石羊河流域径流变化规律和趋势分析
徐存东;谢利云;翟东辉;张伟
【摘 要】根据石羊河河流径流量数据和径流极值比分析该流域径流变化规律.利用Mann-Kendall检验法分析石洋河流域径流变化的趋势;并通过数学建模预测未来径流演变的趋势.结果表明:南营的丰枯变化程度最剧烈,黄羊河次之,沙沟寺(东大河)的变化最趋向于缓和;由西向东,石羊河流域的各河流年径流的补给形式由冰雪和降水正逐步过渡到纯降水;至20世纪50年代以来,石羊河流域径流量总体上呈现减少的趋势;未来13年石羊河流域的出山径流总流量仍将会减少. 【期刊名称】《科学技术与工程》 【年(卷),期】2014(014)011 【总页数】4页(P134-137)
【关键词】石羊河流域;径流;规律;趋势分析;趋势预测 【作 者】徐存东;谢利云;翟东辉;张伟
【作者单位】华北水利水电大学,郑州450011;华北水利水电大学,郑州450011;华北水利水电大学,郑州450011;吉林农业大学,吉林130193 【正文语种】中 文 【中图分类】S271
石羊河流域位于甘肃河西地区东部祁连山的北麓，东经 101°41'～104°16'，北纬 36°02'～39°27'间，地处蒙新、青藏和黄土三大高原交汇处的过渡地段，地势南
面高北面低，由西南向东北倾斜，是河西干旱荒漠区三大内陆流域之一［1］。流域总面积为4.16×104km2，占据了内陆河流域总面积的15.4%，人口密度为54人/km2。石羊河流域起源于南部祁连山，消失于腾格里沙漠间和巴丹吉林的民勤盆地北部，主要由大靖河、古浪河、黄羊河、杂木河、金塔河、西营河、东大河、西大河河流组成。 1 流域气候特征
石羊河流域属于典型的季风区，在空间上，有明显的分异性。该流域的年内降水量非常不均匀，祁连山区的降水量为200～700 mm，而武威盆地则为150～200 mm，呈现出东部山区较多、西部山区较少，而北部沙漠区最少的规律。祁连山区的南部气温低，月均气温是－14.6～14.2℃，年均气温是－0.1℃;气候相对较干燥的是中部走廊区，月均气温是－11.8～24.0℃，年均气温是7.5℃;而在下游民勤盆地更为干燥，月均气温是－13.1～25.7℃，年均气温是8.1℃。由南向北流域内水面蒸发的能力逐渐增加，在南部山区的蒸发量达到800～1 200 mm/年，北部沙漠区域达到2 200 mm/年，走廊平原区域达到1 400～1 800 mm/年。 图1 石羊河流域水系分布 2 流域地表水资源的分布特征
水资源主要的形成区域是祁连山区，祁连山区的水资源主要是由冰雪融水和大气降水补给。因为水热等条件在不同高度下形成了特殊的组合，并且造成了垂直变化的气候。低山丘陵区的海拔是在1 900～2 500 m内，降水量为250～300 mm，蒸发量为300 mm左右，其流量占总流量的1.6%;中山区海拔为2 500～3 500 m，降水量为300～500 mm，蒸发量随之减少，其流量占总径流量的24.3%;高山区海拔为3 500～4 500 m，该区域是降雨最集中的地区，降水量为500～700 mm，蒸发量较小，这也是水资源重要的形成区，其流量占山区总径流量的39.2%;在海拔4 500 m以上是高山和极高山冰雪寒冻的地带，最大降水量可达到800 mm，
其流量占总径流量的34.9%。
目前，祁连山雪线范围一般在4 400～4 600 m之间。该地区石羊河流域的冰川面积约为.82 km2;而冰川系数为141条。20世纪80年代冰川的年融水量为0.577×108m2，补给河水的比例大约为3.5%。但是，经多年研究表明祁连山冰川在逐年后退。在祁连山东段冷龙岭水管河的冰川处，1956～1976年冰川年平均退缩16 m;而从1976年至今，冰川已经后退71.2 m，年平均后退了8.9 m。 石羊河流域相对较发育，并且在冷龙岭发源，集中于祁连山区。其中从东到西较大的出山河流代表站依次为大靖峡水库、古浪、黄羊河水库、南营、杂木寺、四沟嘴、沙沟寺、插剑门(见图1)。