1、DOI:1016616/jcnki10-1326/TV20230803黑河流域水文特征时空变异规律研究高华峰1 宋向旭2 周 帅2(1 晋中市水文水资源勘测站,山西 晋中 030600;2 河北工程大学,河北 邯郸 056038)【摘 要】气候变化和人类活动双重作用显著改变了径流的时空分配规律,流域水情发生改变,必将增加水库安全风险,给水利工程带来严峻挑战。因此,本文以受气候变化和高强度人类活动影响的黑河流域为研究对象,采用Pettitt 突变检验、一元线性回归等方法,有效识别上中游之间径流的突变性和趋势性变化特征,并计算了 11 种水文特征指标,精准揭示由变化环境所导致的“水文一致性”的水文
2、极值变异特征。结果表明:黑河流域年径流量于 20世纪90 年代发生变异,其中莺落峡和正义峡水文站年径流量变异时间分别为1993 年和1989 年;同时,径流变异对水文极值的影响较大,尤其是极端高流量,且对中游的影响大于上游。研究结果对于制定变化环境下应对策略和防洪抗旱具有重要作用,可为科学开展水资源管理规划提供重要理论支撑。【关键词】非一致性;水文特征;水文改变度;黑河流域中图分类号:P331 文献标志码:B 文章编号:2096-0131(2023)08-014-06Research on the Spatiotemporal Variation Patterns of Hydrologica
3、lCharacteristics in the Heihe River BasinGAO Huafeng1,SONG Xiangxu2,ZHOU Shuai2(1.Jinzhong Hydrology and Water Resources Investigation Station,Jinzhong 030600,China;2.Hebei University of Engineering,Handan 056038,China)收稿日期:2023-03-06网络首发地址:http:/ 年度河北省高等学校科学研究青年项目(QN2023064)作者简介:高华峰(1977),男,高级工程师,主
4、要从事山洪灾害系统评价、水文系统工程研究工作。Abstract:The combined effects of climate change and intensive human activities have significantly altered thespatiotemporal distribution of runoff,leading to changes in water conditions in river basins and increasing safety risks forwater conservancy projects.This paper focuse
5、s on the Heihe River Basin,where climate change and high-intensity humanactivities have had a significant impact.Through the application of methods such as Pettitts test for abrupt changes andsimple linear regression,the paper effectively identifies the characteristics of both abrupt changes and tre
6、nd variations inrunoff between the upper and middle reaches.Additionally,11 hydrological characteristic indices are calculated to revealthe hydrological extreme variation patterns resulting from the changing environment,known as“hydrological consistency”.The results indicate that the annual runoff i
7、n the Heihe River Basin exhibits variability over a 90-year period,with the years1993 and 1989 marking the occurrence of significant changes in annual runoff at the Yingluoxia Hydrological Station andZhengyixia Hydrological Station,respectively.Moreover,the paper highlights the significant impact of
