貴州省徑流變化特征分析

徐建新, 張偉杰, 趙尚飛, 王新

(華北水利水電大學,河南 鄭州 450045)

貴州省徑流變化特征分析

徐建新, 張偉杰, 趙尚飛, 王新

(華北水利水電大學,河南 鄭州 450045)

徑流分配特征是水資源評價的基礎(chǔ),常被作為水利規(guī)劃、水文區(qū)劃、農(nóng)業(yè)區(qū)劃的重要指標,同時也是劃分河流類型的重要指標之一。研究徑流分配的變化特征及其演變規(guī)律,對水資源的合理開發(fā)及綜合利用具有重要意義。選取1985—2012年貴州省6個典型水文站的徑流統(tǒng)計資料,應(yīng)用年內(nèi)分配比、年內(nèi)分配不均勻系數(shù)、集中度、集中期、變化幅度、年際距平與模比系數(shù)、變差系數(shù)與年極值比來衡量貴州省徑流的年內(nèi)和年際變化特征及其演變規(guī)律。研究結(jié)果表明:貴州省6個典型水文站的徑流年內(nèi)和年際變化具有明顯的同步性,各典型徑流量年內(nèi)分配不均勻性呈先增大、后減小的變化趨勢,由不均勻向相對均勻轉(zhuǎn)變；徑流量年內(nèi)集中程度總體呈先增大、后減小的變化趨勢,各站徑流量年內(nèi)集中期主要在7月,從時間分配來看徑流量年際變化不大,總體呈先增大、后減小的變化趨勢;從空間分配來看南部地區(qū)年際變化大,而北部地區(qū)則相對穩(wěn)定。通過對貴州省徑流變化特征的分析,可為合理開發(fā)、綜合利用和優(yōu)化配置水資源提供科學依據(jù)。

徑流量;變化特征;貴州??；年內(nèi)變化；年際變化

近年來，隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展,生態(tài)環(huán)境逐漸惡化。水資源短缺程度日益加劇，水污染問題逐漸凸顯，水生態(tài)損害日趨嚴重,尤其是水資源短缺問題已經(jīng)成為制約社會經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵。根據(jù)新聞通氣會發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示,我國水資源開發(fā)利用程度已經(jīng)逼近紅線，全國用水總量逐步接近國務(wù)院確定的2020年用水總量控制目標,水資源開發(fā)空間十分有限[1]。近年來,眾多學者對水資源及徑流的變化趨勢進行了研究。2000年，劉昌明等[2]利用控制黃河流域匯水的主要水文站近40年的逐月徑流資料,較為全面地揭示了黃河流域徑流序列的變化規(guī)律;2008年，Bae等[3]對韓國近34年來139個流域的降水-徑流時空演變特征進行了調(diào)查分析,并對流域年、季、月尺度的降水-徑流演變趨勢進行了研究;2012年，李珊珊等[4]采用長江源區(qū)氣象站的降水資料分析了長江源區(qū)降水的年際和年代變化特征。

筆者選取1985—2012年貴州省6個典型水文站的徑流統(tǒng)計資料,應(yīng)用年內(nèi)分配比、年內(nèi)分配不均勻系數(shù)、集中度、集中期、變化幅度來衡量貴州省的徑流年內(nèi)變化特征及其演變規(guī)律,應(yīng)用年際距平與模比系數(shù)、變差系數(shù)與年極值比來衡量貴州省的徑流年際變化特征及其演變規(guī)律,以期為合理開發(fā)、綜合利用、優(yōu)化配置水資源提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

貴州省分屬長江流域和珠江流域,以中部偏南的苗嶺為分水嶺,分水嶺以北屬于長江流域,流域面積115 747 km2,占全省總面積的65.7%;分水嶺以南屬于珠江流域,流域面積60 420 km2,占全省總面積的34.3%[5]。

貴州省的徑流主要由降雨形成,年均徑流深為200～1 200 mm。1985—2012年貴州省年均徑流深為602.8 mm。徑流在年內(nèi)分配極不均勻,汛期(5—10月)水量占全年總水量的75%～80%；非汛期(11月至次年4月)水量不足全年總水量的20%。貴州省的洪水暴漲暴落,峰高量小,歷時不長,經(jīng)常是“洪水一條線,干旱一大片”。貴州省各種自然災(zāi)害中,旱災(zāi)發(fā)生的頻率最高,受災(zāi)面積最廣,大致規(guī)律是“3年一小旱,5年一中旱,10年一大旱”。

