1960—2010年窟野河年径流量变化趋势及其影响因素

苏佳园，白红英，张永江，张荟瑶

(1.西北大学 城市与环境学院，陕西 西安710127；2.黄河水利委员会 晋陕蒙接壤地区水土保持监督局，陕西 榆林719000)

1960
—2010年窟野河年径流量变化趋势及其影响因素

苏佳园1，2，白红英1，张永江2，张荟瑶2

(1.西北大学 城市与环境学院，陕西 西安710127；2.黄河水利委员会 晋陕蒙接壤地区水土保持监督局，陕西 榆林719000)

[关键词]径流量；降水量；变化趋势；人类活动；窟野河流域

[摘要]基于窟野河把口站温家川水文站1960—2010年的水文资料，应用Kendall秩相关系数、R/S分析法、小波分析、降水-径流双累积曲线法、Mann-Kendall突变检验法等多种数值统计方法，分析了窟野河径流量年际变化特征及趋势，以及降雨和人类活动对径流变化的影响。结果表明：1960—2010年窟野河径流量呈现显著递减趋势，递减率为1.358亿m3/10a；Hurst指数为0.533>0.5，表明未来一段时间内变化趋势与现在基本相同；51年间降雨量年际变化较大，1978年之前变化较平稳，1978—2006年显著下降，之后又有所上升；径流量变化受降雨影响较大，但在1978年以后，随着水保措施的实施和煤炭的大规模开采，人类活动成为影响径流变化的重要因素。

河川径流作为水循环的重要环节，是水资源综合开发利用、科学管理、优化调度最重要的依据。随着全球变暖和人类活动影响加剧，河川径流发生了显著的时空变化，直接影响流域水资源的配置、开发与利用，以及河流生态系统的物理、化学和生物过程[1-2]。近些年随着黄河沿岸能源化工基地建设步伐加快，特别是煤炭的大量开采，流域径流过程发生了巨大变化，水资源供需矛盾日益突出，水土流失严重，甚至出现断流现象，严重影响了地区经济社会发展与生态环境改善。根据窟野河流域控制面积最大的温家川水文站1960—2010年的径流降水资料，分析窟野河径流变化过程及规律，揭示降水和人类活动对径流变化的影响。

1研究区概况

窟野河发源于内蒙古自治区东胜区巴定沟，流经伊金霍洛旗和陕西省府谷县，最后汇入黄河，是黄河中游一条多沙粗沙支流，河川径流以降水补给为主，受降雨影响径流年内变化明显。窟野河干流全长241.8 km，流域面积8 706 km2，地处毛乌素沙漠与黄土丘陵沟壑区的过渡地带，地貌类型为砾质丘陵区、沙质丘陵区和黄土丘陵区，属中温带大陆性气候区，气候干旱，植被稀疏，水蚀、风蚀交替。

2数据来源及分析方法

温家川水文站(E110°45′、N38°29′，距离河口14.1 km)是窟野河的出口控制站，控制面积(8 645 km2)最大，其水文特性基本能反映整个流域的水文变化状况，故采用1960—2010年温家川水文站的年径流量和年降水量作为主要研究资料。

利用Kendall秩相关系数对径流变化趋势进行了定量分析，基本原理和计算公式参见文献[3]。采用R/S分析法研究流域径流序列变化的持续性特征，从定性的角度认识序列的过去与未来是否存在相同或相反的变化特征，着重揭示未来的变化特征[4-5]。应用R/S分析法计算得到的Hurst指数的取值范围为[0,1]，即：H=0.5，标志着一个序列是随机的，事件是随机的和不相关的，现在不会影响未来；H>0.5，表示未来的趋势与过去一致，H越接近1，持续性越强；H<0.5，表明未来的总体趋势与过去相反，过程具有反持续性，H越接近0，反持续性越强[5]。因此，综合Kendall秩相关系数和R/S分析法分析结果可以得出窟野河流域未来水沙变化的趋势特征。双累积曲线法[6]是进行时间序列分析的一种常用方法，其基本原理是两个变量按同一时间长度逐步累加，一个变量作为横轴，另一个变量作为纵轴，拐点可作为分析变量阶段性变化的依据。当只有降水的变化而无其他因素影响时，降水与径流双累积曲线应为一条直线；当受到人类活动等其他因素影响时，曲线将会发生偏移，可根据双累积曲线发生偏移的年代确定下垫面受人类活动影响发生显著改变的时间点，偏移的程度反映人类活动影响的剧烈程度，即通过降水与径流的双累积曲线揭示人类活动对径流影响的阶段变化。

