西大河水库1982-2022年径流变化特征及归因分析.pdf

第 59 卷 第 6 期2023 年 6 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.59，No.6Jun.，2023DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2023.06.001收稿日期：2023-04-18作者简介：黄景荣（1988-），女，甘肃酒泉人，工程师，主要从事水资源管理、防汛调度等工作，E-mail：。西大河水库1982-2022年径流变化特征及归因分析黄景荣（甘肃省水利厅 讨赖河流域水资源利用中心，甘肃 酒泉 735000）摘要：为研究西大河水库径流变化特征，根据1982-2022年降水与年平均流量数据，采用趋势分析、突变分析、归因分析等方法对径流变化进行了分析。结果表明：西大河水库在1982-2022年间，径流量呈下降趋势，开始突变年份为1994年；区域降水量呈上升趋势，变化期（1994-2022年）内影响西大河水库径流的主要因素为人类活动。关键词：降水-径流关系；年平均流量变化；双累积曲线；西大河水库中图分类号：P333.1文献标志码：A文章编号：2095-0144（2023）06-0001-04环境变化引起的径流变化已成为水文学和水资源研究的热点问题。气候变化是影响径流变化的主要因素之一，如降水、蒸发等1-2。一般将径流变化的主要原因归结为降水量变化和人类活动3，但二者对不同区域径流变化的贡献率存在差异4。刘强等5为提高黄河中游的水源利用效率，利用线性曲线趋势分析、双累积曲线等方法对降水、径流等进行了分析，发现人类活动是导致其发生变化的主要原因。冯胜航等6针对研究区域径流减少的问题，采用水量平衡法、M-K法及小波分析方法分析了金沙江流域1980-2020年间的径流还原量、年际变化趋势、周期和突变年份。周伟业等7利用渭河源区1975-2018年的水文资料及气象资料，采用M-K法、双累积曲线法及弹性系数法进行了径流趋势分析、突变分析及影响径流变化的驱动因素分析等。李晓乐等8利用双累积曲线法、淤地坝减沙模型、Gamlss模型等定量研究了气候变化及人类活动对河流泥沙贡献率的影响，模拟计算了一般降水和极端降水情况下的贡献率，确定了导致其趋势下降的主要原因，并提出了相关解决措施。魏宣等9基于1958-2015年克里雅河流域的水文数据和气象数据，利用M-K突变检验法、累积距平法、有序聚类法和双累积曲线法确定了径流的突变年份和影响径流变化的主要因素。王陇等10利用M-K法、双累积曲线法和弹性系数法对南小河流域的降水和径流数据进行了突变检验，并对径流变化的影响因素进行了分析。基于上述研究，作者利用1982-2022年西大河水库的年平均流量和年降水量数据，采用趋势分析法分析了西大河水库的径流和降水变化趋势；采用M-K法确定了西大河水库年平均流量的突变年份，并在此基础上，确定了基准期和变化期；基于距平百分率，分析了西大河水库在研究时段内的丰枯状态；使用双累积曲线法进行了径流变化的归因分析，确定了影响径流变化的驱动因素，以期为西大河水库的水资源管理提供理论依据。1数据来源与研究方法1.1流域概况西大河水库位于甘肃省肃南裕固族自治县马营乡，水库集防汛、灌溉和发电等功能于一体，集水面积788 km2。水库洪水由冰雪融水和降水组成，多为单式洪峰，主汛期在6-9月。径流量年内分配极不均匀，多年平均径流量为1.571亿m3。西大河流域水系如图1所示。1.2数据来源西大河水库水文站隶属于甘肃省水文站（原甘肃省水文水资源局）。始建于1981年7月，属省级重要站、区域代表站。此次收集了西大河水库水文站1982年以来的年平均流量和年降水量数据，且数据为整编后数据，真实可靠。11.3研究方法为探究西大河水库径流变化特征，研究采用线性倾向率法分析西大河年平均流量的分布趋势11；采用M-K突变检验法12对西大河水库年平均流量按年际进行突变分析；采用距平百分率方法13分析西大河水库的丰枯年际变化；采用双累积曲线法14-15对西大河水库的径流变化进行归因分析。由于多数分析方法较为常规，不再做过多说明，主要对双累积曲线法进行说明。