另外，小沟小河有60余条，这些河流短小，山脉的走向与流向相垂直多年平均(1956～2012年)出的径流量为13.98×108m3，其中小河沟径流量有0.25×108m3由，出山径流量65%的河川径流量来自于山区降水，而31.24%源于冰川融水和降水转化而成的山区基岩裂隙水，剩余3.76%径流量直接是由冰川融水汇集而成的。除大靖河以外，中部的河流紧挨武威城，汇集成石羊河的干流进入红崖山水库最后入民勤盆地，部分东大河、西大河于永昌的城北区汇集成金川河流进入金川峡水库并最后入金昌盆地。在历史上，上游山区的洪水可以直接流入石羊河然后流过民勤最后汇入尾闾湖—白土湖、青土湖［2］。 3 径流变化规律 3.1 径流的区域性分布
石羊河流域从源头到尾闾的径流经两个性质不相同的区域，即径流的形成区和散失区。在南部的祁连山区是径流形成的区域，这个山区地势高寒，降水较多，气温很低，蒸发弱，并且存在冰川积雪，这对于径流的形成非常有利，径流量增大，随之集水面积也增大，并在出山口处达到最大值［3］;而流域的产水量大小在空间分布存在差异，在深山区的降水大、植被条件较好、产流量相对大，径流模数为7.57～8. L/(s·km2);在浅山区的降水量小、植被条件较差、产流量相对小，径流
量模数为5.16～1.22 L/(s·km2);此外，从东向西径流模数在1.11～8. L/(s·km2)范围内呈逐步增大的趋势［4］，说明整个流域内西部产流量相对较大，而在东部产流量相对较小。在祁连山山前的洪积平原和中游武威绿洲处，下游民勤绿洲及农业开发区域沿途引用、蒸发、下渗并最终消失，形成径流失散区。 3.2 径流量的年内变化
分析径流量年内变化是以多年月均径流量为基础的。将该流域各站1956～2012年多年月均径流量分三个月份时段列出(表1)，可以更加清晰地反映各月径流量变化的特征。在表1中可以看出有如下的特征:
各气象站所在的空间位置不相同，年内分配径流又存在一定的空间变异性。在6～9月，南营站(金塔河)降水量占到年均径流量的74%，古浪站(古浪河)降水量只占到年均径流量的53%。也可以说，在南营站年内分配不均衡，而古浪站年内各月径流量变化则更为缓和。
表1 石羊河流域各站径流量的年内分配站点 黄羊河水库 杂木寺 南营 四沟嘴 古浪 沙沟寺 插剑门 大靖峡河流 黄羊河 杂木河 金塔河 西营河 古浪河 东大河 西大河 大靖河1～5月 25% 20% 17% 20% 28% 22% 20% 27%6～9月 60% 69% 74% 68% 53% 63% 62% 53%10～1月15% 11% 9% 11% 19% 15% 18% 20% 将各站的极值和其出现的月份，以及极值的比值进行对比(表2)，比较分析径流量的最大月份大多出现于7、8月份，而径流量的最小月份则多出现在1、2月份。通过极值比得到南营的丰枯值变化程度最剧烈(81.39)，黄羊河水库丰枯值变化程度较剧烈(比值是28.44)，相比于沙沟寺(东大河)的变化则趋向于缓和(比值为6.36)。
表2 河流代表站点数据的对比(108m3)? 3.3 径流量的年际变化
石羊河流域主要大河流的多年径流量总体径流的特征变化，常用年极值比(最
大年流量与最小比值)或者变差系数CV来表示年际变化径流的总体特征［4，5］。CV是反映地区径流相对程度变化，CV值越大表示年际径流丰枯变化越剧烈，对于水资源利用越不利。各代表站的CV值是0.15～0.25，年极值比是1.72～5.95，由石羊河各代表站年径流量特征的变化可以知道，年极值和CV值比由西到东呈逐渐增大的趋势，这说明了该流域的各代表站河流年径流由西向东冰雪和降水的两种补给形式逐步过渡到纯降水补给。 4 径流年际变化的趋势分析
依据石羊河20世纪50年代以来各流域径流量的资料，将其分为六个年段，采用 Mann-Kendall［6—9］检验法来检验石羊河流域径流趋势情况。此检验法是由世界气象组织推荐，并已广泛使用的非参数性检验法。起初由Mann、Kendall发现，而后得到很多学者应用，进一步加深了此检验法的理论研究和实践性作用。该检验法的样本不需服从固定分布，也不会受到个别异常因素的干扰，针对气象、水文等非正态数据分布非常适用，且计算简便。
