嫩江流域徑流時(shí)空演化規(guī)律分析

李鴻雁，田 琪，王小軍，王紅瑞，于文泉

1.吉林大學(xué)地下水資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 1300212.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 2100293.水利部應(yīng)對(duì)氣候變化研究中心，南京 2100294.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875

嫩江流域徑流時(shí)空演化規(guī)律分析

李鴻雁1，田 琪1，王小軍2，3，王紅瑞4，于文泉1

1.吉林大學(xué)地下水資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130021
2.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029
3.水利部應(yīng)對(duì)氣候變化研究中心，南京 210029
4.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875

以流域時(shí)空分布理論框架為基礎(chǔ)，分析嫩江流域徑流時(shí)空演化規(guī)律，并著重從地形地貌影響因素方面進(jìn)行歸因分析。采用1955—2003年49a的降水資料和1955—1973年19a的徑流資料，通過對(duì)代表性水文站自上游至下游（空間上）徑流、地表徑流和地下徑流的年內(nèi)與年際（時(shí)間上）演變規(guī)律進(jìn)行分析。結(jié)果表明：1）嫩江流域降水年內(nèi)變化及年際變化過程基本一致，可以忽略降水時(shí)空分布對(duì)徑流時(shí)空演化規(guī)律的影響。2）從徑流年內(nèi)演化規(guī)律上可以判定上下游水源組合的差異性：上游以地表徑流為主，在春季來源于融雪，汛期來源于大氣降水，枯水季節(jié)來源于地下水補(bǔ)給；下游全年以地下徑流為主。3）由于坡度和水文地質(zhì)條件作用，上游更容易產(chǎn)流，下游受下墊面調(diào)蓄作用更強(qiáng)，不易產(chǎn)流；因此，從徑流年際演化規(guī)律上可以判定徑流產(chǎn)量自上游至下游逐漸減小。

徑流時(shí)空演化；直接徑流；地下徑流；地下徑流分割；嫩江流域

0 引言

河川徑流的時(shí)空分布規(guī)律是水資源時(shí)空演化規(guī)律研究的科學(xué)基礎(chǔ)。從理論上定量描述徑流的時(shí)空分布特性，不僅可以為今后對(duì)水資源的時(shí)空演化變異規(guī)律研究奠定理論基礎(chǔ)，而且能夠指導(dǎo)流域水資源合理開發(fā)利用乃至水資源科學(xué)預(yù)測。

流域徑流是氣候和下墊面自然地理因素綜合作用的產(chǎn)物，其分布特性首先取決于氣候條件；在同一氣候區(qū)或同一流域內(nèi)，則取決于下墊面綜合條件。影響地表徑流的因素主要有地形地貌特征、地面坡度、土地利用情況和植被分布等；影響地下徑流的因素除地形地貌和植被分布外，還包括土壤特征和水文地質(zhì)條件，例如包氣帶厚度、含水層水力特征及其空間分布、地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件等，這些因素從地下水的補(bǔ)給和排泄2個(gè)途徑來影響地下徑流［1－2］。由此看來，在流域不同的匯水區(qū)域上，由于下墊面條件的差異性導(dǎo)致了地表徑流和地下徑流組成的不同，最終導(dǎo)致徑流演化過程的不同［3－4］。在研究嫩江流域徑流特征時(shí)，發(fā)現(xiàn)嫩江干流自上而下不同匯水區(qū)域上徑流的年內(nèi)和年際變化呈現(xiàn)明顯規(guī)律性［5－6］，這直觀地反映了徑流形成存在時(shí)間（年內(nèi)與年際）和空間（自上游至下游）演化的規(guī)律性。