3结果与分析

3.1窟野河径流变化特征分析

窟野河径流量年际变化较大，1960—2010年最大年径流量12.610亿m3(1961年)、最小年径流量1.246亿m3(2009年)、多年平均径流量5.117亿m3，最大年径流量为多年平均值的2.5倍，年径流量变化趋势见图1。由图1知，窟野河流域径流变化表现为递减趋势，递减率为1.358 亿m3/10a。Kendall秩相关系数检验的M值为-0.550**，在置信度为0.01时相关性显著，说明窟野河流域年径流量递减趋势显著。用R/S分析法预测窟野河年径流量的变化趋势，计算后得到Hurst指数为0.533>0.5，说明未来年径流量变化与现在保持相同的态势，即有持续递减的特征。结合M值和Hurst指数可以看出，若气候变化和人类活动依旧保持现在发展趋势或者变化更为激烈，那么窟野河年径流量将继续呈现递减的趋势。

图1　1960—2010年窟野河年径流量变化趋势

采用Mann-Kendall法(M-K法)分析年径流量的突变点，生成Uf、Ub曲线(图2)。从图2可以看出窟野河流域年径流量突变发生在1998年，配合图1中的年径流量变化趋势，将1998年定为年径流量由多到少的时间突变点。以突变点1998年为界分别拟合年径流量变化曲线，1960—1998年径流量变化趋势为y=-0.087 5x+7.934 1(R2=0.179 6)，1999—2010年为y=-0.052 9x+1.995 3(R2=0.348 9)，1998年之前递减率为0.875 亿m3/10a，之后递减率为0.529 亿m3/10a，均呈显著递减的趋势，但1998年之后递减率明显降低了。

图2　1960—2010年窟野河年径流量M-K突变检测曲线

3.2窟野河径流变化影响因素分析

(1)降水变化对径流的影响。温家川水文站多年平均降水量415.3 mm，降水年际变化较大，最大年降水量647.7 mm(2007年)，最小年降水量140.2 mm(1965年)，最大年降水量为多年平均值的1.56倍。1960—2010年窟野河年降水量变化趋势见图3。由图3知，51年间年降水量递减率为0.033 mm/10a，降水量总体上呈现出稳中有降的趋势，但递减趋势不是很明显。

图3　1960—2010年窟野河年降水量变化趋势

为了进一步分析降水和径流在时间尺度上的周期变化，用小波方差的方法来表现。小波方差的大小代表某一尺度成分的多少，反映它所对应时段尺度的周期是否明显，小波方差值越大，它所对应的时段尺度的周期越明显。小波方差图反映了能量随时间尺度的分布，用以反映时间序列的主要周期。图4显示了窟野河流域51年间年径流量和年降水量在不同时间尺度上的周期震荡，从图中可以看出，二者变化趋势具有较大的相似性，年径流量在5、7、15、30年左右出现了周期性震荡，特别是15年左右的周期震荡最强，而年降水量在5、15、30年左右也出现了较强的周期性震荡，不同时间尺度的周期特征有着一定程度的吻合，说明径流受降水影响明显。

