文峪河流域降水和徑流關(guān)系初探

郭漢清 洪堅平 張 勇

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801；2.山西省水土保持科學(xué)研究所，山西 呂梁 033000)

文峪河流域位于山西省關(guān)帝山腹地，其干流文峪河是汾河的一級支流。關(guān)帝山流域現(xiàn)存山西省面積最大、林相較為整齊的天然次生林，對山西省西部乃至汾河中下游地區(qū)的水文變化、水資源利用及生態(tài)安全起到十分重要的作用。該區(qū)域作為山西農(nóng)業(yè)大學(xué)的實習(xí)基地，長期以來主要開展森林景觀[1]、華北落葉松土壤種子庫[2]和落葉松細(xì)根生物量[3]等方面的研究，而該流域?qū)τ谏轿魇∷暮退Y源顯著的調(diào)控地位很少有人關(guān)注。由此本文試圖以文峪河流域較長時期的水文資料為依托，運(yùn)用水文統(tǒng)計等手段，初步揭示該流域的降水分布、徑流特征以及降水和徑流之間的關(guān)系。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

文峪河流域地理位置介于東經(jīng)111°25′～112°5′，北緯37°28′～37°54′，總面積1 842.3km2。海拔在780.5～2 838.7m之間，平均坡度17.8°。該流域?qū)倥瘻貛Т箨懶陨降貧夂?，由于地形?fù)雜，各處氣溫、降水差異較大，全區(qū)年均氣溫3～7℃，多年平均降水量約500mm。多年平均蒸發(fā)量1 700mm。文峪河流域的基巖基本為變質(zhì)巖，這種巖層分化及裂隙發(fā)育很淺，透水性很??；該區(qū)土壤隨海拔呈地帶性分布，由高到低分布著亞高山草甸土、山地草原草甸土、山地棕色森林土、褐土及黃綿土等。該流域內(nèi)分布著華北地區(qū)具有典型代表性的石質(zhì)山地天然次生林，植被類型喬木主要有油松、云杉林、華北落葉松、樺樹、遼東櫟等，灌木主要有沙棘、忍冬、荊條等，草本植物有鵝冠草、針茅、豹子花等。

文峪河作為汾河上游重要的一級支流，是下游與汾河交匯區(qū)大面積農(nóng)田灌溉的水源地，主要由龐泉溝等6大支流匯集而成，匯入流域出口處的文峪河水庫，最后注入汾河。水文特征受大的氣候影響，每年的7—10月份為汛期。流域形心處設(shè)有岔口水文站，控制流域面積為492km2，該站是一省級水文站，可對岔口以上尤其是龐泉溝流域進(jìn)行降水、徑流、水位、水溫和泥沙等水文特征值的觀測并具有較長系列資料。

1.2 研究方法

在收集整理岔口水文站近40a降水和徑流觀測資料基礎(chǔ)上，運(yùn)用水文統(tǒng)計方法分析該流域的降水和徑流年內(nèi)和年際變化特征[4]。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水特征分析

在計算流域平均水深時，通常采用算術(shù)平均法、泰森多邊形法和等雨深線圖法三種方式[5]，在使用這三種方式由點(diǎn)雨量向面雨量轉(zhuǎn)化時，由于應(yīng)用條件有所差異，在計算結(jié)果上會有所不同?？紤]到文峪河流域雨量站在觀測期內(nèi)位置有所變化，導(dǎo)致點(diǎn)-面雨量轉(zhuǎn)化時要么不滿足計算條件，要么資料系列長短不一。為了避免這一矛盾，本文在進(jìn)行分析降水資料時，統(tǒng)一采用算術(shù)平均法進(jìn)行計算。

2.1.1 降水隨海拔的分布

文峪河流域海拔高差變化較大，導(dǎo)致云團(tuán)在運(yùn)移過程中，由于受到高大山體的阻礙，會形成動力抬升而在迎風(fēng)坡形成地形雨。通過岔口以上流域內(nèi)三個雨量站(岔口站、后家莊站和神尾溝站)觀測資料(降水資料同為40a)分析，結(jié)果如圖1所示。

從圖1中可以看出，隨著海拔高度由1 120m(岔口站)增加到1 830m(神尾溝站)，年降水量由493.19mm增加到617.23mm。增加幅度達(dá)到海拔每增加100m，雨量增加17.47mm?？梢娫谠摿饔騼?nèi)，由于高大山體的作用，降水分布不均勻，降水量大小相差懸殊，且存在由東南向西北遞增的趨勢。

2.1.2 降水年內(nèi)分配

根據(jù)降水量資料分析可以看出(圖2)，該流域年內(nèi)降水主要集中在7、8、9這三個月，受東南暖濕氣流和高大山體的影響，7—9月份多年平均降水量占到全年的58.6%；尤以7、8兩個月最多，多年平均比例高達(dá)47.5%。根據(jù)氣候情況，該地區(qū)3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12—2月為冬季。統(tǒng)計資料表明：春、夏、秋、冬四季降水量年內(nèi)分配比例依次為：14.2%，54.1%，24.8%，6.9%。進(jìn)一步說明隨著東南季風(fēng)的到來，流域內(nèi)在4月份開始出現(xiàn)降水，并逐漸增加，到7、8月份達(dá)到高峰，9月下旬開始逐漸減弱。降水在年內(nèi)分配不均勻，主要集中在夏半年。

