氣候變化對(duì)柴河流域水文特征值的影響分析

孫逸群 徐玉英

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 2.遼寧省柴河水庫管理局， 遼寧 鐵嶺 112000)

氣候變化對(duì)柴河流域水文特征值的影響分析

孫逸群1徐玉英2

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 2.遼寧省柴河水庫管理局， 遼寧 鐵嶺 112000)

本文基于氣候變化對(duì)柴河流域整個(gè)水文范疇形成影響的反應(yīng)鏈新觀點(diǎn)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，按影響的層次，分析了氣候變化對(duì)反應(yīng)鏈的第一環(huán)節(jié)——降水、徑流等流域水文特征值及對(duì)柴河流域水文特征值產(chǎn)生的明顯影響。

氣候變化； 柴河流域； 水文特征值； 影響

自20世紀(jì)七八十年代以來，柴河流域氣候(主要指氣溫)發(fā)生了明顯變化。受其影響，流域降雨、徑流特征發(fā)生了顯著改變。這些變化引發(fā)了流域水文特征值、設(shè)計(jì)洪水和洪水風(fēng)險(xiǎn)等涉及水庫防洪和供水安全的深層次要素的變化，對(duì)流域內(nèi)水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)和安全產(chǎn)生了重要影響。因此，有必要對(duì)柴河流域水文方面受氣候變化的影響逐一分析。

為深入研究氣候變化對(duì)流域內(nèi)水文領(lǐng)域產(chǎn)生的重要影響，本文提出氣候變化對(duì)流域水文特征值和洪水風(fēng)險(xiǎn)影響形成反應(yīng)鏈的新觀點(diǎn)，影響鏈結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氣候變化對(duì)水文特征和洪水風(fēng)險(xiǎn)影響鏈?zhǔn)疽鈭D

為論證此觀點(diǎn)，本文以資料較完備的柴河流域及其下游的大型水庫為典型,分析氣候變化對(duì)反應(yīng)鏈環(huán)節(jié)的影響。

1 概 況

柴河是遼河支流，全長143km，流域面積1501km2，其下游建有柴河水庫,控制流域面積1355km2，總庫容6.36億m3。柴河流域及位于遼寧境內(nèi)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)123°54′～124°55′，北緯42°08′～42°21′，這一區(qū)域的氣溫變化趨勢(shì)與遼寧省氣溫變化趨勢(shì)完全一致。

本文分析計(jì)算采用的主要資料有：年(Py)、汛期(Pf)、主汛期(Pmf)和汛期最大單場降雨量(Pmax)；年(Wy)、汛期(Wf)和主汛期徑流量(Wmf)；汛期內(nèi)最大洪水的7日(W7)、3日洪量(W3)和洪峰流量(Qm)。詳見圖2～圖4。

圖2 降雨量

圖3 徑流量

圖4 洪峰流量

2 氣候變化對(duì)柴河流域降雨特性的影響分析

根據(jù)《遼寧氣候變化公報(bào)(第一期)》，20世紀(jì)七八十年代以來，遼寧省氣溫呈明變暖趨勢(shì)，近百年上升了約1.60℃，近50年上升了2℃。1975年開始出現(xiàn)明顯的增暖趨勢(shì)，1989年至今氣溫持續(xù)偏高。最暖的10年均出現(xiàn)在1990年以后，1998年最暖，1995年和2005分別為第二和第三暖年，詳見圖5。

圖5 1906—2005年遼寧省年平均氣溫距平圖 (引自《遼寧氣候變化公報(bào)(第一期)》

柴河流域降雨特性在氣溫持續(xù)上升的1989年前后的兩個(gè)時(shí)期呈現(xiàn)了明顯差異。分別計(jì)算氣溫持續(xù)上升前、后兩個(gè)時(shí)期降雨量統(tǒng)計(jì)參數(shù)及時(shí)程分配比重，列入表1。