研究采用双累积曲线法对西大河水库基准期水文要素的变化规律进行了分析，得到了模拟径流的变化规律。双累积曲线法可以分析水文气象要素的一致性或长期演变趋势。通过双累积曲线分析可以看出人类活动对天然径流的影响程度。计算公式为：Q=kP+b（1）式中：Q为累积年平均流量（m3/s）；k、b为计算参数；P为累积年降水量（mm）。将变化期的实测降水量代入式（1），可以计算出累积年平均流量。再利用式（2）、式（3）计算人类活动影响和降水变化所产生的径流影响及贡献率。计算公式为：人类活动=R变化期实测-R变化期计算（2）降雨变化=R变化期计算-R基准期实测（3）式中：人类活动和降雨变化分别为人类活动和降水变化影响的径流量；R变化期实测、R变化期计算和R基准期实测分别代表变化期实测年平均流量、计算出的年平均流量和基准期的实测年平均流量。降水变化和人类活动影响贡献率的计算公式分别为：Qj=降雨变化R变化期实测-R基准期实测（4）Qr=人类活动R变化期实测-R基准期实测（5）式中：Qj和Qr分别为降水变化和人类活动影响对径流量变化的贡献率。2结果分析2.1流量年际变化（1）趋势性分析绘制1982-2022年西大河水库年平均流量的多年变化趋势图，如图2所示。西大河水库年平均流量在0.4867.840 m3/s之间波动，年平均流量线性回归方程为y=-0.010 9x+5.286 2。其中：y为西大河水库的年平均流量；x为年份。西大河水库水文站的径流序列表明，1982-2022年西大河水库年平均流量总体呈下降趋势，其最大值出现在1982年，最小值出现在2018年，多年平均流量为5.00 m3/s。（2）年内变化情况绘制1982-2022年西大河水库月平均流量年内分配直方图，如图3所示。西大河水库多年平均月平均流量在1.42010.770 m3/s之间波动，月平均流量线性回归方程为y=0.274 9x+3.391 7。其中：y为西大河水库的月平均流量；x为年份。西大河水库月平均流量最大值出现在 7 月，最小值出现在2月。河流水文站县界省界图例山丹县西大河水库永昌县甘肃省青海省肃南裕固族自治县红沙河拦腰沟沟平羌西大河娃娃山河沟大横图1西大河流域水系10.008.006.004.002.000.00年平均流量/（m3/s）1591317212529333741年份序列图2年平均流量多年变化趋势y=-0.010 9x+5.286 2年平均流量2023年第6期甘肃水利水电技术第59卷 2（3）突变性分析采用M-K突变检验法对西大河水库年平均流量的突变性进行分析。在=0.05的显著性水平下，计算绘制UB及UF曲线（当UB或UF小于0时，西大河水库的径流序列呈下降趋势，反之则为上升）。当UB与UF两条曲线在0.05显著水平线之内产生交点时，对应交点为年平均流量的突变开始年份。如图4所示，西大河水库年平均流量发生突变的年份为1994年。基于此，依照M-K突变检验法界定1982-1993年为基准期，1994-2022年为变化期。（4）丰枯性变化利用上述计算所得多年平均流量，计算各年份平均流量与多年平均值的差值（距平）。距平与西大河多年平均流量的比值记为距平率K，按照K值大小划分枯丰年份，划分标准见表1。1982-2022年西大河年平均流量的丰枯统计结果如表2所列。丰枯年份占比情况为：平水年丰水年=枯水年偏枯年偏丰年，其占比分别为39.1%、19.5%、19.5%、14.6%和7.3%。西大河水库平水年占比最大，水情较为稳定。2.2降水-径流关系及归因分析（1）降水量趋势性分析绘制1982-2022年西大河水库年降水量多年变化图，如图5所示。年降水量在294.1587.3 mm之间波动，总体呈上升趋势。西大河水库降水量线性回归方程为y=0.866 4x-1 311.9。其中：y为西大河水库降水量；x 为年份。年降水量最大值出现在2019年，最小值出现在1991年，多年平均降水量为422.8 mm。（2）降水-径流关系及归因分析根据M-K突变检验结果，年平均流量的突变年份为1994年，1982-1993年为基准期，1994-2022年为变化期。结合1982-2022年实测年平均流量和年降水量绘制双累积曲线图，如图6所示。