甘肃省泾河流域地表水资源量变化趋势研究.pdf

-99-泾河属于黄河重要支流，而甘肃省又是泾河主要产流区。甘肃省泾河流域是我国的老工业基地，主要产煤炭、石油等化工产品。近年来，随着甘肃省社会经济的快速发展，泾河流域内工业、农业、生活和生态用水需求不断增长，但流域内的年径流总量却在不断减少，水资源的供求矛盾日益突出。本文旨在根据甘肃省行政区划，对泾河流域来水量进行合理的分区评价，并对泾河的入境水资源量、自产水资源量、出境水资源量进行测算。研究泾河流域地表水资源量变化趋势对甘肃省的生态环境与经济发展具有重大意义。本文利用常规水量均衡方法，建立高分辨率的水资源均衡模式，查明水资源不均衡的内在机制，并对下垫面条件变化、水资源开发利用过度、测验误差等多种因素进行分析，找出流域水资源量演变的内在驱动因素。研究区域概况泾河水系以泾河为干流，主要有颉河、汭河、洪河、蒲河、马莲河、黑河等支流。泾河干流发源于宁夏回族自治区泾源县，经正宁县进入陕西省长武县，在陕西高陵区注入渭河。泾河水系在甘肃省内流域面积为31 210 km2，径流总量14.42亿m3，其中自产地表水资源量10.94亿m3，入境水资源量3.48亿m3。流域年降水量为400600 mm，降水年内变化差异较大、年内分配不均衡，多集中在68月，占年降水量的50%以上，流域内降水年内变化在69月变化较大1。地表径作者简介：李荣，工程师，主要从事水文水资源调查与研究工作。E-mail：通信作者：党喜成，高级工程师，主要从事水文水资源与水环境调查研究工作。E-mail：收稿日期：2023-02-24甘肃省泾河流域地表水资源量变化趋势研究李荣，党喜成*（甘肃省平凉水文站，甘肃 平凉 744000）摘要：为研究泾河流域地表水资源量变化趋势，本文以杨家坪、雨落坪流量控制站系列水文资料为基础，采用Mann-Kendall趋势检验法、Spearman秩相关系数法、线性趋势法对甘肃省泾河流域地表水资源进行研究。结果表明泾河杨家坪、雨落坪水文站19562020年实测径流量呈显著减小趋势，经趋势显著性判别计算发现杨家坪站跳跃点年份为1986年、雨落坪跳跃点年份为1997年；20012020年泾河还原后天然值为8.924亿m3，19562020年泾河还原后天然值为11.393亿m3；杨家坪、雨落坪水文站周期规律表现出不稳定性，时间尺度为2332年，丰枯变换周期为2.64.0年，由此得出泾河未来36年可能处于丰水期或平水期。关键词：甘肃省；泾河流域；地表水量；径流演变；分析研究中图分类号：S273.29文献标识码：A文章编号：1003-6997（2023）08-0099-05资源环境-100-2023年第08期总第661期流年内分配不均，春季径流占全年径流的34.4%，夏季占44.3%，秋季占18.1%，冬季占7.0%。干流及主要支流径流量基本集中在汛期，由强降水引起的洪峰流量一般小于500 m3/s。流域内地表径流与大气降水关系密切，其年内分配不均衡与地形地貌、植被覆盖、土地利用和下垫面性质有关。径流演变规律选用杨家坪、雨落坪水文站为控制站，其中杨家坪水文站为泾河干流出境控制站，雨落坪水文站为泾河支流马莲河出境控制站。两水文站建站时间较早，监测资料详实可靠，对个别缺测年月进行插补延长，形成了19562020年共65年长系列水文资料。将系列资料分为19561979年、19802000年、20012020年、19562020年4个时段内的实测值、还原值、天然值、还现值进行分析研究，以确定甘肃省泾河流域水资源及变化趋势2。2.1 资料合理性检查由于水文站经常发生迁移，测验断面也随之迁移，因此若在迁移前后水文站地形、气候条件等方面基本一致，则水文资料均以一站统计为准。一致性分析一般采用时序累积法，即时序年径流量逐步累积，如果绘制图形成直线，则说明水文站系列资料一致，如果出现拐点或者曲线，说明系列资料不具有一致性。杨家坪、雨落坪水文站一致性分析见图1，分析结果表明，杨家坪、雨落坪水文站资料一致性较好。径流系列资料的代表性是指样本对整体的代表性，也就是选取的径流站点是否能够代表该地区的径流，通过建立模式比数差积曲线，来反映该地区年径流的丰枯变化。根据图2的结果，杨家坪和雨落坪2个站点的模拟因子差积曲线反映了丰、平和枯水期的变化规律，表明该径流系列资料具有较好的代表性3。2.2 实测资料分析经分析，杨家坪水文站19562020年实测水量均值为6.55亿m3，其中19561979年均值为8.81亿m3，较多年均值偏大34.5%；19802000年均值为5.60亿m3，较多年均值偏小14.5%；20012020年均值为4.82亿m3，较多年均值偏小26.4%。