西苕溪徑流變化特性及影響因素分析

蔡 娟,許有鵬,石 怡

(南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院,江蘇南京 210093)

西苕溪徑流變化特性及影響因素分析

蔡 娟,許有鵬,石 怡

(南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院,江蘇南京 210093)

以西苕溪橫塘村站以上流域?yàn)檠芯繉?duì)象,基于長(zhǎng)期水文氣象實(shí)測(cè)資料,運(yùn)用多種數(shù)值分析方法、累積距平法以及Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法,分析了1972—2009年西苕溪徑流年內(nèi)和年際變化特征、變化趨勢(shì)及其影響因素。結(jié)果表明:西苕溪徑流年內(nèi)分配不均勻程度自20世紀(jì)80年代初逐漸減弱;相比年降水,徑流的年際波動(dòng)幅度普遍較大,2000年后流域基本處于枯水或偏枯狀態(tài);年徑流量總體上呈顯著的減少趨勢(shì),而年降水量減少趨勢(shì)微弱,且兩者相關(guān)性逐年代遞減;西苕溪徑流大幅度減少除降水驅(qū)動(dòng)外,還與流域內(nèi)水利工程、水土保持以及水資源利用等人類活動(dòng)因素有關(guān)。

徑流;變化特征;降水;人類活動(dòng);西苕溪流域

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展、人類活動(dòng)的增強(qiáng),水資源在自然形成的固有規(guī)律下,表現(xiàn)出新的特征[1]。近些年來(lái),眾多研究人員對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)影響下的水資源演化規(guī)律做了大量研究[2-6],這些研究成果不僅有利于人們重新認(rèn)識(shí)變化環(huán)境下的徑流演變特征,了解區(qū)域水資源變化的特性和趨勢(shì),還有利于流域水資源的科學(xué)管理與合理開發(fā)。

西苕溪是太湖上游的重要支流,年均注入太湖水量為26.8億m3,約占太湖年均入湖水量的27.7%,其徑流演變特征直接關(guān)系太湖流域的來(lái)水情況,進(jìn)而影響太湖流域水資源的開發(fā)利用和水環(huán)境保護(hù)。筆者選取西苕溪主要控制性水文站——橫塘村站以上的流域?yàn)檠芯繀^(qū),運(yùn)用多種分析方法,系統(tǒng)分析1972—2009年西苕溪橫塘村站徑流的年內(nèi)和年際變化特征、變化趨勢(shì)及其影響因素。研究成果有利于更好地掌握西苕溪及太湖流域的水文情勢(shì),具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

西苕溪位于浙江省北部,流域集水面積(橫塘村以上)1316km2,地勢(shì)西南高,東北低,依次呈山地、丘陵、平原的梯度分布。流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性氣候區(qū),年平均氣溫為 15.5℃。多年平均降水量為1465.8mm,徑流年內(nèi)變化與降水基本一致,呈雙峰型,峰值主要出現(xiàn)在5—6月和9月,5—9月徑流量占全年徑流量的45%～54%。流域內(nèi)土地利用類型以林地和耕地為主,地帶性土壤主要為紅壤和黃紅壤。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

為了分析研究區(qū)多年來(lái)的降水和徑流變化,筆者收集了1972—2009年流域內(nèi)13個(gè)雨量站逐日降水?dāng)?shù)據(jù)以及同時(shí)期流量控制站橫塘村的逐日流量數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)來(lái)源于安吉縣水利局。研究區(qū)水系水文站、雨量站的分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)水系水文站、雨量站分布

2 徑流的年內(nèi)變化

降水是西苕溪流域徑流的主要補(bǔ)給來(lái)源,受降水時(shí)空分布不均的影響,徑流年內(nèi)變化明顯。大部分徑流主要集中在3—9月,占多年平均徑流量的77.12%,其中徑流量最大的3個(gè)月(6—8月)所占比例為38.84%;在季節(jié)分配上,橫塘村站徑流量夏季最豐,其次為春季、秋季,冬季因降水量明顯減少而相應(yīng)減少,僅占多年平均徑流量的12.65%,為流域內(nèi)的枯水時(shí)間。