变化期的拟合方程为y=0.012 2x-0.653 5，决定性系数R2为12.010.08.06.04.02.00.0月平均流量/（m3/s）123456789101112月份图3多年平均月平均流量年内分配UF曲线UB曲线3210-1-2-3UF-UB统计量19821992200220122022年份图4年平均流量M-K突变检验结果表1枯丰性划分标准K值-20%-20%，-10%）-10%，10%丰枯状态枯水偏枯平均K值（10%，20%20%丰枯状态偏丰丰水表2西大河水库平均流量丰枯统计丰枯情况枯水年偏枯年平水年偏丰年丰水年年数/年861638比例/%19.514.639.17.319.519821992200220122022700.0600.0500.0400.0300.0200.0年降水量/mm年份图5年降水量变化趋势第6期黄景荣：西大河水库1982-2022年径流变化特征及归因分析第59卷 30.998 4，拟合精度较好。其中：y为年平均流量；x为年降水量。对基准期（1982-1993 年）和变化期（1994-2022年）分别进行计算，将基准期实测值与变化期实测值的差值作为年平均流量的变化量，将变化期实测值与模拟值的差值作为人类活动影响变化量，将年平均流量变化量与人类活动影响变化量的比值作为人类活动影响的贡献率。计算结果如表3所列。西大河水库的变化期与基准期相比，流量增加了76.9 m3/s。其中，在变化期内，由降水量引起的径流流量变化为-25.1 m3/s，贡献率为-32.7%；由人类活动引起的径流流量变化为102.1 m3/s，贡献率为132.7%（表3）。在该变化期内，人类活动的影响远大于降水量的影响，是西大河水库径流量增加的主导因素。3结论基于 1982-2022 年西大河水库的年降水量与年平均流量数据，采用线性倾向率法、M-K 突变检验法、距平百分率法和双累积曲线法等，对年平均流量进行了年际趋势分析、突变分析及丰枯状态分析，对年降水量进行了年际变化分析，以及对降水-径流关系进行了归因分析，得到以下结论。（1）西大河水库最大年平均流量为7.840 m3/s，出现在2018年；最小年平均流量为0.486 m3/s，出现在1982年。发生突变的年份为1994年。西大河水库的平水年占丰枯年份比例最大，占比为39.1%。丰枯年份分布情况为：平水年丰水年=枯水年偏枯年偏丰年，水情较为稳定。（2）西大河水库最大年降水量为587.3 mm，出现在 2018 年；最小年降水量为 294.1 mm，出现在1991年。在变化期内，人类活动为影响径流变化的主导因素。参考文献：1ZHANG J P，ZHANG H，XIAO H L，et al.Effects of rainfalland runoff-yield conditions on runoffJ.Ain Shams Engineering Journal，2020，12（2）：2111-2116.2MBAYEML，HAGEMANNS，HAENSLERA，etal.Assessmentof climate change impact on water resources in theUpper Senegal Basin（West Africa）J.American Journal ofClimate Change，2015，4（1）：77-93.3陈锡云，郭东静，高晓栋，等.泾河合水川流域近50年径流演变特征及影响因素分析J.地理科学，2016，36（1）：114-120.4Huang M B，Zhang L.Hydrological responses to conservationpractices in a catchment of the Loess Plateau，ChinaJ.Hydrological 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4关部门负责人存在“北方降雨强度不如南方”的固有思想，在强降雨来临前，应急部署不完备，导致洪涝灾害发生后，出现应急响应不及时、应对措施不精准、现场组织混乱等问题。