浑河干流水文因素变化特征分析

2014-03-22郭锐

东北水利水电 2014年4期

关键词：浑河输沙量蒸发量

郭锐

(辽宁省水文水资源勘测局，辽宁沈阳 110003)

浑河干流水文因素变化特征分析

郭锐

(辽宁省水文水资源勘测局，辽宁沈阳 110003)

运用线性倾向估计和 Kendall秩次相关检验 2 种方法，对浑河干流 4 站的降水量、径流量、蒸发量和输沙量进行了年际变化分析。结果表明：降水量 4 站变化趋势不显著，径流量抚顺站有明显减少趋势，其他 3 站均不显著，蒸发量沈阳站具有明显的增加趋势，北口前站无变化趋势，输沙量 4站变化趋势均不明显。

浑河；水文因素；特征分析

水资源是生物赖以生存的物质基础，同时也是社会发展的重要支撑条件。河流作为水资源的重要组成部分，对流域内水资源的合理配置具有重要的意义。随着全球气候的变暖和人类活动的影响，河流水文因素的变化趋势在水科学研究中的地位更加显著，也越来越受到人们的关注。河流的水文因素包括降水、径流、蒸发和输沙等，合理地研究流域内水文因素变化特征，正确地认识到水文现象及其变化规律的内在联系，可以更好地为计算流域内的河流的生态需水提供重要的依据。

浑河是辽河的支流，古称辽水，又称小辽河，是辽宁省东部地区较大的河流之一。全长 368 km，发源于抚顺市东部，自东向西流，最后于营口市西西炮台注入辽东湾。流域面积 1.14 万 km2，年径流量 30.52 亿 m3。浑河流经辽宁中部城市群，这里传统的重工业相对发达、人口稠密，浑河基本上成为沿岸城市废水排放的主要渠道。浑河流域属于温带季风型大陆性气候，冬季干燥严寒，夏季多雨湿热。流域内社会经济比较发达，水利设施也比较完善。

1 资料来源

研究选取了浑河干流主要的水文站北口前站、抚顺站、沈阳站和邢家窝棚站的水文资料进行水文因素变化特征分析，水文数据来源于《中华人民共和国水文年鉴》，具体为：北口前站、抚顺站、沈阳站和邢家窝棚站的降水量、径流量、蒸发量和输沙量，序列为 1970—2006 年。

2 分析方法

趋势分析的方法有很多，常见的方法有线性倾向估计、Kendall秩次相关检验、滑动平均、累积距平和 Mann-kendall统计检验等。此文主要利用线性倾向估计和 Kendall秩次相关检验 2 种方法进行趋势分析。

2.1 线性倾向估计

用 yi表示样本量为 n 的某一变量，用 xi表示yi所对应的时间，建立 yi与 xi之间的一元线性回归方程为：

yi=a+bxi（i=1，2，…，n）（1）

式（1）的含义是用一条合理的直线表示 y 与其时间 x 之间的关系。由于式（1）右边的变量是 y对应的时间 x，而不是其它变量，因此这一方法属于时间序列分析范畴。式中的 a为回归常数，b为回归系数。回归系数 b的符号表示变量 y的趋势倾向。b＞0 时，表示随时间 x 的增加，y 呈上升趋势；b＜0 时，表示随时间 x 的增加，y 呈下降趋势。b值的大小反映了上升或着下降的速率，即表示上升或者下降的倾向程度。a和 b可以用最小二乘法进行估计。

2.2 Kendall秩次相关检验

各要素变化的总趋势分析应用 Kendall秩次相关检验。对序列 x1，x2，…，xn，先确定所有对偶值（xi，xj，j＞ i）中的 xi＜xj的出现个数（设为 p）。顺序的（i，j）子集是：（i=1，j=2，3，4， … ，n），（i=2，j= 3，4，5，…，n）…，（i=n-1，j=n）。

此检验统计量为

当 n增加，U 很快收敛于标准化正太分布。原假设为无趋势，当给定显著水平 α 后，在正太分布表中查出临界值 Uα/2，当＜Uα/2 时，接受原假设，即趋势不显著；当＞Uα/2 时，拒绝原假设，即趋势显著。

3 浑河干流水文因素变化特征分析

3.1 降水变化

分析北口前站、抚顺站、沈阳站和邢家窝棚站的年降水量时间序列，从中可以看出，4个水文站的降水变化趋势基本呈下降趋势，但是变化趋势不显著。四个测站基本是在多年平均值上下浮动。北口前站年降水量最大值出现在 1995 年，1175 mm，降水量最小值出现在 1982 年，568.6mm。抚顺站年降水量最大值出现在 1986 年，1044.3 mm，降水量最小值出现在 1997 年，397.8mm。沈阳站年降水量最大值出现在 1986 年，943.4mm，最小值出现在 1989 年，404.1mm。邢家窝棚站年降水量最大值出现在 1994 年，913.8mm，最小值出现在 1989 年，451.9mm，1999—2006 年，降水量在多年平均值之下。

