源看，榆林地區(qū)的河川徑流主要來(lái)自于地表產(chǎn)流和地下水補(bǔ)給（即基流）。

地表產(chǎn)流量，即為降水扣除初損、蒸發(fā)、入滲以后的地表產(chǎn)流量。從地貌上看，榆林地區(qū)大體可分為風(fēng)沙區(qū)和黃土區(qū)，風(fēng)沙區(qū)降水入滲量大，入滲速度快，地表產(chǎn)流小，且實(shí)際蒸發(fā)損失較少。黃土區(qū)包氣帶較厚，降水產(chǎn)流原理大部分地區(qū)為超滲產(chǎn)流，相比風(fēng)沙區(qū)地表產(chǎn)流量大，且實(shí)際蒸發(fā)消耗也較大。

地下水補(bǔ)給量，包括三部分。①降水入滲量，轉(zhuǎn)化為地下徑流，并經(jīng)過(guò)地下水系統(tǒng)調(diào)蓄后，補(bǔ)給到河流中，其中汛期7～8月份的降水入滲量會(huì)在10～11月補(bǔ)給至河流，時(shí)滯大概為2～3個(gè)月；②融雪補(bǔ)給量，榆林地區(qū)通常11月底-12月上旬進(jìn)入結(jié)冰期，次年3月解凍，由于榆林地區(qū)風(fēng)速較大，地表基本無(wú)積雪，故解凍期融雪主要通過(guò)地下水徑流補(bǔ)給至河川徑流，通常會(huì)在3～4月形成桃汛。③外區(qū)側(cè)向補(bǔ)給量，由于榆林地區(qū)地表水邊界與地下水邊界不重合，區(qū)內(nèi)地下水受外區(qū)地下水補(bǔ)給（如鄂爾多斯臺(tái)地地區(qū)地下水），導(dǎo)致部分河流的徑流量會(huì)明顯高于區(qū)內(nèi)其他流域。因此，在進(jìn)行河川基流分割時(shí)，通常會(huì)將地下水（降水）補(bǔ)給量、融雪補(bǔ)給量、跨區(qū)地下水補(bǔ)給量包含在內(nèi)。

榆林地區(qū)河流受地下水補(bǔ)給量較大，一般占30%～80%，長(zhǎng)城以北風(fēng)沙區(qū)高達(dá)50%～80%（其中榆林和韓家峁受外區(qū)地下水補(bǔ)給影響，地下水補(bǔ)給占天然徑流的90%），黃土區(qū)一般在30%～60%。受地下水補(bǔ)給影響，徑流深值的CV值一般呈如下規(guī)律：風(fēng)沙區(qū)站點(diǎn)＜風(fēng)沙黃土區(qū)站點(diǎn)＜黃土區(qū)站點(diǎn)。

從產(chǎn)流機(jī)制上看，榆林地區(qū)不同的地貌類(lèi)型和水文地質(zhì)特征是導(dǎo)致榆林地區(qū)的產(chǎn)流過(guò)程和徑流過(guò)程存在較大的差異的主因：

風(fēng)沙區(qū)：流域內(nèi)地貌型態(tài)主要為波狀起伏的沙丘和地形平緩的灘地，地形較平緩，地表為現(xiàn)代風(fēng)積沙，巖性以粉、細(xì)砂為主，厚度一般1～3 m，透水性強(qiáng)；下伏河湖相薩拉烏蘇組地下水含水層，巖性以中、細(xì)砂為主，厚度一般25～80 m。表層的現(xiàn)代風(fēng)積沙對(duì)降水起到快速滲透作用，下伏的薩拉烏蘇組含水層則起到儲(chǔ)存作用，二者組合對(duì)降雨起到了“削峰”的作用。其“三水”轉(zhuǎn)化主要表現(xiàn)為降水入滲補(bǔ)給地下水，地下水再以泉的形式轉(zhuǎn)化為地表水。表現(xiàn)為豐水季節(jié)雨水補(bǔ)給地表水，枯水季節(jié)地下水補(bǔ)給地表水，流域下墊面調(diào)蓄能力較好，可對(duì)降雨起到了“削峰”的作用，水文過(guò)程線較平緩。

