天然年徑流系列一致性檢驗與修正方法

王秀蘭，王海寧，劉 佳，張曉燁

（1.河北省水文水資源勘測局，石家莊050031；2.中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京100038）

天然年徑流系列一致性檢驗與修正方法

王秀蘭1，王海寧1，劉 佳2，張曉燁1

（1.河北省水文水資源勘測局，石家莊050031；2.中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京100038）

在天然年徑流還原計算的基礎上，采用F檢驗、肯德爾檢驗和雙累積曲線3種方法，對河北省46個代表站（區間）天然年徑流系列進行一致性綜合判別檢驗，并給出了量化判斷標準和判別原則。采用年降雨徑流關系線法對天然年徑流系列進行了一致性修正。

天然年徑流系列；一致性檢驗；年降水徑流關系

近年來水資源公報數據表明，河北省地表水資源量減少態勢相當明顯。2000～2014年系列均值與2000年評價成果［1］對比，全省平均降水量減少了8.2%，而地表水資源量從120億m3減少到57.8億m3，降幅高達51.9%，表明下墊面條件的變化對天然年徑流量產生了巨大影響。這種影響可能導致天然年徑流系列不再具有一致性。因此，在進行水資源評價時必須對天然年徑流系列進行一致性檢驗分析。然而，系列的一致性檢驗方法很多［2］，不同方法可能給出完全不一樣的結果。如何綜合判別天然年徑流系列是否具有一致性，對不具有一致性的系列如何進行必要修正，是正確進行區域水資源評價的基礎。

1 一致性檢驗的綜合分析方法

在河北省境內山丘區10個水資源流域三級區內選擇評價所需要的代表性水文站或區間進行分析。共選用代表站（區間）46個，其中16個為區間站。采用資料系列為1981～2015年。

本次采用F檢驗法和肯德爾檢驗方法［3-4］及雙累積曲線法3種方法相互驗證，綜合判別系列是否具有一致性。3種方法的檢驗統計結果如表1。

表1 3種方法檢驗結果

3種方法均能給出系列是否具有一致性檢驗結果，但由于各種方法的局限性，結果不盡相同，在工作中需根據實際情況進行綜合判斷。F檢驗法和雙累積曲線法均能給出產生顯著性變化年份，而肯德爾檢驗則不能給出具體變化年份。檢驗結果表明，F檢驗法較肯德爾檢驗方法更加敏感。在46個站檢驗結果中，相同置信度水平（a=0.05）下，F檢驗法有26個而肯德爾檢驗法有13個站檢驗結果有顯著性變化；但肯德爾檢驗能剔除1996年大水對結果的影響，這樣的大水年份在F檢驗中有15個站檢驗出有顯著性變化；兩種方法檢驗結果有交叉，并非完全吻合，2個站F檢驗結果不顯著而肯德爾檢驗則呈顯著性下降趨勢。雙累積曲線法直觀性更好，點群斜率定量化更準確，且能直觀給出產生顯著性變化年份。缺點是定線可能受人為經驗因素影響。

1.1 綜合判定系列一致性方法

（1）3種檢驗結果均判定系列具有一致性，則系列一致性良好。

（2）雙累積曲線法斜率變化小于10%時，則系列具有一致性。

（3）3種檢驗結果不一致時，以雙累積曲線為主，其他兩種方法作為參考。

1.2 顯著性變化年份判定方法

（1）確定顯著性變化年份應盡量避開特殊豐水年份，數理統計方法對特殊豐水年份很敏感，往往給出錯誤判定，主要選用雙累積曲線法，根據斜率交叉點確定顯著性變化年份。

（2）如果一個水系或流域大部分站點突變年份相同或圍繞在某一年前后，則統一確定該年份為該水系或流域的突變年份。

（3）根據各水系或流域的突變年份綜合確定全省山丘區的突變年份。

按照上述方法確定46個代表站中，天然年徑流系列僅9個具有一致性代表站，37個不具有一致性代表站。各水系或流域的突變年份多發生于1998，2000，2001年。經綜合分析，確定2000年為全省系列一致性顯著性變化年份。

2 一致性修正方法

2.1 降水徑流關系線的建立

降水徑流經驗相關法是分析降水徑流問題的一種常規經驗方法，是在成因分析與統計相結合的基礎上，以流域面平均降水量和相應的徑流量，以及主要影響因素建立的一種定量關系圖。對37個天然年徑流系列檢驗不一致的站分1981～2000年和2001～2015年兩個時段建立降水徑流關系圖，以進一步判定系列是否需要進行一致性修正。雖然根據文中介紹的方法判定系列不具有一致性，但這種判定仍有不確定性，需要點繪降水徑流關系圖從點群分布的情況進一步做出判斷。如果兩條關系線距離較近，按照最小修正量原則，則沒必要進行系列一致性修正處理。判定標準為兩條關系線是否有明顯分離及分離程度，以1981～2015年平均降水量在兩段關系線上查得徑流深變幅來衡量，如果變幅小于10%，則認為該站徑流系列一致性修正量較小，無需進行修正處理。經比對分析，符合該條件的站有12個。

在選定的46個站中，不需修正處理的共21個，主要分布在漳河山區、滏陽河山區、滹沱河山區和冀東沿海山區。25個需要修正的站主要分布在潮白河山區、薊運河山區、永定河山區及大清河山區北支和南支。地域分布來看，以大清河山區為界，其以北地區需要進行修正，以南地區和冀東沿海山區具有一致性，不需修正。

