北洛河流域径流变化特征分析.pdf

第9 期2023年9 月文章编号：16 7 3-9 0 0 0（2 0 2 3)0 9-0 0 2 2-0 3陕西水利ShaanxiWaterResourcesNo.9September,2023北洛河流域径流变化特征分析王因（陕西水环境工程勘测设计研究院，陕西西安7 10 0 18）【摘要整理统计北洛河流域19 6 1年 2 0 15 年降水和径流数据，采用Mann-Kendall 非参数检验方法和双累积曲线法，计算确定流域径流量突变时间节点、基准期年、气候变化和人类活动对径流量变化的贡献率，分析探讨北洛河流域径流变化特征及归因。结果表明，流域年降水量和最大年径流量的最大值出现年份均为19 6 4年，径流量突变点为19 7 0 年、19 9 8 年，基准期年为19 6 1年 19 6 9 年。人类活动是导致北洛河流域径流减少的主要因素，气候变化为次要因素，19 6 1年 2 0 15 年间人类活动对径流量的影响程度是气候变化的6 倍。近年来人类活动加大了对径流变化的影响，在2 0 0 3年 2 0 15 年间人类活动对径流变化的贡献率高达9 6.5 3%。研究结果可为区域水资源开发利用提供依据。【关键词北洛河流域；突变点；双累积曲线；归因分析【中图分类号P339【文献标识码AAnalysis of Runoff Change Characteristics in Beiluo River BasinWang Nan(Shaanxi Reconnaissance Design&Research Institute of Water Environmental Engineering,Xian 710018,Shaanxi)Abstract:The precipitation and runoff data from 1961 to 2015 in the Bei Luo River basin were compiled,and theMann-Kendall nonparametric test and double cumulative curve method were used to calculate and determine the time pointsof abrupt changes in runoff,the base period years,and the contribution of climate change and human activities to runoffchanges in the basin,and to analyze and explore the characteristics and attribution of runoff changes in the Bei Luo Riverbasin.The results show that the maximum values of annual precipitation and maximum annual runoff in the basin occurredin 1964,the abrupt runoff change points were 1970 and 1998,and the base period years were 1961-1969.Human activitiesare the main factor leading to the decrease of runoff in Bei Luo River basin,and climate change is a secondary factor,and theimpact of human activities on runoff between 1961 and 2015 is six times higher than that of climate change.In recent years,human activities have increased the impact on runoff changes,and the contribution of human activities to runoff changesbetween 2003 and 2015 was as high as 96.53%.The results of the study can provide a basis for regional water resourcesdevelopment and utilization.Key words:North rock river basin;mutation point;double accumulation curve;attribution analysisR/S分析、降水径流双累积曲线法等多种数值模型方法，分0引言析了窟野河径流变化特征及规律，探讨了影响径流变化的相全球变暖导致降水发生明显变化，极端气候事件发生频关因素。研究发现人类活动增加的是影响窟野河径流量下降率明显增加。正确认识变化环境下降水及径流的演变规律，的最大因素。北洛河作为渭河第二大支流，承载着流域内脆受到水科学界的广泛关注。