表1 氣候變暖前后柴河流域降雨量統(tǒng)計(jì)參數(shù)及時(shí)程分配比重對(duì)比

上述結(jié)果表明：氣溫升高對(duì)降雨均值的影響與量值的時(shí)間尺度有關(guān)。尺度大的，如：年和汛期降雨量均值呈減小趨勢(shì)。尺度小的，如：主汛期和汛期最大單場降雨量均值呈增加趨勢(shì)。隨著氣候變暖，各類時(shí)間尺度的降雨量變差系數(shù)Cv均呈增加趨勢(shì)；氣溫持續(xù)升高后使降雨在時(shí)間上的集中程度加大；氣溫升高后，降雨歷時(shí)縮短，雨強(qiáng)增加，造峰雨集中程度高；極端降雨事件頻次增加，且程度加深。

3 氣候變化對(duì)柴河流域徑流特性的影響分析

依據(jù)上述資料，分別計(jì)算氣候變暖前后柴河流域徑流量統(tǒng)計(jì)參數(shù)、徑流量時(shí)程分配比重，列于表2。

表2 氣候變暖前后柴河流域徑流量及洪峰流量統(tǒng)計(jì)參數(shù)及徑流量時(shí)程分配對(duì)比

上述結(jié)果表明：氣溫升高后，徑流的變化趨勢(shì)與降雨變化基本一致，變暖后的徑流均值，隨量值時(shí)間尺度的減小逐漸增大，即：按年、汛期、主汛期、最大單場依次由減小逐漸過渡到增加；氣候變暖后變差系數(shù)均呈增加趨勢(shì)，表明離散度明顯增加；氣候變化后的徑流與降雨一樣，在時(shí)間上的集中程度加大；氣象因子是形成徑流最直接、最主要的因素。其中，氣溫通過影響降雨、流域蒸散發(fā)影響洪水和徑流，降雨則是其直接來源，氣候變化對(duì)“對(duì)徑流型態(tài)”的影響，最終體現(xiàn)于洪水過程，氣候變暖后高強(qiáng)度造峰暴雨形成了峰高量大、陡漲陡落洪水。

4 氣候變化對(duì)柴河流域極端水文事件的影響

氣候變暖以復(fù)雜的方式影響徑流過程。氣候變暖使降雨量增加，但也使流域蒸散發(fā)量增加，降雨初損增加。若前者作用大于后者，則會(huì)形成更大量級(jí)洪水；若后者作用大于前者，則會(huì)發(fā)生更嚴(yán)重的干旱。表3以氣候變暖時(shí)間點(diǎn)為界，列出了柴河流域有資料記載以來極端水文事件發(fā)生次數(shù)。

表3 氣候變暖前后柴河流域極端水文事件發(fā)生次數(shù)對(duì)比

上述結(jié)果表明：氣候變暖后，平均每10年，重現(xiàn)期大于5年的大洪水發(fā)生的次數(shù)是變暖前的2.6倍，嚴(yán)重干旱發(fā)生的次數(shù)是變暖前的3.1倍?？梢姎夂蜃兓沽饔蚝樗畯搅鞒拭黠@的兩極分化趨勢(shì)，使極端水文事件的量值和發(fā)生頻率明顯增加。

5 柴河流域氣候變化對(duì)萬年一遇以下各頻率水文特征值的影響

5.1 分析方法及結(jié)果

為配合氣候變化對(duì)流域內(nèi)水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)影響的分析，且考慮現(xiàn)行水庫設(shè)計(jì)洪水的復(fù)核方法，選取以下3個(gè)時(shí)間系列的Qm、W3、W7資料進(jìn)行分析：