各站线性趋势回归方程如表1所示，从表1中可以看出，各站的倾向率均小于 0，其中沈阳站倾向率最大为每年-2.8832mm，邢家窝棚站每年为-1.6972mm。根据 F 检验，得出各站均未通过检验，表明接受原假设，即 4 站降水量下降趋势均不显著。

表1 浑河干流年降水量变化趋势检验

根据 Kendall秩次相关检验，显著水平 α=0.05时，查表得 Uα/2=1.96，检验统计量北口前站 U=0，则|U|=0＜1.96，所以北口前站降水量的变化趋势不显著。抚顺站 U=0.105，则|U|=0.105＜1.96，所以抚顺站降水量的变化趋势不显著。沈阳站 U=-1.439，则|U|=1.439＜1.96, 所以沈阳站降水量的变化趋势不显著。邢家窝棚站 U=-0.759，则 |U|=0.759＜1.96，所以邢家窝棚站降水量的变化趋势不显著。线性分析法和 Kendall秩次相关检验均说明了浑河流域降水量的变化趋势不显著。这说明浑河流域降水并没有受到气候的变化而减少，这对河流生态需水及各部门用水是有利的。

3.2 径流变化

分析浑河干流年径流量变化趋势，在 1975 年之前，抚顺站的径流量几乎都在多年平均之上，从1976—1984 年之间，各个水文站的径流量几乎都在多年平均之下。在 1985 年，各站几乎到达到了第一次峰值。1986 年之后，各站又呈现了下降的趋势。1995 年各站又到达了第二次顶峰。从 1996—2004 年之间，各站的年径流量几乎都在多年平均之下。在 2005 年，各站又到了第三次峰值。北口前站是在 1995 年达到其径流量峰值 44.7m3/s，抚顺站是在 1985 年达到其径流量峰值 103m3/s，沈阳站是在 1995 年达到其径流量峰值 152m3/s，邢家窝棚站是在 1985 年达到其径流量峰值 157m3/s。

各站线性趋势回归方程如表2所示。从表2中可以看出，各站的倾向率均小于 0，其中抚顺站的倾向率最大，为-0.6791。根据 F 检验，得出除了抚顺站通过检验，其他 3 站均未通过检验，表明抚顺站拒绝原假设，即抚顺站降水量减少趋势显著，其他 3站接受原假设，即降水量减少趋势不显著。

根据 Kendall秩次相关检验，显著水平 α=0.05时，查表得 Uα/2=1.96，U北口前=-0.419，U抚顺=-2.537，U沈阳=-0.916，U邢家窝棚=-0.785。因此，抚顺站径流量具有明显的减少趋势，但减少幅度并不大，其他3站径流量均无显著变化，与降水量的变化趋势相一致，这对于河流生态需水的满足是有益的。

表2 浑河干流年径流量变化趋势检验

3.3 蒸发变化

分析北口前站、沈阳站的年蒸发量时间序列，从中可以看出，北口前站年蒸发量围绕多年平均上下浮动的幅度较小。沈阳站年蒸发量从 1970—1983 年（除去 1974 年）年蒸发量均在多年平均之下，从 1984—1997 年年蒸发量均在多年平均之上。沈阳站年蒸发量的最大值出现在 1974 年，最小值出现在 1971 年。

表3是浑河干流年蒸发量变化趋势检验。从表 3 中可以看出，北口前站的倾向率小于 0，沈阳站的倾向率大于 0。沈阳站的倾向率最大为 8.333。根据 F 检验，得出北口前站未通过检验，表明北口前站接受原假设，即北口前站年蒸发量下降趋势不显著。沈阳站通过检验，表明沈阳站拒绝原假设，即沈阳站年蒸发量上升趋势显著。

表3 浑河干流年蒸发量变化趋势检验

根据 Kendall秩次相关检验，显著水平 α=0.05时，查表得 Uα/2=1.96，U北口前=-1.203，U沈阳= 3.871，因此，沈阳站上升趋势变化显著。北口前站下降趋势变化不显著。

3.4 输沙变化

分析浑河4站的年输沙量时间序列的变化情况。可以看出，除了北口前站的年输沙量呈上升趋势外，其他 3站均呈下降趋势。4个测站基本都是围绕多年平均值上下浮动。北口前站年最输沙量最大值出现在 2005 年，233 万 t，输沙量最小值出现在 1978 年，0.394 万 t。抚顺站年最输沙量最大值出现在 1971 年，114 万 t，输沙量最小值出现在1998 年，0.439 万 t。沈阳站年最输沙量最大值出现在 1995 年，301 万 t，输沙量最小值出现在 1980年，2.64 万 t。邢家窝棚站年最输沙量最大值出现在 1995 年，307 万 t，输沙量最小值出现在 2000年，2.22 万 t。

各站线性趋势回归方程如表 4所示，从表 4中可以看出，北口前站的倾向率大于 0，其他 3 站均小于 0。根据 F 检验，得出各站均未通过检验，表明接受原假设，即 4站年输沙量变化趋势均不显著。