近年来，关于流域径流变化特征弱的生态环境和经济社会发展。因此，研究径流变化特征和及其归因分析的相关研究越来越多2-4。比如，马瑞婷2 等以影响因素，促使人们清晰认识北洛河流域的降水径态势，为秦岭北麓典型流域为研究对象，采用M-K检验法和有序聚类北洛河流域水资源的开发利用、统筹安排等提供依据。分析法，阐述了该地区19 5 5 年 2 0 10 年的年径流变化特征和本文根据北洛河流域19 6 1年 2 0 15 年降水和径流数据，年径流序列突变特性。郭巧玲3 等应用M-K秩相关系数、采用M-K非参数检验法和双累积曲线法得到北洛河流域径收稿日期2 0 2 3-0 3-2 3【作者简介王因（19 9 1-），女，陕西渭南人，助理工程师，主要从事水文勘测、地理信息化工作。22第9 期2023年9 月流量的突变年和基准期年，探讨人类活动因素及气候变化因素对区域径流变化的影响程度。1数据与方法1.1研究区域北洛河为渭河第二大支流，发源于白于山南麓，河长680km，流域面积2.6 9 万km。流域地处黄河中游地区，地形地貌复杂，属大陆性季风气候，年平均降水量5 10 mm560mm。降水与径流年际变化大，年内分配不均，降水和径流主要集中于7 月 10 月，降水占全年的5 0%7 0%，径流占全年的61%左右。1.2数据来源本文收集整理北洛河流域19 6 0 年 2 0 15 年间的降雨径流数据，其中径流数据来源于历年水文年鉴数据，降水数据来源于国家气象信息中心。数据资料从来源、测验和整编方法等方面都是可靠的。1.3研究方法(1)Mann-Kendall 检验Mann-Kendall检验法是水文气象常用的突变点检验法，该方法通过时间序列X(共含n个子序列)构造一个统计变量：Ss=r,(k;=2,3,n)(1)式中：+1,;xj(j=1,2,i)0,or在时间序列为随机的假设下，定义统计量：S,-E(S,)UFi=Var(S.)UF.为标准正态分布,UB,是时间序列X的逆序（xnn-1,，x_1），重复上述过程。若UF曲线和UB.曲线的交点出现在临界线范围内，突变点则为此交点对应的时刻。（2）双累积曲线法双累积曲线法通过绘制年降水径流的双累积曲线图，找到两者关系的突变点，具体是将首个突变点以前时段确定为基准期。建立以基准期时段内年累积降水量为自变量，以站名河流状头北洛河流域由表2 可知，最大年径流量是最小的5.40 倍，最小年径流量仅是多年平均的0.47 倍，可以得出状头水文站控制断面径流的年际变化较大，丰枯悬殊。2.2北洛河流域径流突变点分析采用Mann-Kendall非参数检验方法对径流量突变点进行分析，如图1所示，检验所得突变点为19 9 8 年，ZI=I-3.5781U0.01/2=2.576,通过了置信度为9 9%的显著性检验。陕西水利Shaanxi Water Resources年累积径流深为因变量的线性函数R=b+aY,将突变点后年累积降水量作为代人值，通过此线性函数可计算出基准期外的年累积径流深，进一步求得年径流深。采用双累积曲线确定气候变化和人类活动对径流影响的贡献率。两者对径流影响的贡献率计算公式如下：(4)AR,=Ri-R2(5)R,=R-R 2(6)AR100%ARAR2n2=100%AR式中：AR为径流变化量；R,为基准期天然径流深；Ri为突变后实测径流深；R为人类活动对径流的影响量；R,为气候变化对径流的影响量；Rz为突变后的模拟径流深；n1、n2分别为人类活动和气候变化对径流变化的贡献率。2结果与分析2.1北洛河流域降水径流变化特点由统计资料计算北洛河流域19 6 1年 2 0 15 年降水量特征值，见表1。表1北洛河流域降水量年际变化均降水多年平最大降水量/出现最小降水量/出现(2)区域量/mmmm北洛河559.75841.841964392.571995 449.27(h=1,2,n)(3)表2 北洛河径流年际变化多年平均径最大年径流量/亿m流量/亿m8.0120.13No.9September,2023AR=Ri-Rl(7)(8)K丰K桔年份年份mm?流域结果表明，最大降水量为8 41.8 4mm,为最小降水量的2.14倍，最小降水量为39 2.5 7 mm，为多年降雨量均值的0.7 倍，说明北洛河流域降水的年际变化较大，丰枯悬殊，降水时空分布不均。根据北洛河流域状头站19 6 1年 2 0 15 年径流资料，计算状头站径流量特征值，见表2。出现最小年径年份流量/亿m19643.735432鲁卡-2-3-51960 196519701975 1980 19851990 1995 2000 20052010 2015-?/?2.14 0.70出现K丰年份-?/?201516.40一UF统计量.UB统计量-0.05显著水平t/year(a)M-KK桔5.400.4723第9 期2023年9 月180015001200900-600300-005000100015000200002500030000（b）降雨径流双累积曲线图1北洛河流域径流量突变分析根据北洛河流域降水和径流时间序列绘制降水径流双累计曲线图，见图1。