山西涑水河流域水文气象要素历史演变探讨

温进利，王 炜

（1.山西省气象灾害防御技术中心,山西 太原 030002；2.太原市水利技术推广服务站,山西 太原 030002）

山西涑水河流域为黄河中游左岸支流,河流长196.6 km,流域面积5774.4 km2,流域东南部被中条山环绕,西北部与社稷王山、孤山和峨嵋岭相连,整体地形由东北向西南倾斜。流域从绛县发端后依次经过夏县、临淇、盐湖及万荣等地,最后汇入黄河,姚暹渠和湾湾河是山西涑水河的主要支流。涑水河所在地区主要为黄土高原沟壑丘陵区,沟壑丘陵地貌十分常见,土壤也主要为褐土和草甸土,位于流域东南部的中条山分水岭主要表现为土石山地貌,流域以北是峨嵋岭台地,东北、西南部分别为黄土丘陵和洼地地貌,中部为运城盆地。涑水河流域由于地理位置和气候条件较为特殊,流域内降水少蒸发大,旱涝灾害十分频发。为此,深入分析流域气候条件以及降水量、蒸发量、径流量等水文气象要素的历史演变趋势规律,对流域水文水资源管理政策的出台与完善具有积极意义。

1 资料及方法

1.1 资料来源

选取山西涑水河流域青龙、沙渠、冷口峪、稷王、盐池等5个具有代表性的气象站1960年～2020年实测逐月气象资料进行流域气温、降水量、蒸发量变化特征分析。该流域现有水文测站较多,根据各水文测站观测资料的完整性和代表性,根据所取得的具有典型性特征且资料齐全的咸安水文站气象要素资料,进行涑水河流域径流变化趋势特征分析。

1.2 研究方法

本文主要采用线性回归分析、累计距平、Mann-Kendall趋势检验分析及Kendall秩次相关检验[1]等方法进行山西涑水河流域1960年～2020年水文气象要素年内、年代际变化趋势判别。线性回归分析能较为直观地显示出时间序列数据所具有的递增或递减的变动特征,在此基础上构建其线性拟合方程,并根据方程的年线性斜率指标反映和表征时间序列数据的平均变动趋势特征。Mann-Kendall趋势检验方法是非参数统计检验技术的一种,该方法对样本数据分布趋势无特别要求,其评价和分析结果的准确性也不受少数异常值影响,计算分析过程简便,能突出强调时间序列数据变动趋势的显著性特征。

2 结果与讨论

2.1 水文气象要素年内变化

根据对山西涑水河流域5个水文气象站1960年～2020年实测月降水量统计资料可以得出流域月平均降水量变动趋势,通过与相邻流域及山西平均降水数据的比较可以看出,该流域降水量偏少,且一年中降水主要集中在6月～9月,这4个月的降水量在全年降水量中的占比高达79.54%,其中7月和8月降水量在年降水量中占比53.41%,春季干旱少雨,冬季寒冷少雨。

根据流域气象站统计资料及月平均气温变动趋势分析,年内各月气温变化表现出明显的季节性特征,月平均气温为负值的月份为每年的11月～次年2月,流域月平均气温最低为-12℃,最高为25℃,分别出现在每年的1～2月和6月～8月。

流域年内各月蒸发量变动趋势见图1,最大蒸发量246 mm和最小蒸发量10 mm分别出现在5月～6月和12月～次年1月；4月～9月的蒸发量在全年蒸发总量中占比84.12%,5月开始天气转暖、日照丰富、风速增大,所以蒸发量增长剧烈；各月份的蒸发量均高出同期降雨量,流域气候较为干燥,干旱较为常见。

图1 山西涑水河流域降水量、蒸发量、径流量月变动趋势

山西涑水河流域属于季节性河流,12月～次年2月流域处于冰冻期,河流基本上处于断流状态,从来年3月开始气温逐渐回暖,积雪消融,出现降水,使径流量逐渐增大,流域径流最大值一般出现在6月～9月（图1）,这也与流域降水变动过程吻合,9月份过后径流量逐渐减小。

2.2 水文气象要素年代际变化

根据山西涑水河流域典型水文气象站实测降雨资料,可以得出流域降雨量年平均值变动趋势特征,在1960月～2020年整体上呈递减规律,年际间降雨量波动较大,近70 a降雨量倾向值-4.13 mm/10 a,回归方程相关系数R2=0.113,对流域1960年～2020年间降雨序列进行Kendall秩次相关检验,无法满足a=0.05的显著性检验水平,故趋势不显著,表明流域降雨量表现为不显著的线性递减趋势和周期性变化特征。