在綜合國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，王浩等［7］于2004年提出了徑流時(shí)空分布理論框架，指出徑流時(shí)空分布受降水時(shí)空分布、河網(wǎng)結(jié)構(gòu)和流域地貌綜合影響。徑流時(shí)空分布理論的提出在概念上明確了流域徑流時(shí)空演化規(guī)律的可探索性。筆者引用“時(shí)空演化理論”這一概念，通過研究嫩江流域地表徑流和地下徑流的時(shí)空演化規(guī)律，揭示其本質(zhì)原因；通過應(yīng)用改良Eckhardt遞歸數(shù)字濾波法將河川徑流分為直接徑流和地下徑流兩部分，并分別對(duì)直接徑流和地下徑流的時(shí)空演化規(guī)律進(jìn)行分析。擬通過嫩江流域不同匯水區(qū)河川徑流、地表徑流和地下徑流時(shí)空演化規(guī)律，從流域地形地貌、水文地質(zhì)條件方面分析其對(duì)徑流形成作用的規(guī)律，以期為流域水資源評(píng)價(jià)、預(yù)測及合理開發(fā)利用提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

嫩江是松花江的北源，發(fā)源于大興安嶺山脈右麓的伊勒呼里山中段南側(cè)。河源海拔高程1 030 m，河流全長1 370km，流域面積29.7萬km2。

流域多年平均降水量為400～500mm，上游多于下游，山區(qū)多于平原。流域降水年內(nèi)分配極不均勻：主要集中在6—9月，占年降水量的80%以上，其中7—8月雨量集中，占年降水量的50%以上；冬季降水量很少，僅占年降水量的5%以下。

筆者選取了石灰窯、尼爾基、同盟、江橋和大賚，即嫩江二級(jí)子流域所對(duì)應(yīng)的干流自上游至下游的5個(gè)代表性水文站，如圖1所示。各代表性水文站所對(duì)應(yīng)的匯水區(qū)面積分別為17 205、66 382、108 029、162 569和221 715km2。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用降水和徑流數(shù)據(jù)由水利部松遼水利委員會(huì)提供。降水采用1955—2003年共計(jì)49a的數(shù)據(jù)。由于1973年以后嫩江流域開始農(nóng)田灌溉和水利工程建設(shè)，河川徑流受到人類活動(dòng)影響顯著［8］，因此，筆者在進(jìn)行徑流時(shí)空演化規(guī)律分析時(shí)采用1955—1973年未受人類活動(dòng)影響時(shí)各代表性水文站天然狀態(tài)下的日徑流數(shù)據(jù)，共計(jì)19a。

尼爾基水庫目前是嫩江干流上唯一一座控制性水利工程，于2005年正式投產(chǎn)運(yùn)行。本文數(shù)據(jù)均為2003年以前監(jiān)測，故不需進(jìn)行還原計(jì)算。

2 地下徑流分割

圖1 嫩江流域水系及代表性水文站分布Fig.1 Water system and representative hydrological stations distribution in Nenjiang River basin

地下徑流分割可以完成地表徑流和地下徑流的水源劃分。研究表明，Eckhardt濾波法（簡稱ECK濾波法）的地下徑流分割結(jié)果能反映產(chǎn)匯流規(guī)律，且計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定，較其他方法更加合理［9］。因此，本文地下徑流分割采用ECK濾波法。

2.1 ECK濾波法原理

數(shù)字濾波法是近年來國際上研究最多的地下徑流分割方法，其基本原理是通過數(shù)字濾波器對(duì)河川徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)分析，將整個(gè)河川徑流過程分為高頻和低頻2部分，即地表徑流和地下徑流［10］。目前，國際上的數(shù)字濾波法有很多，ECK濾波法是Eckhardt［10］在2005年提出的，其濾波方程為

其中：q為地下徑流，m3/d，下角標(biāo)τ為時(shí)間序數(shù)，時(shí)段長度為天；α為濾波參數(shù)；BFImax為最大地下徑流指數(shù)；Q為河川徑流，m3/d。

Eckhardt［11］在美國65個(gè)流域應(yīng)用ECK濾波法與其他方法進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，該方法估算的地下徑流最為合理。

