1956-2016 年大夏河流域徑流變化特征分析

史偉明，申雄達(dá)，劉清琴，鄔 壕，張 鈺

（蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，甘肅蘭州 730000）

河川徑流作為最易開發(fā)利用的水資源，在人類生產(chǎn)生活中發(fā)揮越來越重要的作用[1]。近幾十年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，氣候變化和人類活動的日益加劇，河川徑流發(fā)生了顯著的時(shí)空變化[2,3]，徑流變化直接影響到水文循環(huán)和水資源管理利用等方面，進(jìn)而影響到區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。研究河川徑流的變化規(guī)律及演變趨勢等，對掌握流域水文循環(huán)過程、合理開發(fā)利用水資源等方面具有重要的意義[4,5]。

近年來，國內(nèi)河川徑流演變的研究主要集中在大江大河干流和較大支流上，如對黃河流域徑流變化特征的研究，主要集中在黃河干流及渭河、涇河等13 條較大支流上，對大夏河、莊浪河等較小支流的研究相對欠缺[6～8]。本文收集了大夏河夏河、雙城和折橋水文站1956～2016 年實(shí)測徑流資料，運(yùn)用滑動平均、距平累計(jì)曲線、小波分析和Mann-Kendall（M-K）檢驗(yàn)等方法，分析大夏河流域徑流年內(nèi)年際變化及趨勢，為大夏河流域水資源開發(fā)利用及綜合治理提供參考。

1 研究區(qū)概況

大夏河位于甘肅省中部地區(qū)，地理位置102°02′～103°22′E，34°52′～35°48′N 之間，是黃河上游右岸一級支流。河源由夏河和咯河兩條支流組成，夏河發(fā)源于不大勒赫卡，海拔4280m，咯河發(fā)源于臘力大山，海拔3805m，兩條支流于完尕灘匯合后稱大夏河[9,10]，其主要支流從上游至下游分別為：鐵龍溝、清水溝、老鴨關(guān)河、槐樹關(guān)河、牛津河、洪水河、黑水河。大夏河流經(jīng)甘南藏族自治州夏河縣、合作縣和臨夏回族自治州臨夏縣、臨夏市區(qū)，于東鄉(xiāng)縣康家灣匯入劉家峽水庫，流域多年平均徑流量9.56 億m3，主溝道長194km，流域集水面積7154km2，河道平均坡度9.6‰[11]。選取夏河站、雙城站、折橋站作為流域控制站點(diǎn)（見表1），流域水系圖如圖1 所示。

表1 大夏河流域水文站信息表

圖1 大夏河流域水系圖

大夏河流域?qū)儆跍貛О敫珊敌詺夂?，遠(yuǎn)離海洋，日照比較豐富，氣溫年差大，降水多集中于6～10月，多年平均氣溫2.7℃，多年平均降雨量545.6mm。上游地處甘南高原北部和黃土高原過渡帶，地勢較高，植被覆蓋較好，河流的侵蝕切割作用微弱；下游屬于隴西黃土高原邊緣區(qū)，多為草地和耕地。在雙城站以下被黃土覆蓋，河流的侵蝕切割作用明顯，地表呈階梯狀起伏，河流含沙量較大。全流域水力資源理論蘊(yùn)藏量平均功率392.03MW，其中干流平均功率267.8MW，水力資源比較豐富[12,13]。

2 研究資料與分析方法

2.1 研究資料

本次主要研究大夏河流域徑流變化特征，根據(jù)水文站布設(shè)情況，從甘肅省水文水資源局和洮河水文水資源勘測局收集到夏河、雙城和折橋（馮家臺）水文站長系列實(shí)測徑流數(shù)據(jù)，其中折橋水文站設(shè)立于1979 年初，馮家臺水文站于1979 年底撤銷，兩站控制集水面積相差8km2，故將兩站水文資料合并，統(tǒng)稱折橋站。對夏河站數(shù)據(jù)插補(bǔ)延長，使資料序列統(tǒng)一為1956～2016 年。經(jīng)檢驗(yàn)，資料具有良好的代表性和可靠性。

