長江上游流域徑流年內分配特征分析

王渺林，侯保儉

(1.重慶交通大學河海學院，重慶 400074;2.長江上游水文水資源勘測局，重慶 400014)

長江上游流域徑流年內分配特征分析

王渺林1，2，侯保儉1

(1.重慶交通大學河海學院，重慶 400074;2.長江上游水文水資源勘測局，重慶 400014)

根據(jù)長江上游主要測站徑流資料，分析了年內分配不均勻系數(shù)、集中度和集中期、變化幅度等特性。分析站點包括金沙江屏山站、岷江高場站、嘉陵江北碚站、長江上游干流寸灘站及烏江武隆站。結果表明:北碚站的不均勻性要大于其它站點;北碚站集中性最大，而武隆站最小;武隆站的徑流集中期大部分為6月下旬，其它站集中期在7—8月;北碚站的相對變化幅度要大于其它站點，而屏山站最小。進一步應用Kendall秩次相關法分析各站的徑流年內分配特征年際變化情況，發(fā)現(xiàn)高場站的不均勻性系數(shù)、集中度、相對變化幅度存在明顯減少趨勢。

徑流;年內分配;長江上游;變化趨勢

長江上游是指源頭至湖北宜昌段，主要有金沙江、岷沱江、嘉陵江、烏江等水系，流域面積約1×106km2，徑流量約占全流域的47%。長江上游流域海拔落差大，地形植被等復雜，受西南季風和東南季風影響以及青藏高原的影響，是氣候變化的脆弱地區(qū)［1］。不少專家學者開展了長江流域水文要素變化特征分析、氣候及水文環(huán)境變化趨勢分析［1-4］，這些研究多側重于氣候變化趨勢及對水資源的影響，但對徑流年內分配規(guī)律反應水資源涵養(yǎng)能力指標的深入研究較少。

河川徑流年內分布特征對流域城市部落和生態(tài)系統(tǒng)有很大影響。首先，徑流的豐枯變化會引起水資源供需關系的改變，加大水供需矛盾;其次，對河流的開發(fā)利用以及水資源調度會產生直接影響;第3，它是旱澇災害的最直接表現(xiàn);第4，河川徑流年內分配特征的變化對應著徑流補給條件的變化;第5，其變化影響著與之相關的一系列物理、化學和生物過程。在氣候變化以及人類活動的驅動下，河川徑流的年內分布發(fā)生著相應的變化。徑流年內分配的變化必然給水資源管理、農業(yè)以及水生生態(tài)系統(tǒng)帶來一系列的影響［5-6］。

筆者分析長江上游流域5個主要控制站:金沙江屏山站、岷江高場站、嘉陵江北碚站、長江上游干流寸灘站和烏江武隆站的徑流年內分配特征。

1 徑流年內分配特征的描述方法

徑流的年內變化通常包含徑流量值(包括年徑流總量和單月流量等)數(shù)值上的變化和徑流過程線的起伏形狀上的變化。徑流年內分配特征有多種不同表示方法，通常使用較多的有每個月(或季)占年徑流總量的百分比、汛期和非汛期占年徑流總量的百分比等。為了進一步定量分析長江上游流域徑流年內變化規(guī)律，筆者采用徑流不均勻系數(shù)、集中度和集中期等不同指標，從不同角度分析長江上游徑流年內分配特征的變化規(guī)律。

1.1 不均勻性

氣候變化具有季節(jié)波動性，氣象要素如降水、氣溫等都有明顯的季節(jié)性變化，這在相當大程度上決定了徑流年內分配的不均勻性。綜合反映徑流年內分配不均勻性的特征值有多種計算方法。筆者用徑流年內分配不均勻性系數(shù)Cv來衡量徑流年內分配不均勻性。Cv值越大即表明年內各月徑流量相差懸殊，徑流年內分配越不均勻。徑流年內分配不均勻性系數(shù)Cv的計算公式如式(1):

1.2 集中度和集中期

可以看出，合成向量的方位，集中期D指示了月徑流量合成后的總效應，也就是向量合成后重心所指示的角度，即表示1年中最大月徑流量出現(xiàn)的月份。而集中度則反映了集中期徑流量占全年總徑流量的比例。從這個角度看，集中度與通常使用的汛期徑流占全年徑流比例有明顯的相關關系。

1.3 變化幅度

徑流變化幅度的大小對水利調節(jié)、航運、發(fā)電和水生生物的生長繁殖都有重要的影響。徑流變化幅度過大，不利于水生生物回游繁殖，水資源的開發(fā)利用難度相應增加，航運和發(fā)電風險增加，水利調節(jié)的力度就必須相應加強。本文用相對變化幅度指標來衡量河川徑流的變化幅度，即取河川徑流最大月流量(Qmax)和最小月流量(Qmin)之比，式(5):

1.4 年內分配特征變化的趨勢性

應用Kendall秩次相關法分析各控制站的徑流年內分配特征以及年際變化趨勢。Kendall秩次相關法是一種簡便有效的非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，其中統(tǒng)計量τ，方差和標準化變量M計算公式分別為:4P

上式中:P為徑流序列所有對偶觀測值(Wi，Wj，j＞i)中Wi＜Wj的出現(xiàn)個數(shù);N為序列個數(shù)。

M大于0，則說明序列增加;反之，為減小。取信度 a=0.05，相應的臨界值 Ma=1.96。如果|M|＞Ma，則序列發(fā)生顯著變化。

2 徑流年內分配特征

以長江上游流域5個主要控制站的徑流觀測數(shù)據(jù)為基礎(包括金沙江屏山站、岷江高場站、嘉陵江北碚站、長江上游干流寸灘站及烏江武隆站)，分析長江上游流域徑流年內分配特征。分析站點情況見表1。5個測站的年內分配特征指標年內分配不均勻性系數(shù)、集中度、集中期和變化幅度見表2。

