汉江上游径流演变趋势及影响因素分析

汉江上游径流演变趋势及影响因素分析1
李桃英1，殷峻暹2，张丽丽3，赵红莉2（1.陕西省水文水资源勘测局，陕西西安710068；2.中国水利水电科学研究院水资源研究所北京100038；3.河海大学水文水资源学院，江苏南京210098）
摘要：根据1950～2007年汉江上游安康水文站的实测资料，分析汉江上游径流的变化趋势，重点分析1990年后汉江上游径流量锐减的主要
原因，包括降水量减少、气温升高、下垫面变化、耗水增加以及水资源
开发利用等因素。

关键词：汉江; 径流; 演变趋势
汉江是长江最大支流，发源于陕西宁强县磻冢山，甲河口以上称为汉江上游，集水面积59115km2，本次研究选用汉江上游的安康水文站，
集水面积38625km2，占汉江上游面积的65％，可基本代表汉江上游径流
变化趋势。

1 径流演变趋势
汉江上游流域以山地为主，处于我国西部平原向青藏高原过度地带，气候温和湿润，有明显的季节性，是南北气候分界的过渡地带，流域内植被良好，降水较为丰沛，但时空分布不均，年际变化大。

汉江上游年径流的地区分布和降水量大体一致，汛期径流占年径流80％左右。

1.1 径流年际变化
汉江上游流域位于夏季风活动边缘带，具有东亚季风带一般河流的特点，径流主要由降水补给。

逐年间季风形成的降水，其年降水量或降水过程的年际变化均比较大，直接影响汉江上游流域年径流量变化，具有不稳定的特性；并且由于各年之间季风强弱不同，来去的迟早和停留的时间长短不等，逐年降水与径流也不相同，有多水年和少水年之分，最大水年与最小水年相差较大[1]。

安康站多年平均径流量187.2×108m3，其中最大水年1983年径流量411.0×108m3，最小水年
基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目（2006BAB04A07、2008BAB29B08）、国家自然科学基金创新研究群体科学基金项目（50721006），国家重点基础研究发展计划（973计划）（2006CB403404）。

作者简介：李桃英（1963―），女，陕西西安人，高级工程师，学士，“西部之光”访问学者，主要从事水文水资源工作。

1999年径流量78.2×108m3，最大值与最小值之比为5.3，最大值与均值之比为2.2，最小值与均值之比为0.42。

其径流量年际间的变化详见图1，从图1可以看出，1990年前，各年径流量围绕均直线上下波动，且其变化呈上升趋势，但到1990后，除个别年份在均值以上外，其余各年均在年多均值线之下波动，并且呈下跌趋势，进入21世纪这种下跌趋势才有所缓解。

图1 汉江安康站多年径流量变化过程
1.2 径流年代际变化
径流量的变化在各年代也表现出不同，20世纪50年代、60年代均处于丰水年，70年代处于平水年，80年代处于丰水年，而进入90年代径流量处于最枯水年，到了21世纪仍处于枯水年。

详见表1。

表1 汉江安康站水文要素年代际变化
年代年径流量
/108m3
距平
/％
汛期径流量
/108m3
距平
/％
降水量
/mm
距平
/％
气温
/℃
50年代200.9 7.3 161.9 9.6 838.6 0.4 15.74 60年代212.7 13.6 162.7 10.2 854 2.2 15.74 70年代171.7 -8.3 135.2 -8.5 817 -2.2 15.82 80年代235.7 25.9 197.5 33.7 905 8.3 15.42 90年代138.3 -26.1 102.1 -30.9 733.1 -12.3 15.94 21世纪158.1 -15.5 121.3 -17.9 873.7 4.6
均值187.2 147.7 835.6
1.3 汛期（5～10月）径流变化
多年平均汛期径流量147.7×108m3，占多年平均年径流量的78.9%。

其年际变化也和年径流量的年际变化一致，详见图1。

从图1可以看出，1990年以前汛期径流量在年际间呈增长趋势，90年代锐减，但在进入21世纪后这种锐减趋势有所缓解。

从各年代变化分析，汛期径流量的变化也和年径流量的变化一致。

但将年径流量和汛期径流量年代变化距平相比较，除60年代汛期径流量距平小于年径流量外，其余各年代均大于年径流量距平，这说明60年代汛期径流量集中程度小于其它年代。

汛期径流量距平与年径流距平相差较大的是80年代，这可能也是80年代汉江上游洪涝灾害多的原因，90年代到21世纪，汛期距平绝对值大于年径流量距平绝对值，说明枯水年主要由汛期产生。