其中19 6 1年 19 6 9、19 7 0 年 19 7 4、1975年 19 9 7、19 9 8 年 2 0 0 2、2 0 0 3年 2 0 15 年，累积降水与累积径流量线性变化的相关系数分别为0.9 9 6 4、0.9 9 6 8 8、年段平均降时段年基准期/mm水量/mm19611969618.6219701974511.5719751997551.8119982002536.9020032015566.1119612015557.00由表3可知：北洛河流域径流变化是人类活动和气候变化共同作用的结果，且人类活动对径流量的影响所占比重较大。19 6 1年 19 6 9 年间的平均降水量和平均径流量较1970年 19 7 4年相差较大，是丰水年向枯水年的转变。相对于基准期天然径流量而言，模拟径流量自19 6 9 年后有减小态势，这说明一定程度上是由于气候要素变化引起的，19 7 0 年1974年、19 7 5 年 19 9 7 年、19 9 8 年 2 0 0 2 年、2 0 0 3年 2 0 15 年分别减少4.5 5 mm、1.6 6 m m、2.7 3m m、0.6 3m m，其贡献率分别为2 9.5 9%、2 5.2 1%、16.47%、3.47%。19 7 0 年以来的实测径流量较模拟径流量的减少程度也很明显，19 7 0 年 19 7 4年、1975年 19 9 7 年、19 9 8 年2 0 0 2 年、2 0 0 3年 2 0 15 年分别减少10.8 2 mm、4.9 2 m m、13.7 4m m、17.5 9 m m,其贡献率分别为7 0.41%、7 4.7 9%、8 3.43%、9 6.5 3%。从多年均值的角度分析，19 6 1年 2 0 15 年间人类活动及气候变化使径流量平均减小14.16 mm，模拟径流量和实测径流量较基准期天然径流量分别减少2.39 mm、11.7 7 m m，人类活动使径流明显减少，其贡献率到达8 1.2 9%。近几十年来，北洛河流域人类活动频繁，由大跃进时期的毁林垦荒到当前的修建梯田、退耕还林、护林育林、修建库坝和能源化工、城镇化快速发展使水资源的大量使用，影响径流量的程度日益加深，其中，流域仅陕西境内已建成的水库有40 余座，大量的工业用水，挤占了生态环境用水，导致下游断流严重，水环境污染加剧。24陕西水利ShaanxiWater Resources0.99912、0.9 9 9 7 3、0.9 9 5 5 7。根据降水 径流量双累积曲线图，得到突变点对应的时间分别是19 7 0 年、19 7 4年、19 9 8 年和200320152003年，各个分突变区间内线性关系的相关度均在0.9 以上。1998-2002综合分析两种方法的结果，得到状头站突变点为19 7 0 年和1998年，确定19 6 1年 19 6 9 年为北洛河流域的基准期年。1975-19972.3北洛河流域径流变化影响因素分析突变点分析表明北洛河流域年径流量的存在多个突变1970-1974点，本文以突变年份19 7 0 年为准，将渭河支流北洛河流域径19611969流基准年定为19 6 1年 19 6 9 年，用另外几个突变点划分时间序列，为4个时段（19 7 0 19 7 4、19 7 5 19 9 7、19 9 8 2 0 0 2、20032015）。根据双累计曲线法的具体计算步骤，得到拟合函数为y=0.07177x-21.93（y 为年累积降水量x为年累计径流深），相关系数R=0.99,将上述四个时段上的年累积降水代入线性函数中，得到模拟径流量值，进一步通过径流还原法计算人类活动和气候变化对径流变化的影响量和贡献率，结果见表3。表3气候变化和人类活动对北洛河流域径流量变化的贡献率年径流深及其变化/mm气候变化实测值突变后模拟总影响量影响量/mm贡献率1%影响量/mm贡献率1%41.2641.2641.2641.2641.2641.26No.9September,2023人类活动25.8936.7234.6839.6024.7938.5323.0440.6327.1038.8715.376.5816.4718.2314.163结论（1）北洛河流域降水量及径流量在研究时间段内均呈下降趋势，且19 7 0 年以前北洛河流域降水量和径流量的增减趋势几乎一致,19 7 0 年以后两者相互关系不再明显。北洛河流域的年际变化较大，最大年降水量为8 41.8 4mm,最小年降水量为39 2.5 7 mm，最大年降水量是最小年径流量的2.14倍，最大年径流量为2 0.13亿m，最小年径流量为3.7 3亿m，最大年径流量是最小年径流量的5.4倍，丰枯悬殊，水资源分布不均衡。北洛河流域最大年降水量出现年份和最大年径流量出现年份均为19 6 4年。(2）通过Mann-Kendall非参数检验方法及双累积曲线法，可得到北洛河流域径流突变节点时间为19 7 0 年、19 9 8 年、基准期为19 6 1年 19 6 9 年。在19 6 1年 2 0 15 年间，气候变化对径流量的影响呈逐时段减少趋势，其中2 0 0 3年 2 0 15 年间气候变化对径流变化的贡献率仅为3.47%。人类活动和气候变化导致径流减小量均值分别为14.16 mm、2.39 m m，人类活动对径流量的影响程度是气候变化的6 倍。（3）北洛河流域径流减少的主要原因是人类活动，次要原因是气候变化。退耕还林、水土保持、修建库坝和能源化工、城镇化快速发展等是人类活动影响径流变化的主要方面。