2.2 分析方法

2.2.1 年際變化及趨勢分析

文章采用線性回歸法、滑動平均法和距平累計(jì)曲線法分析大夏河流域徑流年際變化趨勢。線性回歸法是一種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，常用來確定一個(gè)變量或多個(gè)變量與因變量之間的關(guān)系?；瑒悠骄ㄊ抢觅Y料序列的滑動均值變化情況反映研究對象的變化趨勢，能有效消除奇異點(diǎn)的干擾。繪制距平累計(jì)曲線法，可直接判斷研究對象持續(xù)性變化趨勢。

2.2.2 小波分析

小波分析是一種窗口大小固定不變，而形狀可以變化的時(shí)頻（時(shí)間-頻率）局部分析方法。其特點(diǎn)是：在低頻部分頻率分辨率較高、時(shí)間分辨率較低；反之，在高頻部分頻率分辨率較低、而時(shí)間分辨率較高[14,15]。選取Morlet 小波對大夏河流域徑流資料進(jìn)行周期性分析，通過小波變換得到小波變化系數(shù)，提取小波系數(shù)實(shí)部，繪制等值線圖，從圖中識別大夏河徑流變化的周期性特征，并繪制小波方差圖對主周期進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.2.3 Mann-Kendall 檢驗(yàn)

Mann-Kendall（M-K）檢驗(yàn)是一種常用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，在水文氣象序列變化趨勢研究方面有較為廣泛的應(yīng)用，并且不受樣本分布形態(tài)的約束和少數(shù)奇異值的干擾，具有檢驗(yàn)范圍廣、定量化程度高的特點(diǎn)。利用M-K 統(tǒng)計(jì)值（UF 和UB）進(jìn)行序列變化趨勢顯著性分析時(shí)，通常選取顯著性水平α=0.05，臨界值U0.051.96。當(dāng)M-K 統(tǒng)計(jì)值大于臨界檢驗(yàn)值時(shí)，則表示變化趨勢顯著，反之，則變化趨勢不顯著；M-K 統(tǒng)計(jì)值的正負(fù)分別代表序列的上升和下降趨勢；利用UF 和UB 兩條曲線是否在臨界線U0.05 區(qū)域內(nèi)有交點(diǎn)，判斷突變是否發(fā)生并識別突變開始發(fā)生的時(shí)刻[16,17]。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流年內(nèi)變化特征

繪制夏河站、雙城站和折橋站徑流年內(nèi)分配曲線（如圖2 所示）。由圖2 可知，三站徑流量年內(nèi)分配特征基本一致，均為：夏季徑流量最大，冬季徑流量最??；汛期（6 月-10 月）徑流總量占全年徑流量66%，非汛期（11 月至次年5 月）徑流量占全年徑流量的34%。年內(nèi)徑流量最大月出現(xiàn)在9 月，最小月出現(xiàn)在2 月?？梢钥闯龃笙暮恿饔驈搅髁磕陜?nèi)分配不均，其變化特征主要受大氣降水的影響。

圖2 夏河站、雙城站和折橋站徑流量年內(nèi)變化曲線

3.2 徑流年際變化特征與變化趨勢

根據(jù)1956～2016 年夏河站、雙城站和折橋站徑流系列資料，計(jì)算得三站多年平均徑流量分別為2.56m3、7.63m3和8.68m3；三站年最大徑流量均出現(xiàn)在1967 年，分別為6.05m3、19.95m3和24.35m3；三站年最小徑流量分別為0.96m3（2000 年）、4.00m3（1998年）和3.85m3（1991 年）；三站年徑流量極值比分別為6.29、4.99、6.32，變差系數(shù)Cv 值分別為0.38、0.38、0.42?？梢钥闯龃笙暮恿饔蚰陱搅髁磕觌H變化幅度較大。

1985 年以后，大夏河開始修建水利工程，其中干流規(guī)劃修建梯級水電站25 座，主要分布在夏河站～折橋站之間。以1985 年為分界點(diǎn)，1956 年～1985年，三站年平均徑流量分別為2.95m3、8.54m3和10.29m3；1985～2016 年，三站年平均徑流量分別為2.18m3、6.75m3和7.13m3。分界點(diǎn)前后，三站平均徑流量分別減少了26.03%、20.90%和30.65%，可以看出，1985 年以后，大夏河流域徑流量明顯減少。