為了更好地描述徑流年內(nèi)變化特征,筆者對(duì)研究區(qū)徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)和集中度這2個(gè)特征值進(jìn)行對(duì)比分析[7-8]。結(jié)果表明,橫塘村站徑流年內(nèi)分配具有一定的不均勻性;集中度和不均勻系數(shù)表現(xiàn)出較好的同步性變化規(guī)律,除個(gè)別年份外,集中度高的年份,不均勻系數(shù)也大(圖2)。從各個(gè)年代變化看(表1),徑流集中度和不均勻系數(shù)變化規(guī)律一致,20世紀(jì)70年代到80年代,集中度和不均勻系數(shù)均有所上升,80年代后2指標(biāo)開始下降。導(dǎo)致這種變化的原因可能有:70年代西苕溪上游賦石、老石坎2座大型水庫(kù)仍處于保壩擴(kuò)建中,水庫(kù)調(diào)蓄功能不明顯;經(jīng)歷60年代“大辦鋼鐵”、“三年困難時(shí)期”的嚴(yán)重毀林后,水土流失的綜合治理、小型水庫(kù)和蓄水塘壩的興建于70年代初才剛剛起步;而進(jìn)入80年代后,隨著2個(gè)大型水庫(kù)的正式交付使用、其他水利設(shè)施的配套完善以及流域內(nèi)停墾還林、封山育林、山地造林等水保措施的深入推進(jìn),流域調(diào)蓄功能增強(qiáng),徑流年內(nèi)分配集中程度開始減弱。

圖2 橫塘村站徑流集中度和不均勻系數(shù)年際變化

表1 橫塘村站不同時(shí)段徑流年內(nèi)分配統(tǒng)計(jì)特征

3 徑流的年際變化及趨勢(shì)

3.1 徑流年際變化的特征值

徑流年際變化的特征通常采用年徑流變差系數(shù)和年際極值比來(lái)衡量。經(jīng)計(jì)算,西苕溪橫塘村站多年平均徑流量為10.23億m3,實(shí)測(cè)最大流量(1999年)為17.01億m3,最小(1978年)為4.32億m3,變差系數(shù)和年際極值較大,分別為0.34和3.94,說(shuō)明該流域徑流年際變化的起伏程度比較明顯。

3.2 徑流年際變化的長(zhǎng)持續(xù)性

根據(jù)徑流豐枯等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)[9],按距平百分率P來(lái)劃分徑流的豐枯等級(jí)。計(jì)算結(jié)果(圖3)顯示,西苕溪橫塘村站徑流豐枯變化明顯,1972—1999年間豐水年份所占比例約為46.4%,主要集中于20世紀(jì)80年代初至90年代末,豐水時(shí)段歷時(shí)最長(zhǎng)為3年,相比之下,枯水年份所占比例僅為17.9%。而進(jìn)入2000年后,流域尚未出現(xiàn)豐水年份,基本處于枯水或偏枯狀態(tài)。引發(fā)這種狀態(tài)的原因有:①流域內(nèi)2000年后降水量明顯減少,僅占80年代多年平均降水量的86%;②隨著人口增長(zhǎng),農(nóng)業(yè)灌溉以及工業(yè)生活用水消耗了大量的地表水。20世紀(jì)80年代安吉縣多年平均耗水量為0.95億m3,其中農(nóng)業(yè)灌溉耗水0.833億m3,工業(yè)生活耗水0.149億m3,總耗水量占全縣多年平均徑流量的5.2%;2000年以后,農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)生活耗水量分別為0.946億m3和0.336億m3(2000、2002和2010年數(shù)據(jù)的算術(shù)平均),約是80年代相應(yīng)耗水量的1.1倍和2.6倍,其中工業(yè)生活耗水量增加迅猛,總耗水量占多年平均徑流量的17.6%。

圖3 1972—2009年橫塘村站年際徑流豐枯變化

3.3 年徑流的變化趨勢(shì)分析

年徑流量的變化趨勢(shì)反映了徑流演變的總體規(guī)律。采用線性趨勢(shì)法和Mann-Kendall檢驗(yàn)法[10],對(duì)年徑流系列趨勢(shì)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和分析。線性趨勢(shì)法定性地反映徑流系列的變化趨勢(shì),Mann-Kendall檢驗(yàn)法(以下簡(jiǎn)稱M-K檢驗(yàn)法)則對(duì)徑流系列的變化趨勢(shì)做出定量說(shuō)明。分析結(jié)果表明,西苕溪橫塘村站年徑流系列的線性趨勢(shì)線傾向率為-0.10,呈下降趨勢(shì);其M-K統(tǒng)計(jì)量Z值為-2.07(顯著水平α取0.1),說(shuō)明38年來(lái)橫塘村站年徑流整體上呈現(xiàn)出顯著的負(fù)變化趨勢(shì),通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)。