表1 分析站點Table 1 Gauging stations

表2 長江上游徑流年內分配特征指標Table 2 The upper Yangtze River of annual runoff feature index

比較上述5個測站的徑流年內分配特征可知:①從不均勻性看，北碚站的不均勻性要大于其它站點;②從集中性看，北碚站集中性最大，而武隆站最小;③從集中期看，武隆站的徑流集中期除了80年代在7月初，其他年代均為6月下旬，其它站集中期在7—8月;④從年內變化幅度來看，北碚站的相對變化幅度要大于其它站點，而屏山站最小。

進一步計算5個測站的不均勻性系數(shù)、集中度、相對變化幅度的Kendall檢驗變量M，分析變化趨勢，結果見表3。

表3 徑流年內分配特征變化的趨勢性分析結果Table 3 Inter-annual changing trends of runoff distribution

從表3可知:①不均勻性系數(shù)都有減少的趨勢，高場站顯著減少;②除武隆站外，集中度有減少的趨勢，高場站顯著減少;③屏山、武隆站相對變化幅度稍微增加，北碚、寸灘相對變化幅度稍微減少，高場站顯著減少。高場站的不均勻性系數(shù)、集中度、相對變化幅度存在明顯減少趨勢。高場站徑流年內分配不均勻性系數(shù)變化見圖1。

圖1 高場徑流年內分配不均勻性系數(shù)變化Fig.1 Changes of unevenness of annual runoff distribution at Gaochang Staion

由圖1可知，高場站徑流年內分配不均勻性系數(shù)有明顯的減少趨勢，這與岷江流域大量水電開發(fā)有關。岷江上游干流已建成和在建的電站就有6座，支流水庫不下10座［7］。徑流年內分配特征的變化與流域內水電開發(fā)等人類活動有直接關系。水庫調度尤其是水庫群的聯(lián)合調度運行會顯著改變河流的徑流過程，季或年調節(jié)水庫都會改變河流一個季節(jié)或年內的水流過程。梯級水庫群的聯(lián)合調度將使河流的洪枯變幅減弱，反映了不均勻性系數(shù)、集中度、相對變化幅度等指標減少，使隨機的水文過程變成人為的水庫調度過程［8］。

3 結語

通過對長江上游流域5個主要控制站金沙江屏山站、岷江高場站、嘉陵江北碚站、長江干流寸灘站、烏江武隆站徑流年內分配特征的分析，得出結論如下:

1)從不均勻性看，北碚站的不均勻性要大于其它站點;

2)從集中性看，北碚站集中性最大，而武隆站最小;

3)從集中期看，武隆站的徑流集中期大部分為6月下旬，其它站集中期在7—8月;

4)從年內變化幅度來看，北碚站的相對變化幅度要大于其它站點，而屏山站最小。

5)應用Kendall秩次相關法分析各站徑流年內分配特征年際變化情況，發(fā)現(xiàn)高場站的不均勻性系數(shù)、集中度、相對變化幅度存在明顯減少趨勢。

長江上游流域水資源總量的變化主要受控于氣候的變化，除了受人類活動的影響外，上游降水量的減少導致宜昌徑流量的下降。而徑流年內分配特征的變化則與水電開發(fā)等人類活動有直接關系。水庫調度運行顯著改變了河流的水流過程，不均勻性系數(shù)、集中度、相對變化幅度等指標減少。未來幾十年，長江上游干支流上將會修建更多的水電工程，屆時會將形成較大規(guī)模的梯級水電站群和梯級水庫聯(lián)合調度群，這些水電站和水庫投入運行后，將會對長江上游乃至長江全流域的徑流、航運、生態(tài)與環(huán)境產生重要影響［8］。

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Changes of Annual Runoff Distribution in Upper Streams of Yangtze River Basin

Wang Miaolin1，2，Hou Baojian1
(1.School of River＆ Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.Upper Yangtze River Survey Bureau of Hydrology＆ Water Resources，Chongqing 400014，China)

In this paper，indexes of concentration，concentration period，unevenness and variation have been defined and calculated according to gauge records of runoff at the main station in the upper streams of the Yangtze River Basin.The main stations include the Pingshan Station on the Jinsha River，the Gaochang Station on the Minjiang River，the Beibei Station on the Jialing River，the Cuntan Station on the upper Yangtze River and the Wulong Station on the Wujiang River.And then the changes of annual runoff distribution in the upper streams of the Yangtze River Basin have been discussed.The results show that the unevenness of Beibei Station is greater than the other stations;the concentration unevenness of Beibei Station is the greatest and Wulong Station is the smallest.The concentration period of Wulong Station is in late June and in the other station is in July or August.The relative variation rate of Beibei Station is the greatest and Pinshan Station is the smallest.The inter-annual changes of annual runoff distribution were further analysed by the Kendall's rank correlation method.The results show that the unevenness，concentration and relative variation rate decreased obviously.The conclusions are meaningful for water resources management in the upper streams of the Yangtze River Basin.

runoff;annual runoff distribution;the upper streams of Yangtze River Basin;changing trends

TV121

A

1674-0696(2012)04-0873-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2012.04.33

2011-10-31;

2011-11-15

國家科技支撐計劃項目(2007BAB21B01-01)

王渺林(1975—)，男，安徽祁門人，高級工程師，博士，主要從事水文水資源研究。E-mail:wangmiaolin@163.com。