繪制三站年徑流變化過程線，包括逐年徑流量過程線和連續(xù)5 年滑動平均變化過程線（如圖3 所示）。由圖3 可知，三站年徑流過程線比較相似，均呈下降趨勢；三站年徑流過程趨勢線斜率k 分別為-0.022、-0.047 和-0.081，從上游至下游，|k|值逐漸增大，由此可見，近幾十年來，大夏河流域年徑流量有下降的趨勢，且減少的趨勢隨著流域面積的增加而增加。由圖3 中三站連續(xù)5 年滑動平均變化過程線可知，大夏河流域上、中、下游年徑流量變化趨勢相似，尤其是1985 年之前，豐、平、枯水年基本對應(yīng)。

圖3 夏河站、雙城站和折橋站年徑流量過程線和5a平均滑動平均曲線

通過計(jì)算三站年徑流序列距平累計(jì)值，繪制夏河站、雙城站和折橋站年徑流量序列距平累積曲線（如圖4 所示）。由圖4 可知，三站年徑流量距平累積曲線變化趨勢基本一致，其中夏河站變化趨勢相對較平緩。1957～1968 年和1975～1979 年三站的年徑流量累積距平值基本保持逐年遞增，表明該時(shí)間段大夏河流域處于豐水年份；1968～1974 年和1991～2016 年三站的年徑流量累積距平值基本保持逐年遞減，表明該時(shí)間段大夏河流域處于枯水年份；1980～1990 年三站的年徑流量累積距平值變化幅度較小，表明該時(shí)間段大夏河流域處于平水年份。

圖4 夏河站、雙城站和折橋站年徑流量序列距平累積曲線

3.3 年徑流周期性分析

采用Morlet 小波分析，對夏河站、雙城站和折橋站年徑流量進(jìn)行周期性分析和小波方程檢驗(yàn)。

夏河站年徑流量小波分析如圖5 所示。夏河站年徑流量存在明顯的周期性變化，其震蕩周期有3a、5a、10a 和25a，其中25a 徑流序列出現(xiàn)最大峰值，表明25a 的周期振蕩最強(qiáng)，為夏河站徑流量序列的第一主周期，10a、3a 對應(yīng)為第二和第三主周期。在25a 尺度下經(jīng)歷了正-負(fù)-正-負(fù)-正交替變化，對應(yīng)年徑流量經(jīng)歷偏多-偏少循環(huán)交替；2016 年夏河站年徑流量等值線圖為正相位，且未閉合，按25a 的第一主周期推算，夏河站年徑流量將保持增加的趨勢到2021 年。

圖5 夏河站年徑流量小波分析與小波方差圖

雙城站年徑流量小波分析如圖6 所示。雙城站年徑流量存在3a、10a、14a 和22a 左右的震蕩周期，其中22a 時(shí)徑流序列出現(xiàn)最大峰值，表明22a 為雙城站徑流量序列的第一主周期，10a、3a 對應(yīng)為第二和第三主周期。在22a 尺度上經(jīng)歷了負(fù)-正-負(fù)-正-負(fù)-正-負(fù)7 個(gè)變化期，1956～1958 年、1970～1980年、1992～2004 年和2014～2016 年為偏少期，1959～1969 年、1981～1991 年和2005～2013 年為偏多期；2016 年雙城站年徑流量等值線圖為負(fù)相位，且未閉合，按22a 的第一主周期推算，雙城站年徑流量將保持減少的趨勢到2024 年。

圖6 雙城站年徑流量小波分析與小波方差圖

折橋站年徑流量小波分析如圖7 所示。雙城站年徑流量存在3a、9a、15a 和22a 左右的震蕩周期，其中徑流序列最大峰值出現(xiàn)在9a，表明折橋站徑流量序列的第一主周期為9a，3a、15a 對應(yīng)為第二和第三主周期。在9a 尺度上，1956～1957 年、1962～1967年、1971～1975 年、1980～1985 年、1989～1993 年、2000～2004 年和2009～2012 年為偏少期，1958～1961年、1968～1970 年、1976～1979 年、1986～1988 年、1994～1999 年、2005～2008 年和2013～2016 年為偏多期，共經(jīng)歷了14 個(gè)負(fù)-正循環(huán)交替的變化期。