2.2 參數(shù)的選取

在ECK濾波法中，參數(shù)BFImax的取值最為關(guān)鍵，由該地區(qū)水文地質(zhì)條件指標(biāo)得出。根據(jù)Eckhardt研究成果，在不同水文地質(zhì)條件下BFImax有經(jīng)驗(yàn)參考值，但是，為確保地下徑流分割結(jié)果更加科學(xué)，筆者在每個(gè)水文站采用滑動(dòng)最小值法選取參數(shù)，來率定不同區(qū)域的BFImax值。

濾波參數(shù)α通過試算比較取為0.985。

3 降水時(shí)空分布規(guī)律

流域徑流來源于降水，因此，分析流域徑流時(shí)空演化規(guī)律必須首先從降水的時(shí)空分布規(guī)律入手。筆者采用代表性水文站匯水區(qū)1955—2003年49a的降水資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到嫩江流域不同匯水區(qū)降水在年內(nèi)和年際變化規(guī)律。

圖2為嫩江流域干流代表性水文站匯水區(qū)域的降水時(shí)空分布圖。

由圖2a可以看出，嫩江流域降水集中在汛期，即6—9月。受地理位置及大氣環(huán)流特點(diǎn)的影響［12］，在時(shí)間上，尼爾基—同盟—石灰窯各站降水峰值出現(xiàn)時(shí)間依次滯后，降水過程相似；江橋站的降水過程和尼爾基類似，但是降水更加集中；大賚站降水峰值稍大于其他水文站。總體而言，嫩江流域各區(qū)域降水年內(nèi)分配在過程上基本一致，在峰值上相差不多。為了分析問題方便，可以認(rèn)為降水在空間上均勻分布，由此可以忽略降水空間演化對(duì)徑流的影響。

從圖2b來看，從上游到下游降水豐枯年份變化基本一致。進(jìn)一步進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征分析，見表1。

由表1可以看出：在降水量上，上游大于下游；在年際變化上，除石灰窯（位于最上游）變差系數(shù)（0.17）較小外，其他各站變差系數(shù)相當(dāng)，即嫩江流域降水的年際變化在上下游存在一致性。因此，在進(jìn)行徑流年際演化規(guī)律分析時(shí)，可以忽略降水年際變化的影響。

圖2 嫩江流域代表性水文站匯水區(qū)降水時(shí)空分布圖Fig.2 Precipitation distribution of catchment areas of representative hydrological stations in Nenjiang River basin

表1 嫩江流域代表性水文站匯水區(qū)降水統(tǒng)計(jì)特征Table 1 Precipitation statistic characteristics of catchment areas of representative hydrological stations in Nenjiang River basin

4 徑流時(shí)空演化規(guī)律

筆者結(jié)合嫩江流域干流代表性水文站長系列徑流監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時(shí)為了更深入研究徑流組成及過程特征，采用Eckhardt濾波法分割河川徑流為地表徑流和地下徑流。比較自上游至下游不同匯水區(qū)徑流來源、組成和量級(jí)上的差異性，以分析徑流的空間演化規(guī)律；比較各匯水區(qū)徑流的年內(nèi)和年際變化規(guī)律，以研究徑流在時(shí)間上的演化規(guī)律。

4.1 徑流年內(nèi)演化

圖3為實(shí)測嫩江流域代表性水文站匯水區(qū)多年平均年內(nèi)徑流演化過程圖。從圖3可知，上游徑流年際變化平穩(wěn)，而下游年際變化較大。實(shí)際上，這是由于各站徑流數(shù)量級(jí)差別較大帶來的影響。例如，上游石灰窯匯水面積最小，徑流量一般為0.52～232.9m3/s，這個(gè)變幅相對(duì)于下游大賚站平均值（783.0m3/s）而言，可以忽略不計(jì)，故看到圖3中石灰窯的年徑流過程幾乎沒有波動(dòng)。為了消除匯水面積的影響，采用徑流深來度量徑流，如圖4所示。由于圖4中枯水季節(jié)徑流深顯級(jí)較小，具體數(shù)據(jù)見表2、表3。

圖3 嫩江流域代表性水文站實(shí)測多年平均徑流年內(nèi)演化過程Fig.3 Measured average annual runoff evolution of the representative hydrological stations catchment area in Nenjiang River basin

