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user: 4. 径流时空演变特征 4.1. 径流年内分配均匀度特征 由图2可知：秃尾河上游高家堡水文站(1967~2012a)和下游高家川水文站(1956~2012a)年平均径流量分别为2.49亿m 3 ，3.24亿m 3 ；年径流基尼系数分别为0.8802和0.8468，均超过0.8，表明秃尾河上下游径流年内高度均匀，且上游年内分布更均匀。年际间径流量基尼系数呈略微上升趋势，基尼系数的波动性减弱，表明流域年际间径流时间分布的稳定性增强。 图1. 径流基尼系数变化图 图2. 秃尾河径流及其基尼系数变化图 为验证径流年内均匀度分布特征，对秃尾河流域上、下游全年及四季变化率进行统计，详见表1。由表1可知：流域上、下游全年变化率分别为−0.508/10a和−0490/10a。四季中夏季减少率最大，上、下游分别为−0.166/10a和−0.291/10a，其次为秋季、春季和冬季。上游夏季下降率比秋、春、冬季分别高15.06%、26.51%、52.41%；下游夏季下降率较秋、春、冬季分别高42.79%、47.76%、65.67%。除夏季上游比下游下降率低21.08%外，其它4个时段上游下降率均高于下游，这也是径流年内变化趋于均匀化，上游分布更均匀，年际径流稳定性增强的重要原因。 4.2. 径流年际变化趋势及突变分析 PW-MK检验方法 [ 10 ] 是为了剔除时间序列的自相关性，具体步骤如下：① 计算序列Xt的在δ置信水平下的一阶自相关系数r 1 ，并采用双侧检验进行r 1 的显著性检验 [ 16 ]；② 根据式(14)求出不具有自相关性的时间序列。最后，应用MK方法来检验重组序列趋势变化的显著性。 X ′ t = X t − r 1 X t − 1 (14) 取显著性水平 δ = 0.10 ，取趋势检验显著性水平 α = 0.05 ，对秃尾河流域上、下游5个时段重组年径流序列进行MK检验，详见表1。 Table 1 Results of trend tests for annual runoff variables by PW-MK in 5 time series in the upper and lower reaches of the Tuwei River basi 时间段 上游(高家堡) 下游(高家川) 统计量Z α = 0.05 突变年份 变化率 统计量Z α = 0.05 突变年份 变化率 全年 −6.14 + 1984、1996 −0.508 −5.24 + 1978、1996 −0.49 春季 −4.60 + 1985 −0.122 −5.23 + 1977 −0.105 夏季 −5.38 + 1982、1999 −0.166 −4.63 + 1978、1996 −0.201 秋季 −5.41 + 1983、1996 −0.141 −4.95 + 1978 −0.115 冬季 −2.79 + 1984 −0.079 −4.84 + 1979 −0.069 表1. 秃尾河上、下游5个时段年径流PW-MK检验表 由表1可知：秃尾河流域上、下游全年、春季、夏季、秋季、冬季5个时段均呈现显著减少趋势，且流域上、下游5个时段径流量在统计上均具有跃变性质。上游跃变时间大致出现在1983，1984、1996、1997年，下游大致出现在1978、1979、1996、1997年，且各时段均达到了0.01的显著减少水平。 利用根据MK-P检验法 [ 11 ] 原理，选取D/n = 0.3 [ 11 ]，对高家堡站(1967~2012a)和高家川站(1956~2012a)年径流量的突变年进行判断。结果表明：高家堡水文站站可能的突变年为2005~2008年，高家川站突变年可能在1986~2009年之间。这与Wang， S. [ 17 ] 在河龙区间径流突变的研究结论并不一致，初步认为D值直接影响检验结果。 进一步采用Pettit t检验法 [ 18 ] 确定高家堡站(1967~2012a)和高家川站(1956~2012a)年径流的突变年，详见图3(a)，图3(b)。由图3(a)可知，高家堡站在1984和1997年发生明显转折，计量k分别为459和412，则P(τ)分别为6.04 × 10 −6 和7.14 × 10 −5 均远小于0.5，因此，1967~2012年高家堡径流序列的突变年份为1984年和1997年。同理，高家川站(1956~2012a)径流序列突变点为1979年和1996年。这与周旭 [ 19 ] 在该流域所得到的转折点基本一致，也与流域内大规模水土保持措施和高强度煤炭资源开发的时间基本吻合。 综上所述：秃尾河上、下游径流序列均存在两个明显变异点。流域上、下游一级突变点分别为1984和1979年，与上世纪七八十年代大规模水土保持有关。二级突变点出现在1997和1996年，与该时期大规模的煤矿开采时间基本吻合。