4 影響因素分析

河川徑流量變化是自然條件和人類活動(dòng)綜合作用的結(jié)果。以降水為徑流主要補(bǔ)給源的西苕溪流域,自然因素方面主要考慮降水對(duì)徑流的影響。人類活動(dòng)因素方面,主要考慮包括流域內(nèi)水利工程建設(shè)、水土保持措施引起的流域下墊面變化以及在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展過(guò)程中水資源的利用3個(gè)因素。

4.1 降水因素

降水是徑流的主要來(lái)源,其量的多少直接影響徑流的變化。對(duì)西苕溪橫塘村站徑流量和研究區(qū)內(nèi)年降水量做累積距平分析(圖4),可以看出,研究區(qū)內(nèi)徑流量和降水量密切相關(guān),兩者的曲線波動(dòng)基本一致。降水量在20世紀(jì)80年代初到90年代末期間呈現(xiàn)出波動(dòng)增長(zhǎng),2000年后則減少趨勢(shì)明顯,且普遍低于多年平均降水量,受此影響,徑流量表現(xiàn)出大致相同的變化過(guò)程。這與前文徑流年際變化的長(zhǎng)持續(xù)性分析結(jié)果是一致的。值得注意的是,2007年以后降水量開始增加,而對(duì)應(yīng)的徑流量仍持續(xù)減少。通過(guò)計(jì)算 1972—2009年降水、徑流距平百分率(圖5)可知,年徑流在年間的波動(dòng)幅度普遍大于年降水的波動(dòng)幅度。相比年徑流,降水系列經(jīng)M-K檢驗(yàn)后,其統(tǒng)計(jì)量Z為-1.08,下降趨勢(shì)不顯著。此外,不同年代的降水、徑流相關(guān)系數(shù)的分析結(jié)果表明,兩者相關(guān)性表現(xiàn)為逐年代遞減,由20世紀(jì)70年代的0.97減小到2000年以后的0.79。

圖4 降水—徑流累積距平

圖5 年降水、年徑流距平百分率變化

以上各種分析結(jié)果在一定程度上說(shuō)明:西苕溪年徑流的變化主要是流域降水造成的,但降水并非是影響徑流演變的唯一因素。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,人類活動(dòng)因素所導(dǎo)致的徑流減少量占徑流總減少量的比例會(huì)越來(lái)越大。

4.2 人類活動(dòng)因素

4.2.1 流域水利工程建設(shè)

西苕溪流域水利工程數(shù)量眾多。蓄水工程方面,西苕溪橫塘村站以上流域內(nèi)共有大型水庫(kù)2座,總集水面積為589km2,總庫(kù)容3.33億m3,正常庫(kù)容1.565億m3,都是以防洪為主,結(jié)合供水、發(fā)電、灌溉、養(yǎng)魚的綜合性水庫(kù);小型水庫(kù)45座,總庫(kù)容達(dá)1509萬(wàn)m3。引水工程方面,共有堰壩146座,其中灌溉面積為666hm2以上的堰壩3座,66～666hm2的17座,6～66 hm2以下的 126座,總灌溉面積達(dá)1.4萬(wàn)hm2左右;流域內(nèi)還有中型引水工程1座(賦石渠道),其水源為賦石水庫(kù),設(shè)計(jì)供水能力為9235萬(wàn)m3,設(shè)計(jì)灌溉面積8133hm2。此外,還有大量的山塘、塘壩以及小規(guī)模的引、提水工程。這些水利工程改變了徑流在時(shí)間和空間上的分配,使得河道水量日益減少。

4.2.2 流域水土保持措施

西苕溪上游流域水土保持措施改變了流域下墊面條件,導(dǎo)致入滲、蒸散發(fā)等要素發(fā)生變化,進(jìn)而改變了產(chǎn)流條件。通過(guò)停墾還林、封山育林、山地造林等生物措施以及谷坊、魚鱗坑等工程措施,僅20世紀(jì)90年代初至今,水土流失綜合治理程度達(dá)64.3%,森林覆蓋率從55.9%提高到69.4%,25度以上坡耕地的退耕還林比例達(dá)96%,林草保存面積占宜林宜草面積的90%。水土保持措施加大了流域植被對(duì)天然降水的截留作用,增強(qiáng)了流域蓄水能力,從而對(duì)流域徑流造成影響。

