全 文 ：1967—2006 年太子河流域径流系数的变化特征*
邓珺丽1,2 摇 张永芳1,2 摇 王安志1 摇 关德新1 摇 金昌杰1**摇 吴家兵1
( 1 中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110016; 2 中国科学院研究生院, 北京 100049)
摘摇 要摇 利用太子河流域 6 个主要支流(海城河、南沙河、北沙河、兰河、细河、太子河南支)
1967—2006 年日均降水和径流资料,分析了各支流径流系数的变化趋势及其与降水的关系.
结果表明:1967—2006 年,位于高山丘陵区的太子河南支的年均径流系数较大,而人类活动影
响较多的海城河流域的年均径流系数较小;除南沙河的年径流系数总体呈上升趋势外,其余
各条支流的年径流系数均呈下降趋势,以南支和兰河的下降趋势尤为明显;除细河流域的年
径流系数没有发生突变外,其余各条支流的年径流系数都发生了突变,且突变出现的年份各
不相同;年降水量对年径流系数的影响极显著.
关键词摇 径流系数摇 Mann鄄Kendall检验摇 突变摇 太子河流域
文章编号摇 1001-9332(2011)06-1559-07摇 中图分类号摇 P339摇 文献标识码摇 A
Variation characteristics of runoff coefficient of Taizi River basin in 1967-2006. DENG Jun鄄
li1,2, ZHANG Yong鄄fang1,2, WANG An鄄zhi1, GUAN De鄄xin1, JIN Chang鄄jie1, WU Jia鄄bing1
( 1 Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China; 2Graduate
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2011,22
(6): 1559-1565.
Abstract: Based on the daily precipitation and runoff data of six main embranchments (Haicheng
River, Nansha River, Beisha River, Lanhe River, Xihe River, and Taizi River south embranch鄄
ment) of Taizi River basin in 1967-2006, this paper analyzed the variation trend of runoff coeffi鄄
cient of the embranchments as well as the relationship between this variation trend and precipitati鄄
on. In 1967-2006, the Taizi River south embranchment located in alpine hilly area had the largest
mean annual runoff coefficient, while the Haicheng River located in plain area had the relatively
small one. The annual runoff coefficient of the embranchments except Nansha River showed a de鄄
creasing trend, being more apparent for Taizi River south embranchment and Lanhe River. All the
embranchments except Xihe River had an obvious abrupt change in the annual runoff coefficient,
and the beginning year of the abrupt change differed with embranchment. Annual precipitation had
significant effects on the annual runoff coefficient.
Key words: runoff coefficient; Mann鄄Kendall test; abrupt change; Taizi River basin.
*中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX鄄YW鄄Q06鄄2鄄1)、国
家重点基础研究发展计划项目(2009CB421101)和林业公益性行业
科研专项(200804001)资助.
**通讯作者. E鄄mail: cjjin@ iae. ac. cn
2010鄄12鄄20 收稿,2011鄄03鄄17 接受.
摇 摇 径流系数指一定汇水面积上任一时段的径流总
量与该时段降水量之比. 径流系数反映了降水转变
为径流的比例,综合体现了流域内自然地理要素对
降水形成径流过程的影响,可以在一定程度上说明
流域内水循环的程度以及水循环随时间的变化[1] .
有学者认为,可以把径流系数看作一个随机变量,其
分布函数是对流域气候物理机制的一种反映,径流系
数在年内随机变化,不确定性很大,但多年平均径流
系数相对稳定,可以反映流域水循环过程的时空变
化[2] .因此,明确流域径流系数的变化特征对区域水
资源、水循环以及洪涝灾害的分析具有重要意义.
径流系数受自然地理要素的综合影响.目前对
于径流系数的相关研究主要集中在两方面:1)将径
流系数作为参照去研究与之相关的现象,所选研究
区多为试点小流域和试验流域 郾 如穆兴民等[3]利
用试点小流域平行对比观测方法,研究了黄土高原
沟壑区小流域治理对流域地表径流的影响;Kang
等[4]在流域试验点研究了从裸土到不同植被覆盖
应 用 生 态 学 报摇 2011 年 6 月摇 第 22 卷摇 第 6 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2011,22(6): 1559-1565
和耕作方式下各种坡度坡长上的降雨径流关系;
Basic等[5]分析了不同耕作方式下的径流和土壤流
失. 2)对径流系数的变化趋势及其影响因素的分
析.如 Chen等[6]研究了黄河发源地的气候因子对
径流系数的影响,结果表明,降雨和温度是影响径流
系数的主要因素;郭华等[1,7]研究了鄱阳湖流域
1955—2002 年径流系数变化趋势及其与气候因子
的关系.
