祁连山主要河流出山径流序列水文变异研究

张德栋，赵 清

(甘肃省水文水资源局，甘肃 兰州 730000)

1 概况

祁连山甘肃辖区分为疏勒河、黑河和石羊河三大水系。按年径流划分，年径流量在300万m3以上的主要河流有58条，其中年径流量在10亿m3以上的河流有2条，依次为黑河、昌马河；年径流量在1.0～10亿m3之间的河流有13条；年径流量在0.1～1.0亿m3之间的河流有25条，年径流量在0.03～0.10亿m3之间的河流有18条[1]。水文部门监测的主要河流基本情况见表1。

表1 甘肃辖区水文部门监测河流基本情况统计表 单位：亿m3

2 主要河流径流过程变异分析

2.1径流过程概况

将祁连山出山水量较多且有水文监测的疏勒河、党河、讨赖河、洪水河(酒泉)、黑河、梨园河、洪水河、黄羊河、杂木河、金塔河、西营河、东大河、西大河等13条河流作为研究对象，按照2017年国家启动的第三次水资源调查评价1956～2000年、1956～2016年、1980～2016年、2001～2016年不同系列划分统计分析发现，2000年以来出山径流较二次评价系列(1956～2000)除黄羊河、金塔河小幅减少外，其余河流均呈增加趋势。统计主要河流多年均值变化情况见表2。

2.2 径流变异分析

根据表2统计结果，可将祁连山自西向东的疏勒河、黑河干流、杂木河作为西段、中段、东段的代表性河流。在此基础上首先按照全国第三次水资源评价径流确定的径流序列对三个区段代表性河流进行径流序列均值对比分析，然后采用M-K对三个区段代表性河流1956～2016年共计61年的长序列径流系列进行趋势检验，最后探讨研究祁连山不同区段河流径流序列变异情况。[2]

2.2.1 不同系列的比较

经过分析研究西段疏勒河2000年以前年径流量呈稳定波动情势，1980～2016年、2001～2016年与多年值相差较远，径流序列发生突变增加，尤其是2001～2016年大幅增加；中段黑河与西段总体趋势一致，但2001～2016年径流量增幅较小；东段杂木河总体呈稳定波动情势，1980～2016年小幅减少，2001～2016年小幅增加[3]。代表性河流的径流过程线如图1～3所示。

表2 祁连山主要河流径流情况统计表 单位：亿m3

图1 祁连山西段疏勒河出山径流过程线图

图2 祁连山中段黑河出山径流过程线图

图3 祁连山东段杂木河出山径流过程线图

2.2.2 M-K趋势检验

(1)趋势检验方法

Mann-Kendall统计检验方法是一种非参数统计检验方法。非参数检验方法亦称无分布检验，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，更适用于类型变量和顺序变量，计算也比较简便。由于最初由Mann和Kendall提出了原理并发展了这一方法，故成其为Mann-Kendall统计检验法。

对于具有n个样本量的时间序列x，构造一秩序列：

(1)

可见，秩序列Sk是第i时刻大于j时刻数值个数的累计数。

在时间序列随机独立的假定下，定义统计量：

(2)

式中，UF1=0；E(Sk)、Var(Sk)—累计数Sk的均值和方差，在x1，x2…xn相互独立，且有相同连续分布时，它们可由下式算出：

(3)

(4)

式中，UFi—标准正态分布，它是按时间序列x顺序x1，x2…xn计算出的统计量序列，给定显著性水平α，查正态分布表，若|UFi|>Uα，则表明序列存在明显的变化。

按时间序列x逆序xn，xn-1…x1，再重复上述过程，同时使UBk=-UFk，k=n，n-1，…1，UB1=0。

分析给出UFk和UBk曲线图。若UFk或UBk值大于0，则表明序列呈上升趋势，小于0则表明呈下降趋势。当它们超过临界直线时，表明上升或下降趋势显著。若超过显著性α=0.05的临界值，则说明发生突变的机率很大[4]。

(2)检验结果

通过对疏勒河、黑河、杂木河M-K趋势检验，发现均发生超过显著性检验α=0.05的临界值1.96，因此径流序列有变异情况发生[5]。其中：西段疏勒河2000年以前M-K值平稳波动，之后由2.21增加至5.36，突破临界值且年均增加0.19。中段黑河1974年之前M-K值平稳波动，1975～1990年持续增加至2.00，突破临界值；1991～2006年平稳波动；2007～2016年由2.26增加至4.26，突破临界值且年均增加0.20。东段杂木河1966年之前M-K值持续减小，但未突破临界值；1967～1994年平稳波动；1995～2002年突破临界值，呈减小情势；2003～2016年突破临界值，呈增加情势。代表性河流M-K趋势检验结果如图4～6所示。

图4 祁连山西段疏勒河出山径流M-K检验过程线图

图5 祁连山中段黑河出山径流M-K检验过程线图

图6 祁连山中段杂木河出山径流M-K检验过程线图

3 结语

祁连山甘肃辖区主要河流是河西走廊经济社会赖以发展的水源，探讨研究主要河流在区段、时段、演变过程的径流变异特点，不仅对祁连山区生态保护和修复及河西走廊平原区水资源合理开发利用具有重要意义，还对涉及河流的水资源规划编制、建设项目水资源论证审批，生态流量下泄指标确定、用水总量和用水效率控制控制指标确定等水资源管理工作具有直接指导作用。同时，研究得到的主要河流径流的水文变异成果，对于水资源评价工作的径流还原和一致性修正具有参考价值。研究仅从径流入手，为了全面认识祁连山区的水文水资源的变化情况，应该深入研究主要河流的降水径流关系和气候变化和人类活动对径流的影响。