2.1.3 降水年際變化

降水的年際變化特征，往往通過降水平均變率(K1=最大年值/年平均值)和降水變率(K2=最大年值/最小年值)和降水離差系數(shù)(Cv=標(biāo)準(zhǔn)差/平均值)來表示。這3個指標(biāo)均可反映降水量年際變化的程度，相對變率越大，降水則越不穩(wěn)定。通過以往40a的降水資料分析，得出文峪河流域降水量年際變化的3個指標(biāo)值分別為：K1=1.55，K2=2.83，Cv=0.24。由此可見，文峪河流域年降水量極值比相差較大，而且年降水量年際之間變化較大。

與此同時，降水資料分析表明，該流域的40a平均年降水量達(dá)到507.68mm。若以10年為時段進(jìn)行劃分，可以看出20世紀(jì)60年代年降水量為552.53mm，70年代為506.07mm，80年代為497.44mm，90年代為477.68mm。由此可知，20世紀(jì)90年代同60年代的降水量均值相比，降水量減少了74.85mm。80年代和90年代的降水量均要小于多年平均值，70年代與平均值基本持平。相比之下，20世紀(jì)60年代的降水量是一個相對充沛的時期，而90年代是少水期。在過去的40a里，雖然降水量年際變化較大，但總體仍然表現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢。

2.2 徑流特征分析

徑流是指降落到流域表面上的降水，由地面與地下流入河川，流出流域出口斷面的水流。文峪河流域的河川徑流的水源是大氣降水，又以降雨徑流為主，冰雪融水徑流占有的比例較小。

2.2.1 徑流的年內(nèi)分配

資料表明(圖3)，文峪河流域的徑流年內(nèi)分配主要集中在7—10月這四個月份。這四個月份徑流量占全年徑流量的60.63%，說明徑流的年內(nèi)分布較為集中。與降水在年內(nèi)的分配相比，降水集中在7—9這三個月，而徑流量在10月份仍保持了較高水平，這與該流域森林覆蓋率較高，植被對于流域內(nèi)地下徑流和地表徑流的調(diào)蓄作用巨大有密切關(guān)系。而徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cvy=0.65，也可以看出該流域的徑流年內(nèi)分配不均勻程度非常大。

2.2.2 徑流年際變化

受降水和植被生長的影響，文峪河流域徑流的年際變化也較為強(qiáng)烈(圖4)。根據(jù)年徑流量的年際極值比K=10.85和年徑流變差系數(shù)Cv=0.59表征徑流量年際變化，說明中西河流域徑流量年際變化較為強(qiáng)烈，極值比懸殊。值得指出的是，在降水量較少的年份，森林的調(diào)蓄作用使降雨轉(zhuǎn)化為徑流的機(jī)會更小，即徑流系數(shù)較小，河川徑流量急劇減少，這是該區(qū)域徑流年際變化的一個顯著特點(diǎn)。另一個特點(diǎn)是年徑流量隨時間的延長而減少，雖然這種減少從趨勢上講可能受流域內(nèi)人口增長和人均用水量、農(nóng)業(yè)用水量等方面的增加所致，但根據(jù)水量平衡原理分析，流域輸入水量即大氣降水的減少肯定是引起流域多年平均徑流量減少一個必然因素。

2.3 徑流和降水量之間的關(guān)系

降水和徑流是水文循環(huán)中的兩個必要環(huán)節(jié)，二者相互影響，不可以單獨(dú)存在。通過對文峪河流域多年降水量與徑流量進(jìn)行同步比較分析，可以看出徑流量與降水量的變化趨勢存在同步性，這也說明徑流是氣候和下墊面共同作用的產(chǎn)物。運(yùn)用回歸分析手段，對該流域的同期年降水量和年徑流量進(jìn)行分析，可以構(gòu)建數(shù)學(xué)模型Q=a+bP，

式中：a、b為系數(shù)。通過回歸分析得出文峪河流域年徑流量與同期降水量的數(shù)學(xué)模型如下：

Q=-2.699+0.013P年(R=0.701)

式中：Q——年徑流量，108m3；P年——年降水量，mm

3 結(jié)論與思考

3.1 結(jié)論

(1)文峪河流域降水變化受海拔影響較為明顯，總的趨勢為：海拔上升，降水量增大，變率達(dá)到17.47mm/100m。受山體走向影響，降水量由東南向西北遞增。

(2)降水在年內(nèi)分配不均勻，主要集中在夏半年。文峪河流域年降水量極值比相差較大，而且降水量年際之間變化較大。

(3)徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cvy=0.65，表明該流域的徑流年內(nèi)分配不均勻程度非常大。從徑流量的年際極值比K=10.85和年徑流變差系數(shù)Cv=0.59說明文峪河流域徑流量年際變化較為強(qiáng)烈，極值比懸殊。

(4)文峪河流域降水年際變化是影響徑流年際變化的主要因素，以降水量、徑流量建立數(shù)學(xué)模型為：Q年=-2.699+0.013P年(R=0.701)。

3.2 思考

在對降水和徑流關(guān)系的探討方面，由于資料所限，如缺乏下墊面變化的詳細(xì)資料，本文只是建立了降水量和徑流量二者之間的相關(guān)關(guān)系，而沒有考慮流域內(nèi)土地利用類型的改變，從而引起徑流在時空方面的改變。這在某種程度上也影響到了降水和徑流關(guān)系的相關(guān)程度，如R=0.701相對還是比較低，而這也正是今后需要進(jìn)一步探索和論證的方面。

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