因此，上下游径流量序列分别以1984、1997年及1979、1996年为界，分为基准期、人类活动强度较低期(h 1 )、人类活动强度较高期(h 2 )。 图3. (a) 高家堡Pettit t检验k值变化图；(b) 高家川Pettit t检验k值变化图 4.3. 不同时期游径流变化程度分析 基于基准期和人类活动期划分结果，对全年及四季在丰水(5%)、平水(50%)和枯水(95%)频率下，上、下游径流变化进行量化评价，详见表2。 Table 2 The relative changes represented by daily runoff curves in high， median and low flows in 5 time series in the upper and lower reaches of the Tuwei River basi 站名 不同频率 全年 春季 夏季 秋季 冬季 h 1 h 2 h 1 h 2 h 1 h 2 h 1 h 2 h 1 h 2 高家堡 5% −29.06 −43.49 −21.06 −43.29 −32.21 −39.23 −36.58 −50.06 −22.62 −29.18 50% −30.45 −40.8 −33.46 −42.97 −23.64 −47.82 −31.64 −34.16 −31.78 −33.61 95% −30.95 −43.49 −20.16 −46.18 −21.9 −52.11 −24.9 −51.99 −33.35 −32.5 高家川 5% −30 −54.35 −9.54 −18.84 −48 −70.77 −14.93 −44.72 −14.48 −30.46 50% −21.94 −46.62 −24.39 −56.37 −28.41 −44.37 −25.6 −45.81 −19.26 −39.18 95% −18.92 −45.66 −27 −63.04 −18.25 −55.12 −22.61 −50.52 −11.62 −24.38 表2. 秃尾河上、下游5个时段径流减少量在丰、平、枯期的相对变化率 从表2可以看出：与基准期相比，h 1 期流域上、下游年径流量5%频率分别减少25%~30%、30%；50%频率减少30%~35%、20%~25%，95%频率分别减少30%~35%、15%~20%；h 2 期上、下游年径流量在5%频率分别减少40%~45%，50%~55%，50%频率分别减少40%~45%，45%~50%，95%频率减少40%~45%，45%~50%。与h 1 期相比，上游h 2 期径流量减少是前期的1.67倍，下游是前期的2.11倍。其余4个季节减少幅度变化比较大，总体上看，同一时期不同频率下，下游年径流量降幅大于上游，且95%频率径流量减幅最大。这是因为秃尾河上游为风沙草滩区，下游为黄土沟壑区，二者差异很大，上游风沙滩草区以风沙土为主，地形平坦开阔，降雨绝大部分入渗到地下，经第四系含水层调节后排泄于河道。95%频率径流减少幅度较其它频率偏大，是因为枯水期降水较少，气温较高，蒸发强烈，需从引水干渠上游桑树渠、高惠渠和下游红花渠引水满足农业灌溉，径流减幅更大。 4.4. 不同时期人类活动对径流影响评价 4.4.1. 不同时期人类活动对径流影响的分离 以高家堡、高家川站径流、降水和潜在蒸发为研究对象，以突变检验结果为依据，通过线性回归计算不同时期各要素累计变化斜率及比例。以径流变化为例，详见图4。按照SCRAQ法 [ 12 ] 原理及计算步骤，进行流域人类活动和气候变化对径流影响的分离，具体分离结果如表3，表4所示。 图4. 高家堡、高家川累计径流随时间变化曲线 Table 3 The proportion and change of cumulative runoff， precipitation and potential evaporation in different period 不同时期 变化量及变化率 高家堡 高家川 1967~1984 1985~1997 1998~2012 1956~1979 1980~1996 1997~2012 与基准期径流相比 累计斜率 3.133 2.2375 1.7548 4.1969 2.9698 2.1298 变化量(10 8 m 3 /a) −0.896 −1.38 −1.23 −2.07 变化率(%) −28.58 −43.99 −29.24 −49.25 与人类活动强度较低期径流相比 变化量(10 8 m 3 /a) −0.4827 −0.84 变化率(%) −21.57 −28.28 与基准期降水相比 累计斜率 408.3 364.96 364.96 429.16 384.28 345.9 变化量(mm/a) −43.34 −43.34 −44.88 −83.26 变化率(%) −10.61 −10.61 −10.46 −19.4 与人类活动强度较低期降水相比 变化量(mm/a) 0 −38.38 变化率(%) 0 9.99 与基准期潜在 蒸发相比 累计斜率 1287.3 1261 1249.4 1005.3 996.52 990.48 变化量(mm/a) −26.3 −37.9 −8.78 −14.82 变化率(%) −2.04 −2.94 −0.87 −1.47 与人类活动强度较低期潜在蒸发相比 变化量(mm/a) −11.6 −6.04 变化率(%) −0.92 −0.61 表3. 