8、 runoff variability on41hydrological extremes,particularly on extremely high flow,with a greater influence observed in the middle reachescompared to the upper reaches.These findings are crucial for developing strategies to address changing environmentalconditions and to mitigate flood and drought ri
9、sks.They also provide important theoretical support for scientific waterresource management and planning.Key words:inconsistency;hydrological characteristics;degree of hydrological change;the Heihe River Basin 水文特征,用以揭示流域水文要素、下垫面变化的时空变异性,并诊断水文模型建模的认知缺陷1-2。然而,在气候变化与人类活动影响下,流域水情发生改变,其必将增加水库安全风险,给水利工程带
10、来严峻挑战。一致性条件下的流域洪水计算结果将不再适用3-4。因此,从流域层面研究“水文一致性”的水文极值变异规律,对流域洪水预报、抗旱减灾工作的顺利开展具有现实意义。众多国内外学者针对水文特征指标开展了大量研究,并取得了丰硕成果。例如,李欢玮等5以渭河流域咸阳、华县和氵 状头三个水文站为例,采用 IHA-RVA 法综合评估河川径流水文指标改变程度,揭示了人类活动对水文情势的影响。陈秀秀等6选取黄河干流龙羊峡、小浪底两个代表性水库,利用水文改变度指标揭示水库运行对河流水文情势影响。王国庆等7采用两参数水量平衡模型,利用纳什效率系数和模拟总量相对误差两个水文指标,揭示了气候变化对水文过程的影响。杨
11、大文等8基于水热耦合平衡方程(Budyko),利用气候弹性和下垫面弹性指标精准识别出黄河流域径流变化的主要原因,并揭示人类活动对中下游的影响大于上游,且人类活动影响大于气候变化影响。班璇等9采用变化范围方法(RVA),量化了三峡蓄水后长江中游流域水文特征的时空变异特征及其对生态的影响。纵观过往研究发现,多数研究侧重于某一流域的水情变化,而针对变化环境所导致的“水文一致性”的水文极值变异规律方面研究不足。故此,本文以受气候变化和人类活动影响大的黑河流域为研究对象,充分考虑流域尺度气候和下垫面要素的空间异质性,以莺落峡水文站出山口以上为上游和莺落峡至正义峡之间为中游,将黑河流域划分为两个子流域;采
12、用 Pettitt 突变检验、一元线性回归等方法,有效识别上中游之间径流的突变性和趋势性变化特征;最后,基于 11 种水文特征指标,精准揭示由变化环境所导致的“水文一致性”的水文极值变异特征。1 区域概况及数据收集黑河发源于祁连山脉,干流总全长 928km,莺落峡出山口以上为黑河上游,属于典型的高海拔山区,平均海拔高达 3000m 以上,是黑河流域的重要产流区10-11。上游流域总集水面积为 10009km2,19702014 年多年年均径流量为 15 6 亿 m3。莺落峡至正义峡之间为黑河的中游,河道长 204km,两岸地势平坦,多年平均温度 6 8,年降水量为 140mm,为典型干旱区,而
13、正义峡以下为黑河的下游,大部分区域为沙漠戈壁,年降水量仅有为 47mm,属极端干旱区;受气候变化和人类活动影响较小,水情变化不凸显,故不考虑下游非一致条件对其水文过程的影响,黑河流域示意图见图 1。图 1 黑河流域地理位置示意图51高华峰等/黑河流域水文特征时空变异规律研究 本文收集流域内部及周边 14 个气象站点 19702014 年逐日降水量和气温数据,并从相关机构收集到同期莺落峡和正义峡实测径流资料。2 研究方法2 1 Pettitt 突变检验方法Pettitt 突变检验方法是识别水文序列突变点的非参数检验方法12,其在有效诊断水文时序突变情况的同时,还可检验突变是否具备数学统计意义上的
14、显著性,拟定统计量 Ut,n:Ut,n=Ut-1,n+ni=1sgn(xt-xi)(t=2,3,n)(1)Kt,n=max1tnUt,n(2)p=-2exp-6K2t,n/(n2+n3)0 05(3)式中:Kt,n为最大统计量;xt、xi为序列中的随机变量;n为序列总长度;p 为显著性检验指标。2 2 流域水情评估指标基于流域气象和水文数据,计算了 11 种水文特征指标(总径流比、径流降水弹性、基流指数、低流量、高流量、低流量历时曲线斜率、中流量历时曲线斜率、高流量历时曲线斜率、高流量发生的频次、低流量发生的频次和自相关性),用以揭示流域的水情变化特征,且对各时间尺度水文过程均较敏感。这些水文
15、特征指标其物理描述见表 1。表 1 流域水情评价指标特 征 指 标符 号物 理 描 述总径流比Rr日平均流量与降水量之比径流-降水敏感性QP径流对年尺度降水变化的敏感性基流指数BFI日基流量与径流量之比低流量Q55%百分位数对应的流量高流量Q9595%百分位数对应的流量低流量下历时曲线斜率FDC_L低流量时段内某个流量与等于或大于该流量所对应的概率中流量下历时曲线斜率FDC_M中流量时段内某个流量与等于或大于该流量所对应的概率高流量下历时曲线斜率FDC_H高流量时段内某个流量与等于或大于该流量所对应的概率高流量频次Fh流量值大于日平均流量 9 倍所对应的天数低流量频次Fl流量值小于日平均流量
