渭河流域甘肃段水资源特性及演变趋势分析

2017-08-28聂文晶张德栋

地下水 2017年4期

关键词：北道武山渭河流域

聂文晶，张德栋

(甘肃省水文水资源局，甘肃兰州 730000)

渭河流域甘肃段水资源特性及演变趋势分析

聂文晶，张德栋

(甘肃省水文水资源局，甘肃兰州 730000)

运用1956年—2015年60年实测整编长系列水文资料，对渭河流域甘肃段干、支流径流量开展变化特性分析及演变趋势分析。得出渭河流域甘肃段干支流径流量年际变化大，90年代至今出现了长达25年的枯水期。其中北道站与秦安站径流量呈丰、平、枯周期性交替出现，径流量逐年呈减少趋势，并且趋势显著。干、支流径流序列在1993、1985、1970等年份发生了显著性跳跃。为水行政主管部门制定区域水资源开发利用规划提供参考。

甘肃省；渭河流域；径流量变化特性；演变趋势

渭河流域甘肃段为渭河源头至甘肃和陕西交界之间的区域，主要涉及定西、天水、平凉三市共17个县区，占渭河入黄口以上总流域面积的19%。近年来渭河流域甘肃段水量锐减，特别是20世纪90年代，从干流到支流径流量有比较明显的减少，打破了流域水资源供需平衡，引起了严重的水污染等问题，各级政府和水行政主管部门高度重视。因此，开展甘肃省境内渭河流域干、支流水量变化特性和演变趋势分析，对于各级水行政主管部门及区域水资源开发利用规划的编制具有积极意义。

1 流域及水文站概况

渭河流域甘肃段属整个渭河上游部分，干流河长360 km，流域面积25 790 km2，两岸支流众多，北岸汇入的有秦祁河、咸河、散渡河、葫芦河、牛头河等支流，主要流经黄土高原，洪枯流量相差悬殊，泥沙含量大，是渭河的主要来沙支流；南岸汇入的有榜沙河、大南河、耤河等支流，主要流经土石山区，水流湍急，水力资源较为丰富[1]。渭河流域甘肃段干流从上到下分布有渭源、武山、北道、元龙站，其中渭源、武山、北道三站为上、中、下游控制站，实测径流系列较长，元龙

站为出省界把口站，有近5年资料；支流分布有何家坡、仁大、甘谷、天水、社棠水文站。

2 径流特性分析

2.1 径流统计

渭河甘肃段干流选取渭源、武山、北道三个代表站，支流选取葫芦河秦安站、散渡河甘谷站，耤河天水站、牛头河社棠站4个入干流把口站，采用1956至2015年共60年实测和插补延长系列分析研究渭河流域甘肃段年径流特性及演变趋势情况。

经统计，干流渭源、武山、北道水文站多年平均径流量分别为0.23亿 m3、5.41亿 m3、10.84亿 m3；支流秦安、甘谷、天水、社棠水文站多年平均径流量分别为2.8亿 m3、0.51亿 m3、0.75亿 m3、1.44亿 m3。渭源、武山、北道站三站CV值分别为0.41，0.50，0.57，说明随着集水面积的增大，越往下游径流的年际变化越大。支流CV值大于干流，可见集水面积越小，径流量越不稳定，秦安站CV值达0.74，为渭河流域中最大值，说明葫芦河径流量年际变化最为复杂。具体数据见表1。

表1 渭河流域代表站年径流量特征值表

对干支流年径流量极大值与极小值统计分析，发现1967年流域水量最为丰沛，除支流葫芦河、牛头河外，均达到历史最大值；1997年流域来水最少，干流水量达到历史最枯，支流虽不是历史最枯，但为枯水年，说明干、支流水量变化基本同步。从极值比可以看出，支流倍比值大于干流，反映出集水面积越小，径流量越不稳定，这一结论同CV值分析结果。

2.2 年代变化分析

通过对干支流控制站径流量年代进行统计分析，发现50年代干流渭源与武山站径流量比多年均值略有增加，北道站略有减少，但整体变化幅度不大，北道断面以上支流秦安、甘谷、天水站均高于多年平均值，其中甘谷站超过50%以上。60年代渭河流域径流量是最为丰沛时期，干、支流水文站均比多年平均值偏大，达到所有年代中最大值，干流三个水文站偏大27.3%～76.6%，支流4个水文站偏大74.3%以上，超过常年值约四分之三的比例。70、80年代渭河干流三个水文站比多年平均值偏大6.6%～24.9%，支流4个水文站增、减幅度不大。90年代至今，渭河流域出现了长达25年的枯水年份，干流3个水文站及支流4个水文站均比常年值偏小，而且越向下游偏小幅度越大，尤以90年代及2000年代最为显著，这一时期干流渭源站偏小20.4%～25%，武山站偏小38.2%～43.8%，北道站偏小46.2%～46.5%，支流4个水文站减少幅度都较大，偏小32.4%～65.3%，其中秦安站减幅最大。近五年来，渭河水量比80、90年代略有增加，但整体仍为枯水段，干流三个水文站比多年均值偏小11.7%～22.7%，支流秦安、天水站偏小16.7%～29.8%，甘谷站减幅为所有年代中最大值，偏小68.8%，社棠站与多年均值基本持平。分析结果见表2。

