浑河流域径流长期演变规律及趋势显著性分析

周志宇

(辽宁省抚顺水文局，辽宁 抚顺 113000)

水资源短缺逐渐成为制约经济可持续发展的关键因素，如何最大限度的开发利用及合理优化配置有限的水资源非常重要[1]。对于特定的区域，其特有的水资源空间分布格局决定了区域水资源配置[2-4]。浑河流域降雨时空分布不均极易发生干旱事件，径流变化对流域影响显著，农业供水紧张甚至无法保证城市及工业用水，有必要研究分析其径流演变规律及趋势。

目前，对于径流演变规律我国学者开展了深入研究，如杨勇等通过诊断分析流域水文要素变异特单，揭示了渭河流域径流演变成显著减小趋势；郑嵛珍等对荆南三口河系环境变化前后的水文干旱演变特征利用标准化径流指数进行分析；祁芯等利用典型水文站实测数据，揭示了流域水资源分布特征；王维等采用年连续最大7d、30d、90d流量和年径流量反映流域径流特征，并进一步揭示了径流量与土地利用之间的作用关系[5-8]。以上研究主要侧重于大尺度的流域水文特性分析，而探讨较小尺度的水文特性还鲜有报道。鉴于此，文章结合相关文献资料和流域径流长系列资料，详细分析了浑河流域的径流演变规律及其时序变化趋势，旨在为优化配置和合理利用流域水资源提供数据支持。

1 流域概况

浑河是辽河流域下游较大的支流，发源于清原县滚马岭，自东向西依次流经新宾、抚顺、沈阳、灯塔、海城、大石桥等县市后汇入大辽河，全长415km，流域面积11480km2。浑河属于典型的不对称水系，东侧水量丰富且支流密集，西侧水量小且支流较少。

浑河流域整体呈上宽下窄的葫芦状，位于大陆性季风气候区，夏热降水多，冬寒降水少，年均降水量600～900mm，7、8月份降雨占约全年的48.5%。受气候条件、地形地貌和地理位置的影响，流域内降水分布极不均衡，从东北山区向西南、从上游往下游逐渐减少，上游清原县一带受末日红山脉影响为降水高值区，树基沟站年均降水量最高达到880mm。降水低值区位于下游入河口处，邢家窝棚站年降水量只有655.4mm，最大与最小值之比1.34。大伙房水库修建于抚顺市浑河上游20km处，集水面积5437km2，最大蓄水量21.87亿m3，在一定程度上影响了径流年内分配。

2 研究方法

2.1 水文站选取

本研究选取大伙房水库上游北口前(二)、浑河中游沈阳(三)和下游邢家窝棚3个水文站，集水面积依次为1832km2、7919km2、1832km2，各站来水均流入大辽河，距离大辽河河口依次为311km、174km和57km。从上游至下游浑河流域流量逐渐增大，北口前～抚顺段属于区域产流集中区。

2.2 数据资料

考虑到浑河中游沈阳(三)水文站对流域内流量变化控制较好，建站以来实行在站驻测，测量资料连续性较好、序列无漏测间断，通过三性检查资料可靠度较高。因此，本研究拟选用1985-2020年逐年、逐月实测径流数据进行分析。

2.3 分析方法

本研究利用集中期、集中度分析年内径流分配特性，选用滑动平卷发分析年际径流变化趋势，并应用线性回归法、斯波曼和坎德尔秩次相关法检验变化趋势显著性，采用Mann-Whitney法及时序累计值法确定年际径流突变年份，并利用差积曲线法分析径流丰枯变化特点[9]。

2.3.1 集中期、集中度估算法

集中期和集中度表征了径流分配的方位、时间及其分布不均匀性，这是衡量径流量年内集中程度的主要参数[10]。集中期和集中度就是用x、y表示水平向与垂直向的径流分量，结合两者占比类表征集中分配程度。经计算确定0°、30°、60°、…、330°方位角的径流分布状况，对集中期、集中度利用下列计量公式计算，即：

(1)

(2)

(3)

2.3.2 Mann-Kendall法

文章利用不依赖于数据分布的非参数检验法——坎德尔秩次相关法进行趋势分析，该方法具有更显著的优越性，其表达式为[11]：

(4)

(5)

(6)

式中：N、t为资料系列长度和时间序列；X(t)、X(t′)为第t年和多年平均水文要素值；S、T、Var(S)为非参数统计值、检验值和计算式。

2.3.3 Mann-Whitney法

Mann-Whitney法是一种用于检验时间序列是否显著不同的统计方法，先从小到大排列一段长度为N的时间序列，Ri代表观测值i的排序，然后按前、后两部分划分整个时间序列，前、后部分分别为1-n1和N-n1，可利用下式计算前部分排列顺序及统计量[12]，即：