16、0 2 倍所对应的天数自相关性AC1水文过程线与滞后 1 天水文过程线的相关性系数3 结果与讨论3 1 径流年际变化特征3 1 1 年际尺度径流突变检验结果图 2 为采用 Pettitt 方法识别的黑河流域上中游径流突变检验结果。可以看出,上中游对应的莺落峡水文站和正义峡水文站均发生了显著突变,其突变年份分别为 1993 年和 1989 年。同样,由黑色曲线变化过程可以看出,在径流变异前,二者径流量均呈增加趋势变化特征,且通过了 95%显著性水平检验,但径流变异后径流呈微弱下降趋势。而上游和下游径流突变年份不同可能归因于上游属于高寒融雪区,受气候变化影响较大;中游属于平原区,受人类活动影响较大
17、。3 1 2 年际尺度径流趋势性检验结果表 2 和图 3 为采用一元线性回归方法检验得到的黑河流域上中游径流趋势检验结果。首先,由图 2 拟合线可以看出,莺落峡以上流域平均年径流量大于中游(莺落峡至正义峡之间),且随着时间推移,二者之间的差异逐渐增大(由拟合线可知)。由图 3(a)可以看出,上游年径流量整体呈显著增加趋势,且在 19891996 年出现极端低流量事件,即该结论与突变检验结果相一致,而中游年径流量整体呈微弱增加趋势;此外,由 95%置信区间宽度可以看出,19851995 年间径流置信区间宽度最窄,意味着该61图 2 黑河流域上中游径流突变检验结果时期径流量年际变化小。由表 2 同
18、样可以看出,径流变异前后,上游和中游趋势检验结果差异明显。详细结果如下:a 径流突变前,上游和中游水文站的年径流量分别以 8 90m3/(s 10a)速率增加和 0 50m3/(s 10a)的速率递减,径流变异后,二者均呈增加趋势,且前者大于后者。b 径流突变前,上游和中游水文站的年径流量的F 检验统计值分别为 11 15 和 1 22,而径流变异后,其值分别为 28 49 和 21 49。c 总的来说,黑河流域水文情势在流域尺度内具有显著的非一致性变化特征。图 3 黑河流域上中游径流趋势检验结果表 2 黑河流域上中游径流趋势检验统计量取值情况流域阶 段回归模型95%置信区间上限下限R2概率F
19、 统计量上游变异前y=0 89x+40 051 450 330 370 0011 15变异后y=1 60 x-2 652 210 970 550 0028 49中游变异前y=-0 05x+33 330 62-0 510 000 841 22变异后y=0 73x+5 561 060 410 480 0021 493 2 径流变异对不同量级流量的影响本文根据 McMillan 等13研究建议,将径流变异前后不同量级流量下流量历时曲线进行中值处理,可有效解决不同大小集水区中快流、慢流之间的水分配不统一问题。图 4 为黑河流域上中游径流变异对不同量级流量71高华峰等/黑河流域水文特征时空变异规律研究
20、的影响结果。可以看出:a 径流变异后,极端高流量值均增大,且发生频次增加,这与近年来的极端洪涝灾害事件增多相吻合。b 由变异前后的流量历时曲线(FDC)可以看出,气候变化和人类活动不仅改变了洪峰流量大小,也改变了水文过程(曲线平滑度降低);对于上游,超越概率为0 10 时,其流量值与其中位数的比值为 4 70,径流变异后,其值为4 85;同理对于中游,径流变异前,其流量值与其中位数的比值为 2 50,径流变异后,其值为 3 05。c 总之,非一致性条件对中游水文过程的改变度大于上游,且上中游极端高流量洪水事件均呈增加趋势,应予以重视。图 4 黑河流域上中游径流变异对不同量级流量的影响3 3 非
21、一致条件对上中游水文过程的影响表 3 为径流变异前后水文特征值变异结果。可知:非一致条件下,11 种水文特征指标均发生了不同程度改变,其中总径流比 Rr 变化最大,如径流变异前后,中游 Rr 值分别为 167 02 和 139 46;同时,对上中游低流量的影响也较大;如径流变异前后,上游 Fl 值分别为 0 02 和 0 12,中游 Fl 值分别为 0 24 和 0 33。由采用数字滤波 Chapman-Maxwell 方法13得到的基流指标(BFI)表明,径流变异后,上游和中游的 BFI值分别改变了 0 03 和 0 07,即中游基流量对总径流量的贡献减少程度更大,这与流域径流的增加相反,意
22、味着人类活动、水利工程等影响显著改变了地下水文过程。表 3 径流变异前后水文特征值变异结果水文特征指标径流变异前径流变异后上游中游上游中游Rr66 33167 0263 76139 46QP0 64-0 051 590 19BFI0 670 640 680 61Q511 200 000 000 00Q95155 0081 20145 0088 70FDC_L-1 86-0 43-2 20-0 14FDC_M-3 28-2 28-2 70-3 39FDC_H-69 86-47 89-76 37-65 26Fh0 010 000 020 01Fl0 020 240 120 33AC10 920 8