表2 渭河流域代表站各年代径流量统计表亿 m3

3 水资源演变趋势分析

3.1 趋势研究方法

随着时间的增长，对水文序列的各值平均而言，或是增加或是减少，形成序列在相当长的时期里向上或向下缓慢地移动，这种有一定规则的变化称为趋势。趋势出现在序列全过程叫整体趋势，只出现在序列中的一段时期叫局部趋势。趋势存在于水文序列的任何参数中，如均值、方差、相关系数等等。引起趋势的原因有自然也有人为因素，传统的分析方法有线性回归法、滑动平均法、坎德尔(Kendall)秩次相关法等。其中线性回归法是最简单直观的分析方法，其方程的斜率可以看出趋势的变化程度，是水文分析计算中普遍采用的方法之一[2]；坎德尔秩次检验法常用来分析降水、径流等水文气象要素序列的变化趋势，应用较为广泛，基本原理为：原假设序列为无趋势，当给定显著水平a后，在正态分布表中查出临界值Ua/2，当统计量∣U∣<∣Ua/2时，接受原假设，即趋势不显著；当∣U∣>∣Ua/2时，拒绝原假设，即趋势显著[3]。本论文采用线性回归法和坎德尔秩次检验法对渭河流域甘肃段径流量演变趋势展开分析研究。

3.2 趋势分析

3.2.1 线性回归分析

绘制渭河干流及支流水文站1956—2015年60年资料系列径流过程及趋势线图，从过程线图可以看出，渭河干流上、中、下段3个代表站及4条支流把口水文站径流量过程线有高有低呈锯齿型，各个站虽变化幅度不同，但变化趋势一致，要么都上升，要么都下降。拟合趋势线方程渭源站为：y=-0.001 9x+0.287 5，武山站为：y=-0.082 9x+7.937 2，北道站为：y=-0.203 9x+17.062，秦安站站为：y=-0.075 6x+5.140 7，甘谷站为：y=-0.013 9x+0.930 8，天水站为：y=-0.016 5x+1.256，社棠站为：y=-0.023x+2.139 9。从拟合趋势线方程可以看出，7个站趋势方程的斜率均为负值,干流中北道站斜率最大，其次是武山站，支流中秦安站斜率最大，其它3站斜率基本持平。总体来说，渭河流域60年以来径流量总体变化趋势一致，都呈下降状态，渭河干流中、下游及支流葫芦河下降幅度最大，其它支流散渡河、籍河、牛头河下降趋势缓慢。过程线图见图1，趋势线图见图2。

图1 1956-2015年渭河干流水文站年径流过程线图

3.2.2 趋势性检验和跳跃分析

在显著水平为0.05时，经坎德尔(Kendall)秩次相关法检验，渭河流域7个水文站均超过显著性检验临界值1.96，表明渭河流域径流量逐年呈减少趋势，并且趋势显著。在显著水平为0.05时，渭河流域7个水文站T的绝对值均超过临界值2，表明径流序列在某一年已发生显著跳跃。根据有序聚类分析法判断，渭河干流三个站水文序列跳跃年份为1993年，即1956—1993年为前一样本，1994—2015年为后一样本，支流4个水文站跳跃年份各不相同。根据分析，7个水文站中北道站跳跃量最大，跳跃前均值为13.8，跳跃后均值为5.73，跳跃量8.07，跳跃后比跳跃前减少了58.5%，其次为武山、秦安站跳跃量较大，渭源站跳跃量最小。说明渭河干流中、下游及葫芦河径流量减少趋势最为显著，这一结论同年径流过程线图法分析结果一致。分析结果见表3。

图2 1956-2015年渭河支流水文站年径流过程线图

站名趋势方程Kendall秩次相关结果(α=0．05)均值跳跃性检验U值(Uα/2=1．96)趋势程度T值(Ta/2=2)跳跃显著否跳跃年份跳跃量渭源y=-0．0019x+0．28752．918减小、显著3．96显著1993-0．09武山y=-0．0829x+7．93724．249减小、显著6．26显著1993-3．547北道y=-0．2039x+17．0624．562减小、显著6．162显著1993-8．07秦安y=-0．0756x+5．14075．579减小、显著3．316显著1985-2．724甘谷y=-0．0139x+0．93086．764减小、显著7．06显著1990-0．454天水y=-0．0165x+1．2563．891减小、显著5．62显著1968-0．773社棠y=-0．023x+2．13993．801减小、显著4．77显著1970-1．115