太子河是辽宁省东部的主要水系之一,流经本
溪、辽阳、鞍山等重要工业城市,该流域是我国重要
的经济区和重工业基地之一,也是辽宁省重要的产
粮区,人类活动强烈,目前对该流域径流资料的相关
研究尚鲜见报道.本文研究了 1967—2006 年太子河
流域 6 个主要支流年、月径流系数以及降水量的变
化特征,分析了降水量对该流域径流系数的影响,以
期为正确认识太子河流域水文过程特征及其水资源
的合理开发利用等提供理论依据和技术支撑.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况和水文站分布
太子河流域(40毅00忆—42毅00忆 N,122毅00忆—125毅
00忆 E)位于辽宁省境内,是浑太流域的子流域(图
1).太子河发源于新宾县红石砬子山,流经本溪、辽
阳、鞍山 3 市,流域面积 13883 km2,河长 413 km,主
要支流有海城河、南沙河、北沙河、兰河、细河、汤河、
太子河南支[8],分别从南、北、东汇入太子河,这些
子流域主要为丘陵山地,植被以天然次生林为主,夹
杂人工林.太子河流域属温带半湿润和半干旱季风
气候,四季分明,雨热同季,日照丰富,干燥多风,年
均气温 5 益 ~10 益 .
太子河流域 1967—2006 年径流量和降水量数
据源于各条支流的水文测站和雨量站(表 1).
图 1摇 太子河流域水文测站分布
Fig. 1摇 Distribution of hydrometric stations in Taizi River basin.
表 1摇 太子河流域各支流水文测站设置
Table 1 摇 Setting of hydrometric stations of the rivers in
Taizi River basin
支流
Embranchment
雨量站数量
Numbers of
precipitation
stations
水文控制站
Hydrometric
station
集水面积
Catchment
area
(km2)
海城河
Haicheng River
4 海城站
Haicheng Station
1000
南沙河
Nansha River
2 立山站
Lishan Station
330
北沙河
Beisha River
6 大东山堡站
Dadongshanbu Station
1104
兰河
Lanhe River
2 梨庇峪站
Libiyu Station
417
细河
Xihe River
3 桥头站
Qiaotou Station
1023
太子河南支
South embranchment
of Taizi River
5 南甸(峪)站
Nandianyu Station
765
1郾 2摇 研究方法
1郾 2郾 1 径流系数摇 径流系数(a)指某时段内的径流
量(R)与同期降水量(P)的比值,公式为 a=R / P.
根据研究区各子流域的集水面积和实测的降水
数据即可算出降水量,径流量可根据实测值算出,据
此可得出相应时段的径流系数.
1郾 2郾 2 径流系数时间序列的趋势分析摇 趋势变化用
一次线性回归方程表示:
y=ax+b (1)
式中:y为径流系数;x 为年;a 为线性方程斜率,其
大小表征变化速度,正值表示增加,负值表示减少;b
为截距.通常将 a称为倾向率,可定量描述时间序列
的趋势变化特征.
1郾 2郾 3 径流系数时间序列的突变分析摇 本文利用非
参数统计检验方法 Mann鄄Kendall 法[9-11]对降水量
和径流系数的时间变化趋势进行检验. 非参数检验
方法也称无分布检验,其优点是不需要样本遵从一
定的分布,也不受少数异常值的干扰,更适于类型变
量和顺序变量,计算简便,而且可以明确突变开始的
时间[12-13] .
对于具有 n 个样本量的时间序列 x,构造一秩
序列:
sk =移
n
i = 1
ri (2)
当 xi > x j 时,ri = 1,否则 ri = 0( j = 1,2,…,i) .
因此,秩序列 sk 是 i时刻数值大于 j时刻数值个数的
累计数.
假设时间序列随机独立,统计量可定义为:
UFk =
[ sk - E( sk)]
Var( sk)
摇 (k = 1,2,…,n) (3)
0651 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
式中:UF1 = 0;E( sk) 和 Var( sk) 分别为 sk 的均值和
方差,在 x1、x2、…、xn 相互独立且具有相同连续分布
时,其计算公式如下:
E( sk) =
n(n + 1)
4 (4)
Var( sk) =
n(n - 1)(2n + 5)
72 (5)
UF i 为标准正态分布,它是按时间序列 x 顺序
(x1,x2,…,xn) 计算出的统计量序列(UFk),给定显
著性水平 琢,查正态分布表,若 | UF i | > U琢,表明序
列存在明显的趋势变化.
按时间序列 x逆序(xn,xn-1,…,x1) 序列(UBk)
再重复上述过程,同时使 UBk = - UFk,k = n,n - 1,
…,1,UBn = 0.