不同时期上、下游累计径流、降水和潜在蒸发随时间变化比例及变化 Table 4 Contributions proportion of climate change and human activities to the runoff changes at different periods in the upper and lower reaches of the Tuwei River basi 站名 不同时期 与基准相相比 与人类活动强度较低期相比 C P C E + C H C E C H C P C E + C H C E C H 高家堡 1985~1997 37.14 62.86 −7.15 70.01 1998~2012 24.13 75.87 −6.69 82.56 0 100 −4.26 95.74 高家川 1980~1996 33.62 66.38 −2.99 69.37 1997~2012 25.94 74.06 −3.08 77.14 11.56 88.44 −2.29 90.73 表4. 不同时期上、下游气候变化和人类活动对秃尾河径流变化影响比例 由表3，表4可知：以高家川为例，不同时期人类活动及气候变化对径流的影响程度不同。人类活动对径流量的影响呈增加趋势，而气候变化则对径流量的影响呈减少趋势，且使得径流量逐渐减少。具体体现在与基准期相比，h 1 期径流变化量为−1.23 × 10 8 m 3 /a，变化率为−29.24%；降水变化量为−44.88 mm/a，变化率为−10.46%；潜在蒸发变化量−8.78 mm/a，变化率为−0.87%；则人类活动、降水、潜在蒸发对径流的影响比例分为69.37%，37.14%，−7.1%。h 2 期人类活动、降水、潜在蒸发对径流影响比例分别为77.14%，25.94%，−3.08%。与h 1 期相比，h 2 期人类活动、降水、潜在蒸发对径流的影响比例分别90.73%，11.62%，−2.29%。总体而言，同一时期，秃尾河上、下游人类活动和气候变化对径流量的改变量基本相当，但上游潜在蒸发引起的径流量的改变比下游分别高58.18%，53.96%和46.24%，初步认为可能与上游处于风沙滩草地蒸发强烈有关。人类活动仍是引起秃尾河上、下游径流演变的主要因子。 4.4.2. 人类活动对径流变化的影响 对秃尾河上、下游流域不同时期各项人类活动调查表明：人类活动对径流的影响作用主要体现在水土保持、煤炭开采、地下水开发利用及水利工程建设等方面。 1) 水土保持对径流变化的影响。秃尾河上、下游径流量h 1 期显著减少可能与水土保持，尤其是林草地面积的快速增加有关。70年代末期流域开始大规模水土保持工作，水土保持面积由1979年的229.15 km 2 增加到1996的1140.93 km 2 ，占流域面积比例由7%上升到35.1%。林草面积所占比例由1979年的5.82%增加为1996年的32.58% [ 14 ]。黄河水利委员会绥德水土保持试验站观测资料表明，林地盖度为30%、50%、70%，分别减少地表径流53%、86%、94%。另外，上游径流突变时间滞后于下游，可能与上游水土保持措施开始实施时间、水土保持未达到预期效果有关。 2) 煤矿开采对径流变化的影响。上世纪90年代，尤其是1996年之后，秃尾河流域煤矿开采量和采空区面积不断增加，详见图5，采煤塌陷形成的地裂缝一方面使降雨补给向下渗漏，消减地表径流。另一方面，导水裂隙带发育至第四系含水层底部，造成潜水位大幅度下降，泉流量减少，甚至干涸，引起河流的侧向补给来源明显减少 [ 20 ]。由表4可知，相对于h 1 期流域上、下游h 2 期(主要为煤炭开采)，人类活动对径流的影响比例分别为95.74%和90.73%。 3) 地下水开发利用对径流的影响。秃尾河流域地下水开发是导致秃尾河径流减少的另一原因。秃尾河径流的68% [ 21 ] 来自基流的补给。随着流域经济快速发展，流域用水量不断增加。地下水的供水量由2006年的8.31万m 3 ，增加到2010年的8.84万m 3 ，并持续增加。地下水开采过程中宜采用引泉开采，而实际多选用分散井或集中水源地开采。地下水开采量的增加和不合理的开发利用，消减地下水对径流的补给。 图5. 1991~2011年原煤产量与采空区面积变化曲线 4) 水利工程建设对径流变化的影响。秃尾河流域一系列水利工程设施的建成和运行，在改变径流时间分布分配的同时，也影响到水文监测断面的实测径流量。 综上所述：秃尾河流域70年代末以来的大规模水土保持和90年代中后期高强度的煤矿开采是导致秃尾河上下游径流减少的两个重要原因。另外，地下水开发利用、水利工程建设的影响也不容忽视。