在Mann-Kendall统计检验中，H0原假设是时间序列数据(x1，x2…，xn)，为n个随机变量的同分布样本;H1作为备择假设为双边检验，当k，j≤n，且k≠j，xk和xj为不相同的分布，对于统计变量P计算式
式(1)中，
P是正态分布，均值是 0，其方差 Var(P)=n(n－1)(2n+5)/18。标准统计变量可以依据式(3)来计算。
双边检验时，如果存在 |Z|≥ Z1—α/2(Z1—α/2为在给定的置信水平α上标准正态分布的临界值)，则放弃原假设，在置信水平α上，该时间序列的数据呈现上升
或者下降的趋势。当变量Z是大于0的数时，为上升趋势;而小于0时，呈现下降趋势。
利用Mann-Kendall检验序列趋势变化，上述Z和检验所用的统计量并不相同，此时是通过构造如下秩序列 此时
式(6)中:UFk为定义的统计变量，是Mann-Kendall均值，序列的数学期望值E(Pk)=k(k+1)/4;方差值
UFk是标准的正态分布，如果是在给定的置信水平α上标准正态分布的临界值)，则说明序列出现明显得趋势变化。 根据式(7)计算，并使
分析序列UFk可进一步得到x趋势的变化，如果UFk的值大于0，表明该序列呈现上升的趋势;小于0时，表明该序列呈现下降的趋势。由此可以计算得到石羊河代表站各年代的Mann-Kendall的均值如表3。由表3得到的值分析可知，石羊河各个站年均流量只有在插剑门呈现增加的趋势，余下的各代表站均呈现减少的趋势，扎木寺代表站径流量下降最为显著，大靖峡水库代表站径流量下降趋势最不显著。
5 未来径流演变趋势预测
通过数学建模分析并预测石羊河径流2013～2020年和2021～2025年整体径流量趋势的变化。应用时间序列的分析与模拟技术进行趋势成分的提取、周期成分的
分析以及自回归分析方法等，最后定量给出2013～2020年、2021～2025年石羊河径流量的预测结果。运用已编制的可迭加的加法预测模型程序，分别做出各代表站2013～2020年未来8年、2021～2025年未来5年的年平均径流预测值。具体预测结果见表4。
表3 石羊河代表站各年代Mann-Kendall平均值统计表?
表4 石羊河代表站多年平均流量的预测值分析表(108m3)站名 插剑门 四沟嘴 南营水库 扎木寺 黄羊河水库 古浪 沙沟寺 大靖峡水库多年平均 5.2 10.2 4.08 7.74 4 1.77 9.6 1.22 2013～2020年 6.01 11 3.9 7.71 3.92 1.65 9.56 1.20增减值 0.81 0.8 －0.18 －0.03 －0.08 －0.12 －0.04 －0.02增减百分比/% 15.58 7.84 －4.41 －0.39 －2.00 －6.78 －0.42 －1.6 2021～2025平均 5.9 9.8 3.66 7.68 3.9 1.66 9.35 0.19增减值 0.7 －0.4 －0.42 －0.06 －0.1 －0.11 －0.25 －0.03增减百分比/% 13.46 －3.92 －10.29 －0.78 －2.50 －6.21 －2.60 －2.46
根据上表2013～2025年预测值显示:未来石羊河流域出山径流量总体将呈现减少的趋势。
以上结果分析也可以认为:石羊河径流量的变化是随机的自然过程，有些时段发生的连续性偏枯、偏丰为正常的偶然变化，是大尺度气候变化的必然产物;不论未来其过程如何变化，多年均值基本呈较稳定的变化。 6 结语
(1)石羊河出山的径流量总体上呈现减少的趋势。根据石羊河流域径流多年的变化过程来看，该流域的径流量大多数处在枯水、平水的状态可以得到，该流域内自然规律的水文现象是干旱缺水，未来石羊河流域出山径流量将呈减少趋势。 (2)出于该流域水资源量是在减少趋势的实际情况下，建议应该加强该区水文和气象方面的监测，兴建水库，以增加蓄洪总量，进一步提高水资源的利用水平［10］。
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