杨家坪站实测流量自1986年开始呈显著减小趋势，详见表1和图3所示。雨落坪水文站195601002003004005001955 1965 1975 1985 1995 2005 2015（a）杨家坪径流量（亿m3)0501001502002503001955 1965 1975 1985 1995 2005 2015（b）雨落坪径流量（亿m3)图2水文站系列资料代表性分析成果图1水文站系列资料一致性分析成果-2.00.02.04.06.08.010.01950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020（a）杨家坪（ki-1）-1.00.01.02.03.04.05.01950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020（b）雨落坪（ki-1）-101-2020年实测均值为4.18亿m3，其中19561979年均值为4.66亿m3，较多年均值偏大11.5%；19802000年均值为4.42亿m3，较多年均值偏大5.7%；20012020年均值为3.35亿m3，较多年均值偏小19.9%。雨落坪站实测流量自1997年开始呈显著减小趋势，详见表1和图4所示。应用Mann-Kendall趋势检验法、Spearman秩相关系数法、线性趋势法进行分析，3种方法置信度均采用0.05，Mann-Kendall趋势检验法U/2=1.96、Spearman秩相关系数法T/2=1.64、线性趋势法T/2=1.644。分析可得泾河杨家坪、雨落坪水文站19562020年实测径流量呈显著性减小趋势，分析结果见表2。对两站系列径流进行趋势显著性判别计算，检验结果显示，杨家坪站跳跃点年份为1986年，雨落坪跳跃点年份为1997年，分析结果见表3。2.3 径流还原分析本文主要采用水量平衡法对测站径流进行还原分析，水量平衡法是以流域内总水量平衡原则为依据5，水量平衡方程式见公式（1）。表1甘肃省泾河流域河控制站径流实测均值变幅统计评价阶段杨家坪水文站雨落坪水文站实测均值（亿m3）与多面平均对比（%）实测均值（亿m3）与多面平均对比（%）195619798.8134.54.6611.5198020005.60-14.54.425.70200120204.82-26.43.35-19.9195620206.554.18图4 泾河雨落坪水文站实测径流时序趋势图3泾河杨家坪水文站实测径流时序趋势资源环境0.0 4.0 8.0 12.0 16.0 20.0 1956196619761986199620062016 年 份实测径流量（亿m3）1956-2020年实测径流量不同评价阶段均值1956-2020年实测均值1956-220年实测值趋势线2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 1956196619761986199620062016年 份实测径流量（亿m3）1956-2020年实测值不同评价阶段均值1956-2020年实测均值1956-2020年实测值趋势线1956-20201956-2020-1956-2020年实测径流量-1956-2020年实测均值1956-2201956-2020年实测均值1956-2201956-2020年实测均值1956-220-1956-20201956-220年实测值趋势线1956-20201956-220年实测值趋势线-1956-2020年实测均值1956-2201956-2020年实测值-102-2023年第08期总第661期 W=W1+W2+W3+W4W5W6W7 （1）式（1）中：W为天然河川径流量，万m3；W1为实测河川径流量，万m3；W2为农业灌溉耗损量，万m3；W3为工业用水耗损量，万m3；W4为城镇生活用水耗损量，万m3；W5为跨流域引水量，引出为正，引入为负，万m3；W6为河道分洪不能回归后的水量，分出为正，分入为负，万m3；W7为大中型水库蓄水变量，增加为正，减少为负，万m3。对杨家坪、雨落坪2处控制站年径流进行水量还原，得到20012020年泾河还原水量年均值为0.754亿m3，还原后天然值为8.924亿m3。19562020年泾河还原水量年均值为0.663亿m3，还原后天然值为11.393亿m3。泾河控制站径流还原量统计见表4，天然径流成果见表5。