详见表1。

2 径流演变趋势分析
2.1 年径流累积曲线分析
用径流量的累积曲线分析汉江上游流域的径流变化趋势。

关于径流量累积曲线，对于正常的水文年份，如果不受外界人类活动干扰，各年的来水量虽然有丰枯变化，径流累积点据会有波动，但没有系统偏离。

如果受到外界人类活动影响，径流累积点据就会发生明显的系统偏离。

绘制安康站实测径流量累积曲线，如图2。

由累积曲线斜率变化可以看出汉江上游径流量在1990年发生明显的一致性变化。

1990年以前累积曲线上的点据微有波动，累积曲线基本呈一直线；之后累积曲线上的点据逐渐偏离，并且偏离趋势逐渐增大，这说明在1990年以前汉江上游基本不受人类活动影响，而1990年以后受到影响，而且人类活动对汉江上游的影响逐渐加大。

图2 汉江安康站径流量累积曲线
为此，以1990年作为径流量的分界点，将安康站分为两个序列，即1950～1989年序列和1990～2007年序列。

对两个序列进行分析，以1950～1989年径流量资料作为基准期，将1990～2007年序列再按年代进行划分，分为20世纪90年代（1990～1999）、21世纪（2000～2007）两个时段，分别比较径流量的变化，计算结果见表2。

由表2可以看出，20世纪50～80年代汉江上游安康站年均实测径流量205.3×108m 3，90年代、21世纪径流量分别减少了67.0×108m 3、47.2×108m 3。

1990～2007年序列减少58.2亿m 3，其减少量占1990～2007年实测量的39.6％。

与此同时，对汛期径流量变化也做相应的分析，详见表2。

从表2可以看出，90年代后汛期径流量的减少比例超过年径流量的减少比例。

也就是说，90年代后汉江上游年径流量的减少比汛期径流量减少贡献率较大。

表2 汉江上游安康站各时段径流变化 时段
全年径流系列
汛期径流系列
实测 /108
m 3
减少 /108
m 3 占比例 /％ 实测 /108
m 3 减少 /108
m 3 占比例 /％ 1950～1989 205.3 - - 164.3 - - 1990～1999 138.3 67.0 48.4 102.1 62.2 60.9 2000～2007 158.1 47.2 29.9 121.1 43.2 35.7 1990～2007
147.1
58.2
39.6
110.6
53.7
48.6
2.2 Mann-Kendall 检验法分析
非参数Mann-Kendall （以下简称M-K 法）趋势分析及突变检验法是来评估气候要素时间序列趋势的检验方法，以适用范围广、人为性少、定量化程度高而著称，其检验统计量公式是：
∑∑=-=-=
n
i i j j i
X X
sign S 2
1
1
)(
其中，sign()为符号函数。

当X i －X j 小于、等于或大于零时，sign(X i －X j )分别为-1、0或1；M-K 统计量公式S 大于、等于、小于零时分别为:
⎢⎢⎢⎣
⎡<+-+=>+--=0
18
/)52)(1(/)1(0
018
/)52)(1(/
)1(S n n n S S S n n n S Z
Z 为正值表示增加趋势，负值表示减少趋势。

Z 的绝对值在大于等于1.28、
1.64、
2.32时表示分别通过了信度90％%、95％、99％显著性检验。

当用M-K 法来检验径流的突变时，其统计量为：设有一时间序列如下：
x 1,x 2,x 3,……,x n ，构成一秩序列m i ,m i 表示x i ＞x j (1≤j ≤i )的样本累积数。

定义d k ：
)2(N k m
d k
i
i
k ≤≤=
∑
d k 均值以及方差定义如下：
[]4
)
1(-=
k k d E k
Var [d k ]=
)2(72
)
52)(1(N k k k k ≤≤+-
在时间序列随即独立假定下，定义统计量：
UF k =
[][]
)321(var n k d d E d k k k ，┈┈，，，=-
这里UF K 为标准正态分布，给定一显著性水平α0，查正态分布表得临界值t 0，当UF K ＞t 0，表明序列存在一个明显的增加或减少趋势。

把此方法引用到反序列中，再重复计算上述计算过程，并使计算值乘以-1，得出UB k 。

UB k 在图中表示为C 2，当曲线C 1超过信度线，即表示存在明显的变化趋势时，若C 1和C 2的交点位于信度线之间，则此点就是突变点的开始。

2.2.1 年径流量趋势分析
用M-K 检验法对汉江上游年径流量进行检验。

安康站50年代以来计算的Z 值为-1.45，说明径流量程减少趋势通过90％信度检验，减少较明显。

90年代以前计算的Z 值为0.22，说明径流量成增加趋势，但不显著。

2.2.2 年径流量突变分析
利用M-K 检验突变分析了汉江上游径流变化趋势，见图3。

表明安康站径流时间序列突变发生时间在1990年，说明从1990年开始汉江上游年径流进入减少变化趋势，这个也可以从径流累积曲线分析得到印证。

图3 汉江安康站M-K 突变检验计算图
3 径流演变趋势成因分析
河川径流主要受流域气候变化和人类活动引起下垫面变化的影响，气候变化引起降水量的减少，是河川径流减少的主要原因；人类活动亦受气候因素影响，气候的变化加剧了人类活动的作用。