對(duì)比分析圖4和表2、表3，可以總結(jié)出如下規(guī)律。

1）從圖4a可知：徑流深自上游至下游逐漸減??；1—3月和11—12月為枯水季節(jié)，徑流量很少，徑流主要集中在4—10月。原因是：越往下游，下墊面的調(diào)蓄作用越大，越不利于徑流形成；另外，下游平原地區(qū)人類活動(dòng)影響更為顯著，其降水轉(zhuǎn)化為徑流的產(chǎn)流過程更為復(fù)雜。從圖4b、c來看，上游（石灰窯、尼爾基和同盟）徑流由地表徑流和地下徑流共同組成，而下游（江橋和大賚）主要由地下徑流組成，尤其在10—12月，基本沒有地表徑流。

圖4 嫩江流域代表性水文站匯水區(qū)徑流深年內(nèi)演化過程Fig.4 Average annual depth of runoff evolution of the representative hydrological stations in Nenjiang River basin

2）從圖4a可知：上游有3個(gè)峰值，分別在5月、7月和9月；而下游只有2個(gè)峰值，江橋站出現(xiàn)在5月和8月，大賚站出現(xiàn)在5月和9月。在5月，積雪融化，形成融雪徑流；在7—9月，降水增加導(dǎo)致徑流增加。要特別注意的是（圖2a和圖4b）：上游降水峰值出現(xiàn)在8月，而徑流在此時(shí)突然降低；下游降水峰值出現(xiàn)在7月，而徑流峰值出現(xiàn)在8月。結(jié)合圖4b、c可知：8月上游地下徑流處于增加趨勢，但地表徑流在減少，也就是說，上游徑流在8月出現(xiàn)凹點(diǎn)是由于地表徑流減少所致（圖4b）。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：上游下墊面在春季融雪徑流的補(bǔ)給下，包氣帶中的含水量大幅增加，此時(shí)植被生長旺盛，太陽輻射強(qiáng)烈，由此導(dǎo)致蒸散發(fā)量大幅增加，盡管降水峰值在此時(shí)出現(xiàn)，但由于包氣帶的調(diào)蓄作用，產(chǎn)匯流過程會(huì)有滯后，這就使上游地表徑流在8月出現(xiàn)了凹點(diǎn)，因而導(dǎo)致河川徑流在此時(shí)出現(xiàn)了凹點(diǎn)。同理，由于下游徑流主要由地下徑流組成，來源于地下水的補(bǔ)給，由下墊面水文地質(zhì)因素調(diào)節(jié)控制，因此，徑流峰值出現(xiàn)（9月）滯后降水峰值（7月）2個(gè)月。

表2 枯水月份地表徑流深Table 2 Average annual depth of surface runoff in dry season mm

表3 枯水月份地下徑流深Table 3 Average annual depth of groundwater runoff in dry season mm

3）從圖4a可知：在4—9月，徑流深由上游至下游逐漸減小，即上游大于下游；與此相反，在11—12月，徑流深由上游至下游逐漸增大，即上游小于下游。從圖4b來看，上游地表徑流深汛期（4—10月）大于下游，枯水季節(jié)（1—3月和11—12月）上游小于下游。產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是因?yàn)樯嫌蜗聣|面厚度較大且坡度大，易產(chǎn)流不易下滲，故有利于地表徑流的形成而地下徑流較少，在枯水季節(jié)，下游坡度平緩且河網(wǎng)發(fā)育，地表徑流不易消退，因此下游大于上游。從圖4c來看，4—7月上游地下徑流大于下游，而自7月開始，上游地下徑流就小于下游。其原因在于：在4—9月，徑流主要來源于降水（降雪和降雨），由于坡度和水文地質(zhì)條件作用，上游更容易產(chǎn)流，而下墊面調(diào)蓄作用相比下游更弱；而在枯水季節(jié)，徑流主要以地下徑流為主，來源于地下水的補(bǔ)給，同時(shí)，下游下墊面的調(diào)蓄作用要大于上游，因此，下游徑流深大于上游。