计算顺序时间序列的秩序列 sk和逆序时间序列
的 sk,分别得出 UFk 和 UBk,给定显著性水平 琢,将
UFk 和 UBk 序列曲线和 U琢 值的两条直线均绘在一
张图上进行分析.若 UFk 或 UBk 值大于 0,表明序列
呈上升趋势,小于 0 则表明呈下降趋势. 当 UFk 和
UBk 序列曲线超过临界直线时,表明上升或下降趋
势显著.超过临界线的范围确定为出现突变的时间
区域.如果UFk和UBk两条曲线出现交点,且交点在
临界线之间,那么交点对应的时刻便是突变开始的
时间[14] .
利用 DPS数据处理系统(V7郾 05 版)中的时间
序列分析模块进行 Mann鄄Kendall 统计量曲线的
绘制.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 太子河流域年径流系数的变化趋势及突变
2郾 1郾 1 年径流系数及其变化趋势 摇 由图 2 可以看
出,1967—2007 年,太子河南支的年均径流系数较
大(0郾 53),而海城河和北沙河的年均径流系数较小
(低于 0郾 3),其余 3 条河流的年均径流系数居中,在
0郾 3 ~ 0郾 4.这与河段的降水径流条件以及水流输送
条件有关,太子河南支地处低山丘陵区[8],降水容
易形成径流;而海城河地处山前倾斜平原,人类活动
相对太子河南支比较活跃,降水转化成径流的部分
较少,因此年径流系数相对较小.
摇 摇 1967—2006 年间,除南沙河的年径流系数总体
呈上升趋势外,太子河流域其他支流的年径流系数
均呈下降趋势,其中太子河南支和兰河的下降趋势
尤其明显(图 3). 1985 年,各支流的年径流系数都
较高(表 2),可能是由于当年降水量较大.
2郾 1郾 2 年径流系数时间序列突变特征摇 1967—2006
年,海城河年径流系数从 20 世纪 70 年代中期开始
呈下降趋势,20 世纪 70 年代中后期开始显著下降,
在 Mann鄄Kendall 统计量上表现为从 1976 年开始
UF<0,UF 曲线呈下降趋势,在 1979 年开始超过了
0郾 05 的显著水平,UF与 UB曲线相交于 1976 年,是
一次明显的突变现象,突变时间为 1976 年前后(图
4);北沙河的年径流系数在 20 世纪 80 年代后期发
生突变;兰河的年径流系数在 1997 年发生突变;南
沙河的年径流系数总体呈上升趋势,在 20 世纪 70
年代中期发生突变,UF 曲线从 1970 年前后开始一
直>0;太子河南支年径流系数的突变发生在 1987
年;细河流域年径流系数的UF值从1977年开始基
图 2摇 太子河流域年均径流系数
Fig. 2 摇 Mean annual runoff coefficients of the rivers in Taizi
River basin.
a) 海城河 Haicheng River; b) 南沙河 Nansha River; c) 北沙河
Beisha River; d) 兰河 Lanhe River; e) 细 河 Xihe River; f) 太子河南
支 South embranchment of Taizi River郾 下同 The same below.
表 2摇 太子河流域各支流年径流系数的总体趋势
Table 2摇 General trend of the annual runoff coefficients of
the rivers in Taizi River basin
支流
Embranchment
径流系数最大值
(出现年份)
Maximum runoff
coefficient
(Occurred year)
径流系数
最小值
(出现年份)
Minimum runoff
coefficient
(Occurred year)
年均径流系数
Mean annual
runoff
coefficient
海城河
Haicheng River
0郾 48(1985) 0郾 03(1993) 0郾 22
南沙河
Nansha River
0郾 56(1985) 0郾 14(1968) 0郾 33
北沙河
Beisha River
0郾 51(1985) 0郾 13(1997) 0郾 28
兰河
Lanhe River
0郾 54(1973) 0郾 06(2002) 0郾 31
细河
Xihe River
0郾 60(1985) 0郾 19(2000) 0郾 40
太子河南支
South embranchment
of Taizi River
0郾 91(1971) 0郾 13(1999) 0郾 53
16516 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 邓珺丽等: 1967—2006 年太子河流域径流系数的变化特征摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 3摇 太子河流域年径流系数的变化
Fig. 3摇 Change of annual runoff coefficients of the rivers in Taizi River basin.
虚线表示年均径流系数,斜线为一元线性回归趋势 The dashed lines denoted the mean annual runoff coefficient, and the slashes denoted the trend of
the unitary linear regress.
本小于 0,但 UF和 UB之间出现 7 个交点且交点出
现的年份比较密集,并且该流域的年径流系数没有
非常明显的变化规律(图 4).
摇 摇 1967—2006 年间,除细河流域的年径流系数没
有发生突变外,太子河流域其余各条支流的年径流
系数都发生了突变,且突变出现的年份各不相同.