（2）重视洪水智慧化预警系统的建设在洪涝治理方面，精准的监测和预报系统有助于延长预警的预见期，对于人员的及时疏散和抢险至关重要。智慧化手段是未来城市防洪与调度的发展方向，北方城市可以学习南方洪涝频发城市的相关措施，建设城市洪涝预报模型与系统，重视人工智能等先进技术在气象预报和调度方面的应用，在洪水来临前，最大限度地规避损失。（3）完善城市基础排水设施此次暴雨事件使郑州市暴露了排水系统标准太低的问题。河南省在历史上还同样遭受过因为台风形成的“758”大洪水，说明在该区域的地理位置和气候条件下，极容易形成特大暴雨。郑州市在城市建设中，应重视排涝标准，优化老旧排水管道，解决“雨污混排”、排水管道口径较小等问题。结合现有监测资料确定城市中的易涝点，在易涝区域增加排水管道数量，并通过“海绵城市”的建设，对积水点进行改造。此外，在城市规划中，应增加城区的洪涝蓄水空间，如整治天然河道、增大湖泊面积等。建设生态与排涝相结合的城市水体，对于削减超标准洪水来临时的受灾损失至关重要。5结语（1）“720”郑州特大暴雨是一场在“烟花”“帕斯卡”双台风作用以及在大气环流形势的影响下，叠加郑州市特殊的地形条件，形成的超千年一遇特大暴雨。在降雨过程中“列车效应”明显，降雨强度远超郑州市城区的排涝能力。（2）城市内涝的起因既有自然因素也有社会因素。在超标准降雨下，洪涝的发生几乎不可避免。但是，郑州市严重的洪涝灾害暴露出城市排水系统在设计和建设中的许多短板，包括雨水和污水混排，城市管道老旧、口径过小，天然蓄泄设施没有得到有效利用，城市化建设过程中土地硬化严重，应急设施和管理措施不完善等。（3）郑州洪涝灾害的发生应给予城市建设诸多启示：在城市建设过程中，应该对城市排水系统等基础设施的建设给予充分重视，完善建立信息化、智能化的预警系统，提升城市整体的防灾减灾水平；在管理方面，有关领导干部应增强风险意识，提升应急指挥能力，完善城市应急管理系统和抢险救援系统，同时，增强全民众的风险意识，提高自救、互助能力。参考文献：1张建云，王银堂，刘翠善，等.中国城市洪涝及防治标准讨论J.水力发电学报，2017，36（1）：1-6.2任建超，谢水波.基于海绵城市建设适宜性与内涝风险性的内涝防控策略研究J.水利规划与设计，2021，34（8）：60-67.3文艳.从海绵城市建设论城市洪涝风险管理体系J.水利发展研究，2016，16（11）：30-34.4王莉红，黄泓杰，崔胜辉，等.河南省“720”洪水灾害时空动态分析J.灾害学，2022，37（3）：205-211.5国务院灾害调查组.河南郑州“720”特大暴雨灾害调查报告R.北京：国务院灾害调查组，2022.6彭玮怡，薛宇峰，刘春雷.河南郑州“720”极端暴雨成因分析J.水利水电快报，2022，43（12）：8-15.7李娜，胡亚林，张念强.我国城市防洪体系建设与成就J.中国防汛抗旱，2019，29（10）：20-24.8国家防汛抗旱总指挥部办公室，中国水利学会减灾专业委员会.中国城市防洪（第一卷）M.北京：中国水利水电出版社，2008.学报，2022，41（8）：80-86.10王陇，宋孝玉，李蓝君，等.黄土高原沟壑区典型小流域径流变化趋势及归因分析J.水土保持研究，2021，28（4）：48-53.11张嘉仪，钱诚.1960-2018年中国高温热浪的线性趋势分析方法与变化趋势J.气候与环境研究，2020，25（3）：225-239.12裴金萍，马新萍.近50年来渭河干流中段径流变化特征研究J.干旱地区农业研究，2013，31（6）：214-219.13刘洋，韩晓旭，李丽娟.1980-2018年曹娥江中上游径流变化特征及归因分析J.水资源与水工程学报，2022，33（6）：53-61.14孙毅.气候变化与人类活动对大凌河流域水文水资源影响研究J.水利规划与设计，2018，31（4）：61-63.15赫晓慧，郑紫瑞，高亚军.降水和人类活动对北洛河径流变化的定量化研究J.水土保持研究，2017，24（3）：125-129.（上接第4页）2023年第6期甘肃水利水电技术第59卷 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