通过分析流域水文气象站1960年～2020年实测气象资料可得到流域年平均气温的变化特征,对变动趋势进行分析可以看出,流域气温整体上呈逐年升高趋势,通过绘制气温变动趋势回归方程发现,温度升高的线性倾向值取0.35℃/10 a,且相关系数R2=0.3365,取值较大,对其线性回归趋势的检验结果也表明,流域气温呈现出十分显著的线性变动趋势。

根据对流域水文气象站1960年～2020年实测蒸发量资料的分析,其年蒸发量均值为1211 mm,年降雨量均值982 mm,年蒸发量均值是年降雨量均值的1.27 倍,多年年际蒸发量变动平稳,对多年蒸发量序列进行Kendall秩次相关检验,结果表明其检验统计量以标准化正态分布趋势收敛,年际变化趋势不明显。山西涑水河流域5 个水文气象站1960 年～2020年径流量丰枯周期变动趋势明显,并呈逐年减小趋势,回归方程的相关系数R2=0.0035也未达到a=0.05显著性检验水平,故趋势不显著。

2.3 水文气象要素年际变化特征

2.3.1 趋势性

根据对山西涑水河流域1960年～2020年水文气象要素年际变化特征的统计（表1）,流域多年平均气温23.23℃,年平均气温最大值34.31℃和最小值-10.12℃分别出现在2008年和1971年。在1960年～2020年期间,流域气温显著升高,其Mann-Kendall统计值为3.96,远远高出置信水平0.05的临界值1.96,线性斜率0.026℃/a,比全国流域气温线性斜率0.023℃/a和全球流域气温线性斜率0.018℃/a均高,进一步分析发现,流域气温显著升高出现在20世纪80年代中后期。具体见图2。

表1 涑水河流域1960年～2020年水文气象要素年际变化特征统计

图2 流域气温年际变化趋势

流域1960年～2020年间多年平均降水量982 mm,且表现出丰枯交替的特征,年平均最大降水量1581 mm和最小降水量485 mm分别出现在2003 年和1994 年。在1960年～2020 年期间,流域降水量整体呈现弱增加趋势,降水的Mann-Kendall统计值为0.61 mm,线性斜率为1.63 mm/a。具体见图3。

图3 流域降水量年际变化趋势

流域1960 年～2020 年间水面蒸发量和降水量大致相当,年平均最大蒸发量1581 mm和最小蒸发量485 mm分别出现在2007 年和1997年,流域多年平均蒸发量1211 mm,且呈整体减小趋势,Mann-Kendall统计值为-2.64,年线性斜率为-1.96 mm/a,自2004 年以来蒸发量多年均值偏低。具体见图4。

图4 流域蒸发量年际变化趋势

山西涑水河流域径流量在降水的影响下年际变化较大,年平均最大径流量1053 mm和最小径流量10 mm分别出现在1992 年和1971 年,两者相差百倍之多,在1960 年～2020 年间,径流量增大趋势不明显,Mann-Kendall统计值为0.52,径流量年线性斜率为0.7514 mm/a,且径流量表现出与降水量较为一致的变动趋势,说明降水量在一定程度上影响径流量。但径流量最大和最小年份与降水量最大及最小年份并无明显的对应关系[2],这主要与水利工程修建、水资源开发利用等人类活动有关。具体见图5。

图5 流域径流量年际变化趋势

2.3.2 突变性

根据累积距平分析结果,山西涑水河流域1960～1980 年间年降水量整体呈增加趋势,而1990 年～2014 年呈下降趋势,丰枯变化并无规律性,且波动趋势大,流域年降水量无显著突变点。流域1960 年～1980 年间年气温均值表现出下降趋势,此后则逐年升高,流域年平均气温存在两个突变点,分别为1998 年和1993 年,具体见图6。流域1960 年～1980 年径流量整体呈递增趋势,此后逐年下降,其累积距平分析的年径流量突变点分别位于1990 年和1992 年。

图6 涑水河流域1960年～1980年间年平均气温累计距平分析结果

3 结论

综上所述,山西涑水河流域近70 a降水量和径流量均呈弱增加趋势,而气温升高趋势却较为明显,水面蒸发量减小趋势明显。从季节角度看,流域冬春季节降水量显著减小,夏秋季节降水量显著增加,除夏季气温非显著升高外,其余季节气温均表现出升高趋势；冬春季节流域水面蒸发量显著减少,夏季水面蒸发量显著增加,秋季水面蒸发量非显著性减少。影响流域水资源变化的主要原因除降水、蒸发、气温及径流外,还包括水利工程兴建及拦蓄、水资源无序开发等人为因素,为彻底解决流域干旱问题,必须在综合分析流域水文气象要素历史演变趋势特征的基础上进行分析。