某水庫天然入庫徑流演變規(guī)律的分析

波拉提·胡曼江

（阿勒泰水文水資源勘測局 新疆 阿勒泰 836700）

在流域水文變化過程中，徑流的變化是整個變化的重點，流域面上徑流在出現(xiàn)匯流時，會對河流水的流動速度、河流水的水位、河流水的流量變化情況等造成影響，對流域中生態(tài)系統(tǒng)能量和物質(zhì)的輸出與輸入也會造成一定的影響?？梢哉f流域生態(tài)安全性和其所在的徑流有比較大的聯(lián)系。在流域的徑流產(chǎn)生變化時，會對流域的人為活動、自然因素變化產(chǎn)生一系列突變性、累積性的響應(yīng)。為了更加合理地對水流資源進行配置，研究水庫徑流的演變規(guī)律具有重要意義。

1 案例介紹

某水庫控制的總流域面積為1168km2，大約為整個干江河流面積的92.3%，屬于大型、重點防洪水庫，承擔(dān)著此地區(qū)洪水的攔蓄，保證下游幾十萬人口的安全。整個水庫工程是一個集灌溉、供水和發(fā)電為一體的綜合性水利工程。干流總長度為98.6km，地區(qū)洪水、暴雨等頻繁，并且暴雨具有匯流時間段、強度大等特點。

2 水庫徑流年際演變規(guī)律

2.1 徑流演變的趨向性

通過對某水庫進行多年的跟蹤觀察發(fā)現(xiàn)，該水庫入庫徑流變化幅度較為顯著，年徑流豐枯變化現(xiàn)象非常劇烈。年徑流平均值達到3.6215億m3。為了將一年內(nèi)不同時間段徑流的演變規(guī)律表現(xiàn)出來，將實際觀測到的徑流資料分成兩類進行分析：一是實測年徑流序列；二是汛期（6月～8月）徑流序列。根據(jù)Kendall秩次相關(guān)法（注：Kendall秩次相關(guān)法指的是n個同類的統(tǒng)計對象按特定屬性排序，同序?qū)彤愋驅(qū)χ钆c總對數(shù)（n*（n-1）/2）的比值定義）對這兩類序列依次進行了徑流整體趨勢演變檢驗,計算公式如下：

在公式中：Kendall的統(tǒng)計量為τ，方差為Var，標準變量為M，徑流序列所有的對偶觀測值（Xi，Xj，j＞i）中產(chǎn)生Xi＜Xj的個數(shù)為Q，序列長度為N。經(jīng)過計算，得出具體檢驗結(jié)果如表1所示。

2.2 徑流演變的周期性

（1）可根據(jù)徑流序列自相關(guān)函數(shù)（注：自相關(guān)函數(shù)指的是研究隨機信號中一個信號時刻和另一個信號時刻之間的依賴關(guān)系，主要是研究時刻和t+t時刻中隨機變量的之間的關(guān)聯(lián)性）的變化，將徑流演變中豐水期和枯水期相互交替的信息近似反映出來。從圖1中可知，r（k）～k曲線在k=7,11,19三個階數(shù)范圍內(nèi)上下波動,在7階,11階和19階，其相關(guān)結(jié)構(gòu)一致,也就是說徑流豐、枯交替規(guī)律大致為7年,11年和19年。

表1 水庫演變的趨勢檢驗表

圖1 水庫入庫年徑流和汛期徑流的相關(guān)函數(shù)表示圖

圖2 水庫入庫徑流的方差譜密度法識別周期圖

（2）通過對水庫入庫徑流序列的方差周期圖譜的分析得出水庫入庫徑流的變化規(guī)律，如圖2所示。從圖2可知，方差譜密度曲線比較明顯峰值一共有三個，其對應(yīng)的顯著周期約為7年，11年和19年；位于前三位的諧波頻率所對應(yīng)的顯著周期分別為7年,11年和19年,方差和大約為總累計方差的34.2%，所以，將顯著周期分別確定為7年，11年和19年是正確的。綜上所述，此水庫徑流的周期變化規(guī)律約為7年，11年，19年。

2.3 徑流演變的驟變性

在理想狀態(tài)下，徑流演變是遵循一定的規(guī)律的，但是當自然條件的變化或是人為條件的影響下，會使得徑流序列發(fā)生一定的變化，即從一種發(fā)展狀態(tài)變化成另一種形態(tài)，同時和其對應(yīng)的動力學(xué)統(tǒng)計特征也會與正常狀態(tài)下的徑流演變特征有所不同。在識別水庫徑流可能存在的突變點時，通常會使用有序聚類分析法（聚類分析是一組將研究對象分為相對同質(zhì)的群組的統(tǒng)計分析技術(shù)，具有直觀、簡單的特點）對其進行識別。經(jīng)過分析，1984年～1985年期間的年徑流躍度為2.772億m3，汛期徑流躍度為2.715億m3；在1995年～2001年期間的年徑流躍度為0.545億m3，汛期徑流躍度為0.243億m3。汛期徑流分別為年徑流量的84.13%和78.54%。