圖7 折橋年徑流量小波分析與小波方差圖

3.4 年徑流突變型檢驗(yàn)

假定大夏河年徑流量序列相互獨(dú)立且連續(xù)，選取顯著性水平α=0.05，臨界值U0.05±1.96，運(yùn)用Mann-Kendall 檢驗(yàn)對大夏河夏河站、雙城站和折橋站年徑流量進(jìn)行突變性檢驗(yàn)，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 夏河站、雙城站和折橋站年徑流量M-K 檢驗(yàn)

從圖8 中（a）夏河站UF 曲線可以看出，1957～1969 年UF 均大于0，表明夏河站年徑流量呈上升趨勢，因1958 年、1960 年、1962 年和1964 年UF 均大于臨界值1.96，則這4 年夏河站年徑流量上升顯著；1969 年之后，UF 均基本小于0，且1997～2016 年UF 均小于臨界值-1.96，表明夏河站年徑流量在1969 年之后保持連續(xù)下降的趨勢，且1997 年之后下降趨勢顯著；夏河站UF 和UB 曲線在置信區(qū)間內(nèi)的交點(diǎn)出現(xiàn)在1985 年，說明夏河站年徑流量突變發(fā)生在1985 年。

圖8 中（b）雙城站UF 曲線在1957～1970 年均大于0，在1971～2016 年均小于0，其中1998～2007年小于臨界值-1.96，表明雙城站年徑流量在1957～1970 年呈上升趨勢，在1971 年之后呈下降趨勢，且1997～2007 年期間下降趨勢顯著；雙城站UF 和UB曲線的交點(diǎn)置信區(qū)間內(nèi)，年徑流量的突變發(fā)生在1979 年。

圖8 中（c）折橋站UF 曲線在1957～1970 年和1978～1979 年均大于0，在1971～1978 年和1980～2016 年均小于0，其中1997 年之后均小于臨界值-1.96，表明折橋站年徑流量在1957～1970 年和1978～1979 呈上升趨勢，在1971～1978 年和1980～2016 年呈下降趨勢，且1997 年之后下降趨勢顯著；折橋站UF 和UB 曲線的交點(diǎn)置信區(qū)間內(nèi)，折橋站年徑流量在1985 年突變發(fā)生。

4 結(jié)論

文章采用滑動平均、距平累計(jì)曲線、小波分析和M-K 檢驗(yàn)等方法對大夏河夏河、雙城、折橋水文站1956～2016 年徑流序列進(jìn)行系統(tǒng)分析，結(jié)果表明：

1）大夏河流域年徑流量年內(nèi)分配不均，汛期6～10 月徑流總量占全年徑流量66%，年內(nèi)徑流量最大、最小月分別為9 月和2 月。

2）1956～2016 年夏河站、雙城站和折橋站年徑流量基本呈豐、平、枯水年的變化趨勢；受水利工程的影響，大夏河流域年流量較少趨勢顯著，且下游下降趨勢比上游更顯著；大夏河流域年徑流量最大值出現(xiàn)在1967 年。

3）Morlot 小波分析表明，大夏河夏河站年徑流量存在4 個(gè)主周期，第一至第四主周期依次是25a、10a、3a 和5a；雙城站年徑流量的4 個(gè)主周期，依次是22a、10a、3a 和14a；折橋站年徑流量的4 個(gè)主周期，依次是9a、3a、15a 和22a。

4）大夏河流域年徑流量在1956～1970 年基本呈上升趨勢，1980～2016 年呈下降趨勢，其中1997～2007 年期間下降趨勢顯著，而1997～1979 年變化趨勢上下游不一致；夏河站、雙城站和折橋站年徑流量均有突變點(diǎn)，分別出現(xiàn)在1985 年、1979 年和1985 年。