4.2 徑流年際演化

圖5 嫩江流域代表性水文站實(shí)測年徑流年際演化過程Fig.5 Measured average interannual runoff evolution of the representative hydrological stations in Nenjiang River basin

圖5為實(shí)測嫩江干流各代表性水文站匯水區(qū)年徑流過程圖。從圖5可知，上游徑流年際變化平穩(wěn)，而下游年際變化較大。這也是由于各站徑流數(shù)量級(jí)差別較大帶來的影響。為了消除匯水面積影響，折算為徑流深，如圖6所示。

從圖6a、c可知，各站的徑流和地下徑流在年際之間無論從量級(jí)上還是趨勢性上都保持著一致性的變化；地表徑流各站之間年際變化差異性較大（圖6b），上游的波動(dòng)性較大而下游的波動(dòng)性較小，趨近于平緩。合理的解釋是上游以地表徑流為主，無論從量級(jí)上還是波動(dòng)程度上都較下游大。下游基本上為地下徑流，徑流量的演化主要以下墊面的調(diào)蓄作用為主，主要形成的是地下徑流，地表徑流則常年趨于平緩。為了消除量級(jí)上的差異，進(jìn)一步采用變差系數(shù)分析年際變化，見表4。

圖6 嫩江流域代表性水文站匯水區(qū)徑流深年際演化圖Fig.6 Interannual depth of runoff evolution diagram of the representative hydrological stations in Nenjiang River basin

從表4可知：

1）從空間演變上看，自上游至下游徑流的年際變化逐漸增大。這是因?yàn)椋荷嫌螐搅髦饕从诮邓?，降水年際變化相對(duì)穩(wěn)定；下游徑流主要來源于地下水補(bǔ)給，受下墊面調(diào)蓄作用的影響較大。下游的江橋站和大賚站位于嫩江平原地區(qū)，該地區(qū)作為東北商品糧主產(chǎn)區(qū)，農(nóng)業(yè)灌溉用水需求較大，即人類活動(dòng)對(duì)地下水影響較大，因此，下游徑流年際變化較大的原因是人類活動(dòng)的影響；下游的下墊面條件也是主要影響因素，因下游地處平原，坡度很小，不易產(chǎn)生地表徑流；另外，下游的地下水埋深小，地表水和地下水聯(lián)動(dòng)密切，降水更加利于轉(zhuǎn)化為地下徑流；而且，由于包氣帶厚度小，下游的下墊面條件更加利于蒸散發(fā)，受氣候的影響也更大。因此，下游徑流的變差系數(shù)較大。

表4 嫩江代表性水文站年徑流變差系數(shù)比較Table 4 Comparison of annual runoff coefficients statistical parameters of the representative hydrological stations in Nenjiang River basin

2）一方面，對(duì)于各水文站而言，均存在地表徑流年際變化大于地下徑流年際變化的現(xiàn)象，即地表徑流較地下徑流在年際之間變化更為顯著；另一方面，地表和地下徑流的變差系數(shù)都是由上游至下游逐漸增大，呈現(xiàn)上游比下游年際變化小的規(guī)律。究其原因，上下游水源的差異性和人類活動(dòng)影響有關(guān)，即上游徑流主要來源于大氣降水，下游徑流主要來源于地下水補(bǔ)給，而下游平原地區(qū)人類活動(dòng)影響較上游更為顯著。

5 結(jié)論

1）對(duì)嫩江代表性水文站對(duì)應(yīng)匯水區(qū)降水年內(nèi)和年際變化特征分析表明，嫩江流域降水上游大于下游，降水峰值出現(xiàn)時(shí)間自下游至上游依次滯后，降水年內(nèi)變化過程及年際變化過程基本一致，因此，可以忽略嫩江流域降水時(shí)空分布對(duì)徑流時(shí)空演化規(guī)律的影響。