2.4 水庫入庫徑流的年內(nèi)變化特征

該水庫所在地區(qū)的氣候為溫帶季風(fēng)型氣候，常年降水量多集中在夏季，尤其是在6月份～8月份期間，降雨量占到全年降雨總量的六成以上，其他月份降雨量相對較少。通過多年的調(diào)查我們發(fā)現(xiàn)水庫徑流在汛期的三個時期表現(xiàn)基本相類似，其中在六月入庫徑流占全年總?cè)霂鞆搅髁康?8.6%，七月入庫徑流量占全年總?cè)霂鞆搅髁康?8.8%，而八月份入庫徑流量占全年總?cè)霂鞆搅髁康?0.7%，從分析我們可得知剛?cè)胂臅r汛期徑流所占的比例較高，繼而呈遞減趨勢。根據(jù)水庫在1984年～2014年平均入庫旬徑流的統(tǒng)計分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過多年的分析調(diào)查入庫旬徑流最大的峰值出現(xiàn)在7月的上、中旬，旬徑流量占到年平均總徑流量的21.2%，8月上旬的旬徑流量占到年平均徑流量的15.7%。水庫的入庫徑流量，從年初開始多年平均旬徑流呈緩慢增長趨勢，到七月上旬旬徑流從0.1290億m3突增至0.3909億m3,增長幅度達到了203.02%；在七月下半月旬徑流略有下降，但8月上旬洪水峰值進一步增加，會比前一峰值高出45.8%[2]；而從八月中旬直至年末，旬徑流趨勢逐漸下降。

3 水庫入庫徑流演變的推動力剖析

在水庫流域內(nèi)對河川徑流演變起主要推動力的有兩類：一是自然推動力；二是人類驅(qū)動力。自然推動力主要表現(xiàn)在降水在一年內(nèi)的變化情況。而人類的作用主要表現(xiàn)兩層含義：其一隨著人口數(shù)量的持續(xù)上漲以及經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城鎮(zhèn)居民以及工業(yè)用水也在持續(xù)增長；其二隨著農(nóng)業(yè)耕種方式的不斷改革，水土保持措施和水利工程的興建對河川徑流的演變造成一定的影響。

3.1 降水與徑流演變之間的聯(lián)系

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，該水庫控制流域的降水量與入庫徑流量之間存在正向關(guān)聯(lián)性。隨著時間的推移，兩者之間的關(guān)聯(lián)性呈下降趨勢。在1984以前，徑流量和降水之間有明顯的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.912；而在1984年～2014年期間,徑流量和降水量之間的相關(guān)系數(shù)則下降為0.778?？梢缘贸鋈缦陆Y(jié)論：80年代前期,降水是影響水庫入庫徑流和汛期徑流的主要因素；但是在80年代中后期，水庫汛期徑流和入庫徑流受降水的影響逐漸變小。

3.2 人類活動對徑流演變的作用

隨著人口數(shù)量的持續(xù)上漲，在改造自然方面，人類的能力不斷增強，人類活動對流域水文的變化影響程度愈發(fā)突出。為了將人類的活動對該流域徑流的影響作用清晰的表現(xiàn)出來，可用Wr來表示各個時期人類活動對河川徑流演變的貢獻率,公式如下：

在上式中各字母所代表的含義:Qt表示天然年徑流量，Qs表示實測年徑流量。根據(jù)上式繪制出人類活動對徑流產(chǎn)生的影響，見圖3。

圖3 人類活動與水庫入庫徑流量之間的關(guān)系圖

根據(jù)圖3可以看出，人類驅(qū)動力對徑流影響的貢獻率的變化較為繁雜，規(guī)律性不強，但總體的變化趨勢呈增長趨勢。在1984年以前,人類的活動幾乎對該水庫的上游徑流不會造成影響，河道徑流表現(xiàn)為天然徑流的基本特性。在1984年～2001年期間,人口數(shù)量的持續(xù)上漲，不斷增加的農(nóng)業(yè)灌溉需求量，使得徑流量年平均分配不均衡。再加上干江河流域降水多集中在夏季，占到全年降水量的六成以上，經(jīng)過仔細的分析得出降水與徑流的正相關(guān)性達到0.868,在降水的影響下，年內(nèi)徑流分配均勻性差，汛期6月～8月入庫徑流量占全年徑流總量的50.7%～78.6%。然而該區(qū)域莊稼灌溉的時間通常集中在2月～3月，正處于干旱、缺水的時間段，為了滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展之所需，修建大量的水利工程對農(nóng)田進行灌溉,加之枯水期河道會出現(xiàn)間斷的無水現(xiàn)象，但在汛期又可能會引發(fā)洪澇等災(zāi)害[3]。導(dǎo)致水資源供求和徑流量年平均分配之間的矛盾不斷激化，使入庫徑流逐漸產(chǎn)生變化。

4 結(jié)論

綜上所述，人類驅(qū)動力對該水庫徑流演變有比較大的影響，并且整體上呈現(xiàn)出不斷增加的勢頭。隨著工業(yè)用水、灌溉用水、居民用水量不斷增加，水資源和徑流分配的矛盾也不斷深化，需要相關(guān)部門提高重視力度，深入研究人類活動對徑流的影響，進而達到調(diào)整和控制人類活動的徑流演變的目的。※

[1]楊欣,延軍平,劉寶元.無定河年徑流量變化特征及人為驅(qū)動力分析[J].地球科學(xué)進展,2005,20（6）:637-642.

[2]李艷,陳曉宏,王兆禮.人類活動對北江流域徑流系列變化的影響初探[J].自然資源學(xué)報,2006,21（6）:910-915.

[3]高華中,姚亦鋒.近50年來人類活動對博斯騰湖水位影響的量化研究[J].地球科學(xué),2005,20（3）:305-309.