4.2.3 水資源利用

一方面,由于工業(yè)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)、農(nóng)村飲用水工程的實(shí)施使得工業(yè)用水、生活用水量不斷增加。農(nóng)業(yè)用水在總用水量中比重雖不斷下降,但仍占河道外總引用水量的71.0%左右,從而消耗了大量的地表水資源。另一方面,由于地方經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá),節(jié)水意識(shí)缺乏,用水浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。工業(yè)用水上,以家居、竹制品、造紙、水電等耗水企業(yè)為主,很多企業(yè)設(shè)備陳舊、工藝落后,耗水量大;農(nóng)業(yè)用水上,灌溉工程標(biāo)準(zhǔn)低,大多已老化失修,灌溉管理粗放,灌水技術(shù)落后,大水漫灌、跑馬水現(xiàn)象嚴(yán)重;城鎮(zhèn)居民用水上,給水管網(wǎng)漏損率高達(dá)15%～20%,而發(fā)達(dá)國(guó)家漏損率僅5%左右。水資源的高需求量以及水資源的低利用率勢(shì)必造成更多的水資源消耗,進(jìn)而影響河道徑流量。

5 結(jié)果與討論

5.1 結(jié)果

a.西苕溪徑流年內(nèi)分配的不均勻性表現(xiàn)出先增加后減弱的變化過(guò)程,相比年降水,年徑流的年際波動(dòng)幅度普遍較大;20世紀(jì)80年代初至90年代為流域豐水期,而2000年后流域基本處于枯水或偏枯狀態(tài)。

b.1972—2009年西苕溪年徑流整體上表現(xiàn)出顯著的減少趨勢(shì),而年降水量減少趨勢(shì)微弱。年降水與年徑流的相關(guān)系數(shù)逐年代遞減,由0.97減少到0.79,說(shuō)明降水與徑流的關(guān)系越來(lái)越復(fù)雜,人類活動(dòng)對(duì)徑流減少的影響逐漸突出。

c.研究時(shí)段內(nèi)西苕溪年徑流表現(xiàn)出的變化特性是降水和人類活動(dòng)雙重作用的結(jié)果。流域內(nèi)水利工程的調(diào)蓄、水土保持措施的實(shí)施以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水的猛增等人類活動(dòng)是引發(fā)年徑流減少的重要影響因素。

5.2 討論

近十幾年來(lái),西苕溪流域內(nèi)城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快,大量的耕地和林地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地,但由于土地利用變化后的不透水面積比例僅占研究區(qū)總面積的4.6%,由此產(chǎn)生的城鎮(zhèn)化水文效應(yīng)不明顯。因此,筆者未將人類活動(dòng)因素中城鎮(zhèn)化對(duì)徑流的影響作為解釋西苕溪年徑流大幅度減少的影響因素。此外,受資料限制,筆者針對(duì)各項(xiàng)影響因素的定量分析還不夠充分。因此,如何利用現(xiàn)有的各類實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),建立科學(xué)、準(zhǔn)確的徑流驅(qū)動(dòng)力模型,計(jì)算并預(yù)測(cè)各項(xiàng)影響因素對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率,并依此使人類活動(dòng)對(duì)徑流演變的不利影響降到最低,將成為今后重要的研究?jī)?nèi)容之一。

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Analysis of characteristics and influencing factors of runoff variations in Xitiaoxi Basin

CAI Juan,XU You-peng,SHI Yi
(School of Geographic and Oceanographic Sciences,Nanjing University,Nanjing 210093,China)

Using upstream of Hengtangcun station in Xitiaoxi Basin as a study target,the characteristics,trend and influencing factors of annual runoff variation from 1972 to 2009 was analyzed with various numerical analysis methods,cumulative average deviation method and Mann-Kendall method based on long-term hydrological and meteorological observation data.The results indicated that the distribution of annual runoff was uneven,and the non-uniformity of distribution had weakened since 1980's.Compared to annual precipitation,annual runoff showed a bigger fluctuation,and the basin had been in a state of low flow or dried up since 2000.There was a significant decline in the annual runoff,while the decline trend in precipitation was not significant,and the correlation between precipitation and runoff was decreasing year after year.Precipitation was not the only factor influencing the runoff,and human activities such as hydraulic engineering,soil and water conservation,and water resources utilization were important factors for the large decrease of annual runoff.

runoff;variation characteristics;precipitation;human activities;Xitiaoxi Basin

TV121+.4

A

1004-6933(2011)03-0016-04

10.3969/j.issn.1004-6933.2011.03.004

國(guó)家自然科學(xué)基金(40730635);水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(200701024,200901042);國(guó)家自然科學(xué)基金(40571025)

蔡娟(1984—),女,江蘇鎮(zhèn)江人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗Y源水環(huán)境。E-mail:zixuan750@163.com

(收稿日期:2010-10-08 編輯:徐 娟)