2）從徑流年內(nèi)演化規(guī)律上可以判定上下游水源組合的差異性。上游徑流以地表徑流為主，在春季來源于融雪，汛期來源于大氣降水，枯水季節(jié)來源于地下水補(bǔ)給；下游徑流全年以地下徑流為主。不同水源的產(chǎn)流機(jī)理不同，地表徑流主要受地表?xiàng)l件和包氣帶特征制約，而地下徑流主要受水文地質(zhì)條件（地下水埋深，滲透性等）控制，因此，在水資源評(píng)價(jià)和水資源預(yù)測中，不同匯水區(qū)考慮的影響因子也應(yīng)該不同。

3）從徑流年際演化規(guī)律上可以判定在徑流產(chǎn)量上自上游至下游逐漸減小。其原因包括：上游降水大于下游降水，但這個(gè)因素影響較小；另一方面，由于坡度和水文地質(zhì)條件作用，上游更容易產(chǎn)流，相反，下游受下墊面調(diào)蓄作用更強(qiáng)，不易產(chǎn)流；人類活動(dòng)影響也是制約產(chǎn)流的重要因素，嫩江下游為平原地區(qū)，作為東北商品糧主產(chǎn)區(qū)，農(nóng)業(yè)灌溉用水需求較大，即人類活動(dòng)對(duì)地下水影響較大。

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Analysis on the Laws of Spatio-Temporal Changes of Runoff in Nenjiang River Basin

Li Hongyan1，Tian Qi1，Wang Xiaojun2，3，Wang Hongrui4，Yu Wenquan1

1.KeyLaboratoryofGroundwaterResourcesandEnvironment，MinistryofEducation，JilinUniversity，Changchun130021，China
2.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering，NanjingHydraulic ResearchInstitute，Nanjing210029，China
3.ResearchCenterforClimateChange，MinistryofWaterResources，Nanjing210029，China
4.CollegeofWaterSciences，BeijingNormalUniversity，Beijing100875，China

Based on the spatial and temporal distribution theory of basin，the evolution of the Nenjiang River basin runoff space-time laws was analyzed.And it focused on the attribution analysis of the factors of topography effect.Based on the precipitation data from 1955to 2003（49a）and runoff data from 1955to 1973（19a），the evolution of runoff，surface runoff and underground runoff were analyzed from upstream to downstream of the representa-tive hydrological stations.What the results shows is as follows：1）In Nenjiang River basin，the inter-annual and space-time change of rainfall are consistent.So the impact of spatial and temporal distribution of precipitation can be ignored when runoff evolution is analyzed.2）The headwater differences from upstream to downstream can be determined through annual runoff evolution.The upstream is surface runoff.In the spring，the runoff is from snowmelt.In the rainy season，it is from atmospheric precipitation.In the dry season，it comes from groundwater recharge.The downstream is mainly underground runoff.3）Because of slope and hydrogeological conditions，it is easier for upstream to produce flow.From upstream to downstream，the runoff volume is gradually reduced.

spatio-temporal changes of runoff；direct runoff；groundwater runoff；groundwater flow separation；Nenjiang River basin

10.13278/j.cnki.jjuese.201404206

P641.1

A

李鴻雁，田琪，王小軍，等.嫩江流域徑流時(shí)空演化規(guī)律分析.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：地球科學(xué)版，2014，44（4）：1282-1289.

10.13278/j.cnki.jjuese.201404206.

Li Hongyan，Tian Qi，Wang Xiaojun，et al.Analysis on the Laws of Spatio-Temporal Changes of Runoff in Nenjiang River Basin.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2014，44（4）：1282-1289.doi：10.13278/j.cnki.jjuese.201404206.

2013-11-09

國家自然基金面上項(xiàng)目（51379088，51309155）；吉林省科技廳科技支撐項(xiàng)目（20130206088SF）；中國博士后科學(xué)基金（2013M530027）

李鴻雁（1968—，女，教授，博士，主要從事水文水資源預(yù)測預(yù)報(bào)研究，E-mail：lihongyan＠jlu.edu.cn。