2郾 2摇 太子河流域径流系数的季节变化
虽然太子河流域各支流的年径流系数变化各有
不同,但其月径流系数却呈现一定的季节变化规律
(图 5):4—6 月(春季),各支流的径流系数逐渐变
小;6—8 月(夏季),各支流的径流系数均呈增大趋
势,在该时段,流域内的降水较集中,期间的径流量
占年总径流量的 50% ~ 60%以上(表 3);8—10 月
(秋季),各支流流域的径流系数又开始逐渐变小;
11 月至次年 5 月(冬季),径流系数无明显的变化趋
势,各条支流上的变化情况各不相同,但 1—3 月的
径流系数相对较大(太子河南支除外).部分支流出
现了径流系数大于 1 的情况,这与实测的降水和径
流数据有关,对径流系数大于 1 的北沙河和南沙河
流域 1 月实测数据的检查可以发现,1974 和 1984
年 1 月的径流量实测值是当月降水量实测值的 45
倍左右,这应该是观测误差所致.
2郾 3摇 太子河流域降水量与径流系数的关系
从图 6 可以看出,研究期间,太子河流域各支流
表 3摇 太子河流域各支流径流的年内分配
Table 3摇 Annual distribution of runoff of the rivers in Taizi
River basin (%)
支流
Embranchment
月份 Month
4—5 6—8 9—10 11—3
海城河 Haicheng River 7 66 18 9
南沙河 Nansha River 12 48 17 23
北沙河 Beisha River 8 53 18 21
兰河 Lanhe River 11 58 17 14
细河 Xihe River 13 62 15 7
太子河南支 South embranch鄄
ment of Taizi River
15 67 12 5
2651 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
图 4摇 太子河流域年径流系数 Mann鄄Kendall统计量曲线
Fig. 4摇 Mann鄄Kendall trend test of annual runoff coefficients of the rivers in Taizi River basin.
直虚线为 琢=0郾 05 显著性水平临界值 The straight dashed lines denoted the threshold of 0郾 05 significance level. UF:标准正态分布线 Standard normal
distribution line; UB: 反序列的标准正态分布线 Standard normal distribution line of the inverse sequence.
的年降水量和年径流系数均呈极显著正相关关系
(P<0郾 01).说明太子河流域降水量对径流系数的影
响极显著,原因可能在于降水量增加将造成损失水
量所占比例下降及汇流时间缩短,在一定程度上使
径流系数有所增大.
图 5摇 太子河流域径流系数的月变化
Fig. 5 摇 Monthly change of runoff coefficients of the rivers in
Taizi River basin.
3摇 讨摇 摇 论
在太子河流域的 6 条主要支流中,太子河南支
的年径流系数较大,海城河的年径流系数较小,其余
几条河流的年径流系数比较接近. 这可能与河段的
降水径流条件以及水流输送条件有关,太子河南支
地处低山丘陵区[15],降水容易形成径流,而海城河
所在地的地貌为山前倾斜平原[15],与太子河南支相
比,人类活动比较活跃,因此降水转化成径流的部分
较少,导致径流系数较小.
研究期间,该流域的月径流系数呈现一定的季
节变化规律,6—8 月(夏季),各支流的径流系数变
化趋势非常一致,呈增大趋势;冬季,径流系数无明
显的变化趋势.年降水量对年径流系数的影响极显
著,但各条支流的相关程度有所不同.
河川径流是水循环的一个环节,反映了降水补
给流域的水量,以及截流、下渗、蒸散发等水文过程
的强度和流域蓄水量的变化[7] .由于流域自然地理
36516 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 邓珺丽等: 1967—2006 年太子河流域径流系数的变化特征摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 6摇 太子河流域年径流系数与年降水量的关系
Fig. 6摇 Relationship between annual runoff coefficients and annual precipitation of Taizi River basin.
和水文地质因素以及降水径流条件、水流输送特性、
人类活动和流域四水转化关系等多方面的影响,不
同河段的径流特性存在很大差异[16-17] .太子河流域
属大陆季风性气候,降水相对集中,且年际变化较
大、地区分布不均(地表水资源总量丰富,相对量不
足),年均降水量约 748 mm,人均水资源量约为全国
平均水平的 1 / 3,世界平均水平的 1 / 12[18],因此太子
河流域的水资源在量上属于缺乏型,但目前太子河流
域的水资源规划仍采用传统规划方式,只考虑工农业
用水和生活用水,几乎忽略了生态环境用水,使该地
区水资源开发利用程度较高,导致太子河流域出现了
严重的河道断流现象[19],这应该也是造成各流域径
流系数与降水量相关程度不同的一个重要原因.
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作者简介摇 邓珺丽,女,1981 年生,硕士研究生.主要从事生
态水文研究,发表论文 1 篇. E鄄mail: dengjunli003@ yahoo.
com. cn
责任编辑摇 杨摇 弘
56516 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 邓珺丽等: 1967—2006 年太子河流域径流系数的变化特征摇 摇 摇 摇 摇 摇