黃土區(qū)：區(qū)內(nèi)侵蝕切割強(qiáng)烈，支溝縱橫，地形破碎。地表堆積物以黃土為主，降水入滲系數(shù)小。河流階地為基座式，堆積物以粉土、粉質(zhì)黏土為主，下部偶含砂礫石，基座為砂巖和砂泥巖，也不利于降水入滲。溝谷深切，地形起伏大，下墊面巖性顆粒細(xì)，透水性弱等條件導(dǎo)致該流域降水對(duì)地下水補(bǔ)給量較少，降雨迅速匯集，形成地表徑流，徑流主要由雨季降水直接形成的地表產(chǎn)流補(bǔ)給，具有泥沙含量高、暴漲暴落季節(jié)性的“洪水河”特征，徑流變化與降水變化同步，冬季徑流量小，夏季徑流量大。“三水”轉(zhuǎn)化主要表現(xiàn)為絕大部分降水直接轉(zhuǎn)化為地表水，只有少量的轉(zhuǎn)化為地下水，同樣的，地下水通過(guò)排泄轉(zhuǎn)化為地表水的量也較少[4]。

6 結(jié)論

本文對(duì)榆林地區(qū)年降水量、徑流量的趨勢(shì)變化及相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)榆林地區(qū)的降水量和徑流量基本呈現(xiàn)縮減趨勢(shì)，且徑流量的縮減程度大于降水量。同時(shí)，由降水與實(shí)測(cè)徑流的相關(guān)關(guān)系分析表明，榆林地區(qū)的降水與徑流關(guān)系較差，其原因不僅受到區(qū)域人類(lèi)取用水的影響，地下水補(bǔ)給遲滯效應(yīng)的影響也尤為重要。降水補(bǔ)給地下水后，經(jīng)過(guò)3個(gè)月～1年左右的時(shí)間才能補(bǔ)給到河水中，有些地區(qū)遲滯時(shí)間甚至更長(zhǎng)。這就導(dǎo)致了當(dāng)年降水補(bǔ)給地下水的部分水量不能完全補(bǔ)給到河流中，進(jìn)而產(chǎn)生降水與實(shí)測(cè)徑流的不同步性。

[1]孫兆峰,王雙銀,劉晶等.禿尾河流域徑流衰減驅(qū)動(dòng)力因子分析[J].自然資源學(xué)報(bào),2017,2(2):310-320.

[2]李強(qiáng).榆林近50年的氣候變化及其對(duì)水資源的影響[J].榆林科技,2005,(2):57-58.

[3]王化齊,張茂省,黨學(xué)亞.榆林地區(qū)降水蒸發(fā)時(shí)間序列的多尺度特征和突變分析[J].水電能源科學(xué),2010,28(9):7-10.

[4]史紀(jì)安,陳利頂,史俊通等.榆林地區(qū)土地利用/覆被變化區(qū)域特征及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析[J].地理科學(xué),2003,(04):493-498.

[5]馬元旭,許炯心.無(wú)定河及其各支流的斷面水力幾何形態(tài)[J].地理研究,2009,28(2):345-353.

[6]黃委會(huì)規(guī)劃設(shè)計(jì)處中游組.八里河引洪淤灌調(diào)查[J].人民黃河,1964,(11):20-22.

[7]李俊鋒,張養(yǎng)安,姚丹等.地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中水系特征提取與變化成因分析--以陜西省紅堿淖為例 [J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2014,(2):188-192.

[8]劉亞龍,王慶,畢景芝等.基于Mann-Kendall方法的膠東半島海岸帶歸一化植被指數(shù)趨勢(shì)分析 [J].海洋學(xué)報(bào),2010,32(3):79-87.

[9]章誕武,叢振濤,倪廣恒.基于中國(guó)氣象資料的趨勢(shì)檢驗(yàn)方法對(duì)比分析[J].水科學(xué)進(jìn)展,2013,24(4):490-496.

[10]張海榮,周建中,曾小凡等.金沙江流域降水和徑流時(shí)空演變的非一致性分析[J].水文,2015,35(6):90-96.

[11]顏真梅,母國(guó)宏.基于泰森多邊形法的流域面平均雨量計(jì)算[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2017,23(1):19-22.