23、80 920 8881 此外,由水文过程线与滞后 1 天水文过程线的相关性系数(AC1)和高流量频率 Fh 可知,径流变异改变上中游的极端高流量,但未显著改变流域水文过程。总之,非一致性条件下黑河流域的水文规律发生了较大改变,尤其是对极端水文特征指标的影响较大。4 结 语本文以受气候变化和人类活动影响大的黑河流域为研究对象,充分考虑流域尺度气候和下垫面要素的空间异质性,将黑河流域划分为两个子流域,采用Pettitt 突变检验、一元线性回归等方法,有效识别上中游之间径流的突变性和趋势性变化特征。最后,基于11 种水文特征指标,精准揭示非一致性条件下流域水文特征的时空变异规律。结果表明:a 上中游
24、对应的莺落峡水文站和正义峡水文站均发生了突变,其突变年份分别为 1993 和 1989 年,且通过了 95%置信水平显著性检验;同时 19851995 年间莺落峡和正义峡水文站年径流量出现极端低值区,整体来讲年径流量呈弱增加上升趋势变化规律。b 径流变异改变了流量历时曲线(FDC)的极端高值区,且近年来极端高流量呈增大趋势;同时,中游的极端高值改变量大于上游。参考文献1 ADDOR N,NEARING G,PRIETO C,et al.A ranking ofhydrological signatures based on their predictability in spaceJ.Wate
25、r resources research,2018,54(11):8792-8811.2 QU Y M,WU N.C,GUSE,B,et al.Distinct indicators of landuse and hydrology characterize different aspects of riverinephytoplanktoncommunitiesJ.Scienceofthetotalenvironment,2022,851(P2):158209.3 周乐,王瑞,江善虎,等.生态相关水文指标的优选及其演变归因分析J.生态学报,2022,42(17):7068-7079.4 洪岱
26、,杨涛,郑鑫,等.考虑过程变化的黄河河口区水文情势变化评价J.水电能源科学,2022,40(8):22-25,164.5 李欢玮,赵广举,穆兴民,等.渭河水文情势变化评估及归因分析J.水土保持研究,2023,30(1):91-96,105.6 陈秀秀,叶盛,潘海龙,等.水库运行对河流水文情势影响分析 以龙羊峡、小浪底水库为例J.中国农村水利水电,2022(10):96-104.7 王国庆,乔翠平,王婕,等.全球变化下澜沧江-湄公河流域水量平衡模拟J.大气科学学报,2020,43(6):1010-1017.8 杨大文,张树磊,徐翔宇.基于水热耦合平衡方程的黄河流域径流变化归因分析J.中国科学:技
27、术科学,2015,45(10):1024-1034.9 班璇,姜刘志,曾小辉,等.三峡水库蓄水后长江中游水沙时空变化的定量评估J.水科学进展,2014,25(5):650-657.10 唐娜,薄鑫.不同基流分割方法在黑河流域的应用J.水文,2012,42(5):47-50.11 刘浏,刘丽丽,索滢.近 53a 黑河流域水文气象要素时空演变特征J.干旱区研究,2017,34(3):465-478.12 张应华,宋献方.水文气象序列趋势分析与变异诊断的方法及其对比J.干旱区地理,2015,38(4):652-665.13 MCMILLAN,HWESTERBERG,IBRANGER F.Five g
28、uideli-nes for selecting hydrological signatures J.Hydrologicalprocesses,2017,31(26):4757-4761.(上接第 13 页)4 淦峰,唐琳,郭怀成,等,湖泊生态水位计算新方法与应用J.湖泊科学,2015,27(5):783-790.5 崔保山,赵翔,杨志峰.基于生态水文学原理的湖泊最小生态需水量计算J.生态学报,2005,25(7):1788-1795.6 陈玥,管仪庆,苗建中,等.基于长期水文变化的苏北高邮湖生态水位及保障程度 J.湖泊科学,2017,29(2):398-408.7 徐志侠.河道与湖泊生态需
29、水理论与实践M.北京:中国水利水电出版社,2005.8 潘扎荣,阮晓红.淮河流域河道内生态需水保障程度时空特征解析J.水利学报,2015(3):280-290.9 ANDREA J H.Implementation of a GIS to assess the effects ofwater level fluctuations on the wetland complex at Long Point,OntarioD.Waterloo:University of Waterloo,2003.10 郁丹英,贾利.关于洪泽湖生态水位的探讨J.水利规划与设计,2005(2):56-60.11 陈昌才.巢湖水生植物对生态水位的需求研究J.中国农村水利水电,2013(2):4-7.91高华峰等/黑河流域水文特征时空变异规律研究