具体由降水减少、气温增高（蒸发加大）、下垫面变化、社会经济耗水和水资源开发利用等方面原因造成。

3.1 降水量减少引起径流量减少
降水是气候变化中影响径流变化的直接因子。

在全球气候变暖背景下，水循环发生了变化，表现为加速的趋势，因而降水与径流集中和年变化大，使得水资源对气候变化影响特别脆弱，主要表现为降水和河川径流量减少。

实测资料证明20世纪90年代成为有史以来最热的年代，降水量极端，部分地区径流减少，中国内陆中纬度地区气候暖干化使地表径流减少趋势很明显[2]。

汉江上游流域年降水量减少，敏感的反映在径流量的减少上，见图4。

20世纪90年代汉江上游进入一个较长的枯水周期。

1990～1999年10年系列平均降水量为733.1mm，较1950～1989年40年系列均值（853.6mm）减少120.5mm，减幅16.4％，1990～2007年18年系列平均值795.6mm，较1950～1989年40年系列均值减少58.0mm，减幅7.3％。

90年代的10年年降水量系列中，除1996年降水量大于多年均值外，其余均小于多年均值，其中1999年仅为501.1mm。

图4 汉江安康站多年降水量变化过程线
再从降水量～径流量相关分析，见图5。

安康站降水量与径流量相关系数为0.74，相关较好，说明降水量对径流量的影响起了一定的作用。

图5 安康站径流量-降雨量相关分析
3.2 气温升高引起径流量的减少
气象部门多项研究表明，20世纪90年代以来，全球气温升高，汉江上游流域也因此受到一定影响。

统计安康气象站各年代气温变化情况，详见表1，从表1可以看出，90年代是全系列的最高值。

气温升高，一方面导致区域潜在蒸发能力加大，同时加大土壤水分亏缺程度，导致土壤长期处于水分亏缺状态。

在这种情况下，降水更多的转化为非饱和土壤水，而不形成地表或饱和地下径流[2]。

3.3 下垫面的变化引起径流量的减少
90年代后，国家实施封山育林政策，使一部分耕地转化为林地，增加了土壤含水率，使产流系数减小，引起径流量的减小。

3.4 社会经济耗水量增加引起径流量的减少
随着社会经济的发展，城镇人口的增加，工农业及居民生活用水在不断增加，据中国国际工程咨询公司与中国水利水电科学研究院水资源所《人类活动影响下的丹江口水库入库水量分析预测研究》成果，2000年安康以上地区总用水量为21.32×108m3，其耗水量为11.98×108m3，用水消耗率平均为56.2％，即在总用水量中仅有43.8％的用水回归自然。

3.5 水资源开发利用引起径流量的减少
汉江上游水资源特别丰富，开发利用程度较大。

安康站以上大中型水库较多，水库水面面积增加，从而间接影响径流，此外水库的蓄水作用还会使径流在空间和时间上发生变化。

90年代以前仅有石门、石泉2个大型水库，90年代以后增加了安康（大一型，1989年11月下闸蓄水）、喜河、蔺河口等3个大型水库，其中安康水库为多年调节水库，对径流量的时间分配影响较大。

大小水电站不计
其数，仅汉中市2005年底大小水电站就有615处。

4 结语
20世纪90年代以前，汉江上游径流呈现增加的趋势，但到了1990年后径流量锐减，进入21世纪径流量也在减少，但减少趋势有所缓解。

从降水来看，90年代减少十分显著，径流变化受降水影响很大，降水量的减少主要受气候条件的影响。

全球气候变暖使得年降水量减少，气温增高加大了土壤蒸散发量，不利于径流的形成。

因此，1990年后汉江上游径流量减少主要原因为降水量的减少、气温的增高、下垫面的变化、社会经济活耗水的增加和水资源开发利用等方面因素的影响。

参考文献:
[1]查小春. 全球气候暖干化对秦岭南北河流径流泥沙的影响研究[J].干旱区研究2002，(3).
[2]张健云,王金星,李岩,等. 近50年我国主要江河径流变化[J]. 中国水利.2008，(2)．
[3]秦年秀,姜彤,许崇育. 长江流域径流变化及突变分析[J]. 长江流域资源与环境,2005,(5).
Analysis on Runoff Evolution and Its Influential Elements
Upper reaches of Hanjiang
Li Taoying1，Yin Junxian2，Zhang Lili3，Zhao Hongli2
(1 Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Shaanxi Province, Xi’an, Shaanxi, 710068；2 Water Resource Institute, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing, 100038；3 Institute of Hydrology and Water Resources,Hohai University, Nanjing, Jiangsu, 210098）
Abstract：1950 to 2007, according to well-being of the Han River upstream of the measured data of hydrological stations. Analysis of trends in the Han River upstream runoff. Focus on the upper reaches of Hanjiang River after 1990, mainly due to the sharp reduction in runoff. Including reduced rainfall; Temperatures; Underlying change; Increased water consumption and water resources development and other factors.
Keywords：Han River ;runoff; evolution trend。