1935—1970年系列：氣候未出現(xiàn)變暖趨勢(shì)(柴河水庫設(shè)計(jì)資料)；

1935—1988年系列：氣候已出現(xiàn)變暖趨勢(shì)，但氣溫未持續(xù)上升；

1935—2008年系列：包含氣候未變暖，氣候已出現(xiàn)變暖趨勢(shì)，但氣溫未持續(xù)上升和氣溫已持續(xù)上升3個(gè)階段資料。

對(duì)Qm、W3、W7進(jìn)行非參數(shù)假設(shè)檢驗(yàn)(χ2擬合優(yōu)度法)，在95%水平上，不拒絕對(duì)數(shù)P-Ⅲ分布。因此，選用這種概率分布分別模擬上述3個(gè)時(shí)間系列的Qm、W7，通過比較其分布參數(shù)的差異，分析氣候變化對(duì)萬年一遇以下洪水的影響。按照設(shè)計(jì)規(guī)范方法計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率及理論頻率，采用“三點(diǎn)法”進(jìn)行理論和經(jīng)驗(yàn)頻率曲線的適配。計(jì)算結(jié)果列入下頁表4。

表4 氣候變暖前后柴河水庫流域不同頻率水文特征值對(duì)比

*此值偏大，原因是原設(shè)計(jì)樣本系列較短，抽樣誤差較大。

5.2 影響的初步結(jié)論

a.1935—1970年，水庫設(shè)計(jì)系列與氣溫持續(xù)升高后的1935—2008年系列比較。氣溫升高后系列低于設(shè)計(jì)系列均值，但Cv在增加，氣溫升高后小于等于P=1%各頻率設(shè)計(jì)Qm和W7仍大于設(shè)計(jì)系列，增加量值隨頻率的減小而逐漸增大。但大于P=1%各頻率Qm和W7值均小于原設(shè)計(jì)值，減小的量值隨頻率的減小而減小，Cv、Cs值均呈增大趨勢(shì)，這表明柴河流域洪水的離散程度在逐漸增大，趨于兩級(jí)分化。

b. 1935—1988年與1935—2008年系列比較。氣溫持續(xù)升高后，Qm和W7均值增加，Cv、Cs值均呈增大趨勢(shì)，各頻率設(shè)計(jì)值全部呈明顯的上升趨勢(shì)。

6 結(jié) 語

氣候變化對(duì)柴河流域水文特征值和洪水風(fēng)險(xiǎn)的影響形成了一個(gè)連鎖反應(yīng)鏈，在這個(gè)影響鏈中位置越靠前的水文特征值，受氣候變化影響越直接，越靠后，受氣候影響越間接。但是氣候變暖對(duì)位于影響鏈后端的水文特征值在量值和頻率上影響程度卻超過位于前端的水文特征值，位置越靠后的水文特征值，對(duì)氣候變化越敏感，響應(yīng)程度越高。

氣候變化的直接和間接共同作用，使柴河流域徑流時(shí)空重新分配，年內(nèi)和年際變化不均勻，百年到萬年一遇流域水文特征值呈明顯的增加趨勢(shì)。氣候變化也強(qiáng)化了柴河流域水文過程的非平穩(wěn)性和水文事件的非均勻性，使洪水和干旱的兩級(jí)分化越來越嚴(yán)重。

氣候變化對(duì)柴河流域水文特征值產(chǎn)生的影響，會(huì)按照蝴蝶效應(yīng)對(duì)流域內(nèi)水庫的水文特征值產(chǎn)生影響。

Analysis on impact of climatic changes on hydrological characteristics in Chaihe River basin

SUN Yiqun1, XU Yuying2

(1.HydrologyandWaterResourcesCollegeofHohaiUniversity,Nanjing210098，China;2.LiaoningChaiheReservoirAuthority,Tieling112000，China)

The paper analyzes the obvious impact of climatic changes on basin hydrological characteristic values such as rainfall and runoff as well as hydrological characteristics of Chaihe basi—the first link of reaction chain, based on new reaction chain views of the influence of climatic changes on the whole hydrological scope of Chaihe River basin using mathematical statistics method.

climatic change; Chaihe River basin; hydrological characteristic value; impact

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2015.03.021

TV211

A

1005-4774(2015)03-0076-05