2.4 水资源评价本次研究显示甘肃省泾河流域19562020年入境水量为3.09亿m3，自产水资源量为8.90亿m3，出境水资源量为10.68亿m3。入境水量较19561979年减小3.5%，自产水资源量较19561979年减小13.7%。自产水资源量变化趋势与泾河实测水量显著减小的趋势一致，水资源量评价成果合理6，详见表6。径流演变预测本文选用Morlet连续复小波变换来分析径流表5 甘肃省主要河流控制站天然径流量成果河流水文站20012020年19562020年还原值（亿m3）实测值（亿m3）天然值（亿m3）还原占比（%）还原值（亿m3）实测值（亿m3）天然值（亿m3）还原占比（%）泾河杨家坪0.5394.825.35910.060.4966.557.0467.04马莲河雨落坪0.2153.353.5656.030.1674.184.3473.84 表6泾河主要水文站径流还原量统计 单位：亿m3流域分区19562020年一级二级三级自产入境出境黄河龙门至三门峡泾河张家山以上8.903.0910.68表2泾河控制站径流趋势性检验结果站名实测值趋势方程SpearmanMann-Kendall线性趋势法趋势T显著性U显著性T显著性杨家坪Y=0.001 3 X2-5.203 5 X+5 267.44.38显著4.051显著4.71显著减小雨落坪Y=-0.000 6 X2+2.269 X-2 223.52.81显著2.815显著2.72显著减小表3泾河控制站实测径流突变结果站名赫斯特系数法检测结果H跳跃强度T显著性跳跃点年份跳跃前均值跳跃后均值跳跃量杨家坪0.83中跳跃5.03显著19868.34.93.43雨落坪0.77中跳跃3.55显著19974.63.41.23 表4泾河主要水文站径流还原量统计结果 单位：亿m3河流水文站代表年份还原量还原量均值1979200020202001202019562020泾河杨家坪0.9020.6120.5720.5390.496马莲河雨落坪0.1800.2300.2060.2150.167-103-时间序列的多时间尺度特征，采用Matlab小波分析模块对其进行小波变换7，得到小波系数，再对小波方差和主要周期的变化进行绘制，从而利用上述2种曲线的变化趋势判别径流时间序列中存在的多时间尺度。根据小波分析可知，杨家坪、雨落坪水文站在周期规律表现出不稳定性，时间尺度介于2332年，丰枯变换周期于2.64年，由此得出泾河未来36年可能处于丰水期或平水期，小波分析详见图5。参考文献1李曼,王妞妞,刘焕才.疏勒河中下游地区植被生态需水量时空变化研究J.人民黄河,2021,43(11):97-102.2岳燕琴,蒋憬,张文春.昌马河昌马堡水文站悬移质泥沙测验方式转变分析J.地下水,2022,44(6):214-215.3冯绍杰,穆兴民,高鹏,等.泾河水沙变化特征及其影响因素分析J.干旱区资源与环境,2022,36(10):151-157.4贾玲,张百祖,牛最荣,等.疏勒河上游径流变化与预测分析J.干旱区研究,2022,39(5):1588-1597.5王建军.讨赖河渠首年径流水文分析J.农业科技与信息,2012(11):43-46.6许守卫,孙桂仁.略论石羊河流域水资源可持续利用J.农业科技与信息,2022(11):23-25.7杨国崇.新时期加强张掖市水资源管理的建议J.农业科技与信息,2022(18):46-48+55.（编辑 张璐）0 100 200 300 400 500 600 05101520253035年-6.0-4.0-2.00.02.04.06.019561971198620012016年份（b）杨家坪主周期28年小波系数过程线（a）杨家坪小波方差时间尺度/年小波方差小波方差时间尺度/年-1.5-1.0-0.50.00.51.01.519561971198620012016?年份0 10 20 30 40 50 60 70 05101520253035时间尺度/年图5泾河控制站实测年径流量小波分析资源环境小波系数实部年份小波系数实部年份（c）雨落坪小波方差（d）雨落坪主周期32年小波系数过程线结论本次研究是在泾河流域已有的水资源调查和系列水文资料的基础上，以泾河流域为例，应用数理统计方法对甘肃省泾河流域地表水资源量变化趋势进行研究。研究结果表明：泾河实测径流量呈显著性减小趋势，周期变化规律不稳定，预测未来36年可能处于丰水期或平水期。本研究对改善甘肃省泾河流域生态环境、保障社会经济可持续发展具有重要意义。