(8)

(9)

式中：N、n1、n2为样本序列长度及其分解的长度；S、T为样本年净流量之和及其检验统计值；Ri为第i年径流量。

经计算，若|T|>Z1-a/2则代表两端序列具有相同平均值，突变点就是时间序列的第n1个点，该点前后出现显著变化，一般水文序列的置信检验水平a=0.05，若原假设成立则有|T|≤Z1-a/2的概率为95%。换而言之，在|T|>Z1-a/2的条件下，则表明发生了概率小于5%的事件，即前、后两段时间序列均值显著不同[13-14]。

3 径流演变规律及趋势

3.1 年内分配集中期

以5年为基准合理划分浑河中游沈阳(三)水文站实测径流数据，逐月平均流量变化特征如图1。

图1 浑河流域年内径流量变化趋势

总体而言，径流量在每年的1～4月变化平缓，5月开始增加，每年的6-9月径流量达到最大。在10月以后径流量快速减小，究其原因是该时段流域内降水较多，总体处于平水期，所以出现最大流量的月份有所延后；其它时段的1-4月径流量变化趋势与11-12月相同，11-12月径流量与1-4月相比略微偏丰。此外，降水量分布不均在很大程度上决定了径流量年内分配不均匀性。

3.2 年内分配不均匀性

采用公式(1)～(3)计算年内径流量分配Cv值，该数值越大则径流变化越明显，各年计算值，年内径流量分配Cv值变化趋势，见图1。

图2 年内径流量分配Cv值变化趋势

结果显示，Cv值总体围绕平均值波动，在2005以前Cv值整体超过平均值0.91，在2005年以后Cv值整体小于平均值，究其原因是雨量站监测结果受极端天气影响，降水量监测值呈显著不均匀性，1986年1993年、1996年、2001年、2004年的Cv值明显偏大，表明年内径流分配极不均衡，2004年Cv值达到最大的1.72，2014年Cv值达到最小的0.31，最大与最小Cv值之比为5.5，表明年内径流分配具有较大差异。总体而言，年内Cv值偏大则分布极不均衡，经线性回归Cv值表现出逐年下降趋势。

3.3 年际演变规律

通过线性趋势分析绘制年际径流变化曲线，如图3。

图3 年际径流变化曲线

由图3可知，1989年径流量达到最大的40.6亿m3，2002年的径流量达到最小的4.8亿m3，极值比8.45，多年平均径流量26.5亿m3，年际径流量总体表现出下降趋势。经计算变差系数Cv值为0.42，表明年际径流变化波动较为明显。经5年滑动平均计算，从建站到1989年径流量表现出上升趋势，1990～2007年径流量呈下降趋势，2008～2013年径流量呈上升趋势，2014～2016年径流呈下降趋势，2017年至今径流呈上升趋势。

对径流演变趋势和变化显著性利用线性回归法、斯波曼秩次相关法、坎德尔秩次相关法进行分析，计算显著性水平a=0.05的参数如表1。结果表明，3种方法的检验结果均呈显著减小趋势。

表1 变化趋势及显著性检验

3.4 丰枯变化特性

将径流丰枯变化特性用差积曲线法进行分析，差积曲线上升、持平和下降时分别代表河流处于丰水期、平水期、枯水期[15-17]。通过对年际径流变化模比系数的计算分析，绘制其与1的差积曲线如图4所示。

图4 径流差积曲线

结果显示，平水期为1985-1987年，枯水期为1999-2016年，1988-1998年和2017-2019年为丰水期。

3.5 径流趋势检验

采用Mann-Whitney法和时序累计值法准确识别径流突变年份，结果显示浑河流域径流总体平稳，但在1990年、2002年、2017年前、后有波动突变。为进一步识别变化显著性及其跳跃年份，对径流量突变年份利用Mann-Whitney法进行识别，经计算|T|=0.0021<1.96，表明突变未通过显著性检验，结合突变检验曲线，见图5。可以确定1999年为主要突变年份，其次为1990年。

图5 年际径流突变检验曲线

4 结 论

通过计算分析浑河流域径流变化特征，主要结论如下：浑河流域径流量主要集中于6-9月，年内分配极不均衡；经计算变差系数Cv值为0.42，这表明年际径流变化波动较为明显；结合突变检验曲线可以确定1999年为主要突变年份，但未通过显著性检验；研究期间径流呈显著减小趋势。

受人类活动、气候变化等因素影响径流量呈波动减少趋势，加之年内分配不均衡，大大增大了流域内水资源开发难度。因此，为稳定径流变化必须采取调水、河湖连通等水利工程措施，为优化配置和合理利用区域水资源提供可靠保障。文章简要分析了变化现象，未深入研究引起变化的成因，未来仍需进一步研究探讨。