图4　窟野河流域51年间年径流量、年降水量小波方差

1960—2010年窟野河流域降水、径流年际变化过程中，1980年之前多为丰水、偏丰、平水，降雨多，径流量大；1980年后流域基本处于枯水或者偏枯状态，1992、1996—1998、2003、2007—2009出现偏丰或者丰水是降水明显增多所致，与径流的变化有明显的一致性。上述结果说明丰水年产流能力较强，枯水年产流能力较弱，年径流量与年降水量之间有正相关性。而从降水的突变检验结果(图5)可以看出，Uf、Ub两条曲线在多个年份出现交点，特别是在1978年之前交点较多，说明1978年之前年降水量处于基本平稳的状态；1978—2006年温家川水文站年降水量发生了明显的由多到少的变化，与图1对比可知，期间年径流量也呈下降趋势，说明降水对径流影响较大；2006年之后年降水量有增加趋势，但年径流量却连续下降(图1)，说明降水已不是影响径流的唯一因素。根据51年间的降水资料，1998年窟野河流域降水量没有发生明显突变，径流量却发生突变，也说明1998年之后降水已不是影响径流的主要因素，影响因素变为以人类活动为主。

图5　窟野河年降水量M-K突变检测曲线

(2)人类活动对径流的影响。绘制降水-径流双累积曲线见图6。由图6知，曲线自1978年开始发生明显偏移，1998年偏移更加剧烈。将降水-径流双累积曲线发生显著偏移前的时段作为河道径流未受人类活动干扰的基准期，即1960—1978年。基准期年径流量主要受降水的影响，受人类活动影响较小。依此，将窟野河径流序列划分为1960—1978、1979—1998、1999—2010年三个时期。

图6　窟野河流域降水-径流双累积曲线

依据图6分析，1978年为第一个偏移点，斜率由0.016 5降到0.012 9，表明1978年以后降水不再是影响径流的唯一因素，人为因素对径流的影响增强。与此相对应的是，20世纪80年代起，在陕北地区开始了大规模的水土流失治理，流域下垫面特征的改变影响径流在时空上的分配[7]。根据王晓坤等[8]的调查，窟野河流域20世纪70、80年代水土保持措施的蓄水量分别达到0.119亿和0.254亿m3，80年代水保措施减水量约为1.60亿m3[9]。1998年之后，斜率变为0.003 8，拟合直线明显向右偏移，说明人为活动对径流的影响进一步增强。窟野河流域有一多半的面积位于神木县境内。这一时期在流域内开展了大规模的煤炭开采，特别是神木县煤炭开采量不断增加，从1999年的0.133 2亿t增加到2010年的1.606 8亿t。煤炭开采容易引起采空区塌陷，地下水渗漏，改变了地下水与地表水间的相互转化关系，使河道径流量减少[10]。此外，1999年以后西北地区实施了大规模的退耕还林和天然林保护工程，也导致窟野河径流量进一步减少。

4结论

根据51年间窟野河径流的变化趋势，采用多种统计方法，分析了降水和人类活动对径流的影响，得到了以下结论：①51年间窟野河流域径流量年际变化呈现显著下降趋势，在1998年发生明显突变，1998年之前递减率为0.875亿m3/10a，之后为0.529亿m3/10a，明显降低；Hurst指数为0.533>0.5，表明在气候变化和人类活动保持不变的状况下，未来的一段时间内年径流量仍将呈下降趋势；②时间尺度上，径流和降水小波方差趋势基本一致，即在5、15、30年左右周期震荡激烈，可见径流受降水影响明显；③不同历史时期，窟野河流域降水和人类活动对径流的减少影响程度不同，1978年之前径流变化主要受降水的影响，之后人类活动影响加剧，并导致年径流量明显减少。本研究在分析影响窟野河流域径流变化的因素时只考虑了降水和人类活动，并未考虑蒸发量、植被指数、土地利用与土地覆盖等的影响，在今后的研究中需要进一步深入。

[参考文献]

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(责任编辑李杨杨)

[中图分类号]P331;S157

[文献标识码]A

[文章编号]1000-0941(2016)05-0045-04

[作者简介]苏佳园(1988—)，女，陕西神木县人，硕士研究生，研究方向为环境科学与水土保持。

[收稿日期]2015-11-01