25個站兩段關系線呈明顯分離趨勢，2000年后關系線明顯左移，且大部分站點據集中在中低水區域，高降水點據少。年降水徑流關系圖中兩條關系線的線型具有明顯的流域分布特征。大清河山區、薊運河山區各站降水徑流相關性密切，相關系數達0.8以上，兩段線型基本一致，隨著降水量增大，徑流變化率減少，到降水高值點，線型趨向為45°平行線。永定河山區、潮白河山區點據比較散亂，隨著降水的增加徑流并沒有明顯增大，尤其是永定河山區關系線較陡，靠近縱軸。灤河山區2000年前系列降水徑流關系密切，關系線趨于45°平行線，但2000年后部分站降水徑流關系發生變化，兩段關系線呈現低水合、高水分的喇叭口現象。如圖1～圖4。

圖1 紫荊關站降水徑流關系

圖2 平口站降水徑流關系

圖3 張家口站降水徑流關系

圖4 承德站降水徑流關系

2.2 一致性修正注意的問題

根據建立的兩系列降水徑流關系線，讀取1980～2000年降水量對應的徑流量，兩線徑流量的差值即為修正量。將1980～2000年徑流量減去該差值，即得修正后的徑流量。修正時需要特別關注以下2種情況：一是本次突變年份全省統一為2000年，而有些站實際突變年份在2000年以前，如果這幾年為枯水年，再修正勢必造成點據比現狀系列還要偏左，此時年徑流不再修正。二是關系線外延應控制在一定范圍。2001～2015年降水徑流點據中特殊豐水年份很少，應注意關系線外延幅度不應超過點據最大值的10%，此時為最大修正量。若2000年前點據有超過2001～2015年降水徑流關系線外延10%以上的，仍采用最大修正量。

按照上述方法，得出25站修正后的年徑流系列。修正相對量較小的分布在灤河山區柳河李營和大清河南支磁河橫山嶺水庫，1981～2000年平均修正變幅接近10%；永定河山區東洋河友誼～柴（東）區間修正變幅46.3%為最大?？傮w來看，整個大清河山區修正量和修正變幅最小，薊運河山區修正量最大，永定河山區修正變幅最大。如表2。

表2 各代表站（區間）修正范圍統計

3 徑流系列不具有一致性的原因分析

造成上述結果的原因主要是由于下墊面條件變化所致。近年來，河北省以建設綠色河北為目標，大力推進京津風沙源治理、退耕還林，實施三北防護林、太行山綠化等重點工程建設，植被覆蓋率不斷增加，水土保持措施不斷完善［5］，流域的土地貢獻率不斷增大［6-7］。這種大規模的工程建設使得流域下墊面條件發生較大變化，降水徑流關系更加散亂，一定程度上破壞了原來的一一對應關系。降水徑流關系與降雨強度的關系更加緊密，而相近的降水量所產生的徑流量則差別較大。實測年徑流量整體呈現逐漸遞減的趨勢，次降水小雨基本不產流，中雨和大雨產生的徑流量也明顯減小。所修建的谷坊、攔沙壩、魚鱗坑等水保工程措施，以攔泥於地、攔截坡面徑流為目的，隨著時間推移，其攔蓄效果不斷變化，這對降水徑流關系的影響是緩慢而長期的。

4 結語

（1）采用多種方法相互驗證，綜合確定天然年徑流系列的一致性分析并進行必要的一致性修正處理，分析成果更加準確、可靠。

（2）46個代表站（區間）中，需要進行一致性修正的共25個。2000年為一致性顯著變化年份。地域分布來看，以大清河山區為界，其以北地區天然徑流系列缺乏一致性，需要進行修正處理，以南地區和冀東沿海山區一致性較好。說明人類活動的影響已經對河北省北部山區的下墊面條件造成了較大影響，一定程度上破壞了徑流系列的一致性。

［1］河北省水利廳.河北省水資源評價［R］.2000.

［2］武曉林.河川徑流系列一致性修正方法探討［J］.山西水利，2004（6）：28-29.

［3］李傳哲，王浩，于福亮，等.延河流域水土保持對徑流泥沙的影響［J］.中國水土保持科學，2011（1）：1-8.

［4］曹潔萍，遲道才，武立強，等.Mann-kendall檢驗方法在降水趨勢分析中的應用研究 ［J］.農業科技與裝備，2008（5）：35-40.

［5］穆興民，高鵬，巴桑赤烈，等.應用流量歷時曲線分析黃土高原水利水保措施對河川徑流的影響［J］.地球科學進展，2008，23（4）：382-389.

［6］李麗娟，姜得娟，李九一，等.土地利用/覆被變化的水文效應研究進展［J］.自然資源學報，2007，22（2）：211-224.

［7］張曉萍，張櫓，王勇，等.黃河中游地區年徑流對土地利用變化時空響應分析 ［J］.中國水土保持科學，2009，7（1）：19-26.

The methods of consistency test and correction for natural annual runoff series

WANG Xiu-lan1，WANG Hai-ning1，LIU Jia2，ZHANG Xiao-ye1
（1.Hydrology and Water Resoures Survey Bureau of Hebei Province，Shijiazhuang 050031， China；2.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038， China）

This paper presents a consistency test of natural annual runoff series for 46 representative stations in Hebei province.With judgment standard and principle， the methods of F test， Kendall test and double mass curve are used to judgment inspection，based on the restoration of natural annual runoff.The line of annual rainfall-runoff relationship is used for improving the the consistency of natural annual runoff series.

natural annual runoff series； consistency check； annual rainfall-runoff relationship

TV121 文獻標識碼：B 文章編號：1672-9900（2017）06-0062-04

2017-09-08

王秀蘭（1966-），女（漢族），河北正定人，正高級工程師，主要從事水資源保護工作，（Tel）13933809176。

王艷肖）