基于本文的后期研究中，可结合“数字-信息流域”时代特征优势，探索开发北洛河流域三维可视化水资源信息管理（下转第2 8 页）4.551.662.730.632.3929.59%25.21%16.57%3.47%18.71%10.824.9213.7417.5911.7770.41%74.79%83.43%96.53%81.29%第9 期2023年9 月表32 0 12 年至2 0 2 0 年5 月 9 月逐层湖泊平均水温与平均气温线性系数分布表5月6月0cm-0.15550cm-0.143100 cm-0.163150 cm-0.1923结论与讨论3.1结论1）平均气温逐年呈上升趋势，累计降水量逐年呈下降趋势。2）沙湖水温的变化呈夏季高，春末秋初低特征。平均水温和平均气温在5 月均呈下降趋势，6 月、9 月湖泊平均水温与平均气温随着年份的变化均呈上升趋势。7 月、8 月的湖泊平均水温随着年份的增加呈上升趋势，平均气温随着年份的增加呈下降趋势。3）除2 0 18 年6 月水温低于气温值外，其他各月的水温值均高于气温值，在气温剧烈上升或下降的时候，湖泊水温虽有上升或下降的趋势，但其剧烈程度远低于气温，且存在一定的滞后性，大约滞后1个月。这与张月月在“气候变暖背景下滇池表面水温响应过程”研究中得出的“因为全球气候变化的原因，世界范围内的湖泊表面水温呈上升趋势，水陕西水利Shaanxi WaterResources温变化比气温变化约滞后1个月”结论一致。4)0cm、5 0 c m、10 0 c m、15 0 c m 水温在5 月均呈线性7月8月0.3850.1550.350.0620.3530.06670.3350.023No.9September,20239月下降趋势，6 月 9 月均呈线性上升趋势。2 0 2 0 年6 月 9 月0.2130.7870.1950.780.2050.9120.2221各层水温均呈跃增趋势。3.2讨论通过文献的查阅，湖泊水温生态方面的相关研究大多时间序列较长，可满足趋势分析、周期分析和突变分析的相关要求，同时其所采用的数据资料来源于自动观测数据，可精确到小时，便于进行时值、日值、季值等特征分析。本文因资料的时间序列较短，且水温数据来源于人工观测，测量结果值仅限于当前观测时次，而气温观测则是采用自动观测的日平均值，并不能很好地与水温值进行匹配分析；同时沙湖国家气象站于2 0 0 7 年建立，气温、降水资料序列短，不能很好地反映沙湖气候变化的趋势；另外在查阅文献的过程中发现，湖泊水温的变化与其水体大小、气温随时间的变化程度、时间、变化速率等有很大的关系。本文对沙湖水域的水温和气温研究深度上还不够，后续将继续积累更长序列的资料，在研究过程中，考虑与相关部门进行资料共享，获取湖泊水温、pH值等资料，进行更深一步分析。参考文献1张月月.气候变暖背景下滇池表面水温响应过程研究 EB/OL.硕士电子期刊,2 0 2 1（0 1).（上接第2 1页）关关系，分析出系数或数学模型后，将其系数或数模代人视频影像的虚流量计算出断面流量。选取2 5 个样本数据进行分析，进行误差分析后，通过三种定线检验，计算得相关系数R=0.9974，系统误差为1.5 1%，随机不确定度12.8%，达到水文资料整编规范中水文站水位流量关系定线精度的要求，成果合格。4结语四女寺闸水文站采用智能视频影像自动监测系统进行流量在线监测，在相应水位、流速、流量适用范围内应用是可行的。与传统缆道流速仪、走航式ADCP测流相比，具有以下优点：智能化、自动化，省时省力，操作简单，易于管理和优化升级，解放劳动力；实时性，可根据需要加密监测河流断面实时的流速、流量变化过程，保证水文资料的完整性；安全性，智能视频影像自动监测系统测速时设备不受污水腐蚀，不受泥沙影响，土建简单，不受水毁影响，便于维护，保障人员和仪器的安全。四女寺闸水文站影像法流量测验系统比测分析采用ADCP实测流量与该系统所测的全部虚流量建立相关关系，分析出系数或数学模型后，将其系数或数模代入视频影像的虚流量计算出断面流量，并与ADCP水位流量关系曲线上的流量进行误差分析，通过三种定线检验，计算得相关系数R*=0.9974，系统误差为1.5 1%，随机不确定度12.8%，达到水文资料整编规范中水文站水位流量关系定线精度的要求，成果合格，所得的水面系数或数学模型即为所求，可用于今后一段时期的生产应用中。（上接第2 4页）平台，打破传统信息难以交互的壁垒，通过信息管理系统，实现降水和径流等数据的高效组织和管理，为管理部门对流域内信息的全面把控和出台一系列操作性措施提供科学依据。1姜仁贵，韩浩，解建仓，等.变化环境下城市暴雨洪涝研究进展J.水资源与水工程学报，2 0 16,2 7（3)：11-17.282马瑞婷，黄领梅，沈冰.秦岭北麓典型流域年径流序列的突变分析 J.水资源与水工程学报，2 0 16,2 7（2）：7 6-7 9.3郭巧玲，陈新华，刘培旺，等.窟野河流域径流变化及人类活动对其的影响率 .水土保持通报，2 0 14,34（4：110-113.参考文献4吴琳娜，杨胜天，刘晓燕，等.19 7 6 年以来北洛河流域土地利用变化对人类活动程度的响应 J.地理学报，2 0 14,6 9（1）5 4-6 3.