文中選取貴州省6個典型水文站進行分析計算,6個水文站的分布情況如圖1所示。

圖1 貴州省6個典型水文站的分布情況

圖1中的6個典型水文站名稱分別為鳳崗站、旺草站、黃貓村站、修文站、馬嶺站、巴鈴站，這6個水文站的徑流統(tǒng)計資料大體上可以代表貴州省的徑流變化特征。

2 徑流年內(nèi)分配特征分析

徑流的補給受到具有季節(jié)變化特征的氣溫、風速、降雨等氣象要素的影響,表現(xiàn)出季節(jié)性的變化特征,這些特征將引起河川徑流的年內(nèi)分配出現(xiàn)不均勻性。目前,有多種方法可以用來表征徑流的年內(nèi)分配特征,筆者選取年內(nèi)分配比、年內(nèi)分配不均勻系數(shù)、集中度、集中期以及變化幅度，從多個角度分析貴州省的徑流年內(nèi)分配特征。

2.1 徑流年內(nèi)分配比

貴州省的徑流年內(nèi)分配格局基本保持穩(wěn)定,年內(nèi)月徑流量最大值基本穩(wěn)定在7月。1985—2012年貴州省6個典型水文站月平均徑流量占年均徑流量的百分比見表1。由表1可以看出:貴州省6個典型水文站的徑流年內(nèi)分配極不均勻，年中大、兩頭小,呈“單峰型”分布；從季節(jié)分配來看,夏季徑流量最大,占全年徑流總量的50%～60%;冬季徑流量最小,不足全年徑流總量的10%。

表1 1985—2012年貴州省6個典型水文站月平均徑流量占年均徑流量的百分比 %

2.2 徑流年內(nèi)分配不均勻性

徑流年內(nèi)分配不均勻性通常采用不均勻系數(shù)和完全調(diào)節(jié)系數(shù)來描述[6],筆者選用徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cv,月來分析所選取水文站的徑流量。徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)越大,說明年內(nèi)各月徑流量序列的差異越大,徑流年內(nèi)分配不均勻程度越高。徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cv,月的計算公式如下:

(1)

(2)

(3)

采用1985—2012年貴州省6個典型水文站的月徑流實測序列,對貴州省的徑流年內(nèi)分配不均勻性進行計算,結(jié)果見表2。由表2可以看出:貴州省6個典型水文站的徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)的變化過程具有明顯的同步性,各個站點的徑流年內(nèi)分配比較均勻。隨著時間的推移,研究區(qū)域的徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)大體呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢。由此說明，近年來貴州省徑流量的年內(nèi)分配由不均勻向相對均勻轉(zhuǎn)變,河流的季節(jié)調(diào)節(jié)能力增強,年徑流中非汛期徑流量所占的比重有所增大。

表2 1985—2012年貴州省6個典型水文站徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)

2.3 集中度與集中期

通過對1985—2012年貴州省6個典型水文站的月徑流實測數(shù)據(jù)進行計算,分別用集中度和集中期來表示年徑流分配的集中程度和最大徑流出現(xiàn)的時間[7]。用向量表示年內(nèi)各月徑流,向量的模表示各月徑流量的大小，向量的方向指向?qū)?yīng)的月份，方向以圓周方位來表示(1個圓周的360°作為1年的12個月,30°相當于1個月[8])。將一年中代表各月徑流的向量求和,年徑流集中度(RCDyear)即為合向量的模與年徑流量的比值;年徑流集中期(RCPyear)則為合向量的方向,即水平分量與垂直分量比值的正切角度。RCDyear和RCPyear的計算公式可表示為：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:Ryear為年徑流量;RX、RY分別為各月徑流的水平分量和垂直分量之和;θi為第i個月徑流的向量角度。

年徑流集中度很好地反映了徑流的年內(nèi)集中程度。當(RCDyear)等于100%時,此時為最大極限值,表明該區(qū)域全年的徑流量都集中在1個月內(nèi);當(RCDyear)等于0%時,此時為最小極限值,表明該區(qū)域全年的徑流量在12個月內(nèi)平均分配,即每個月徑流量都相等[9]。

分別計算1985—2012年貴州省6個典型水文站年徑流的集中度、集中期,計算結(jié)果見表3—4。

表3 1985—2012年貴州省6個典型水文站年徑流集中度計算結(jié)果 %

由表3可以看出: 1990—1999年貴州省6個典型水文站的年徑流集中度最大,其中黃貓村站和巴鈴站較其他站點最大，均為63%; 2000—2012年的年徑流集中度最小,其中鳳崗站較其他站點最小，為38%;總體上看，1985—1999年的年徑流集中度呈上升趨勢， 1990—2012年呈下降趨勢，即整體呈先增大后減小的變化趨勢。表明近年來貴州省年徑流分配的集中程度有所下降,徑流年內(nèi)分配漸趨均勻。

表4 1985—2012年貴州省6個典型水文站年徑流集中期計算結(jié)果

由表4可知:1985—2012年貴州省6個典型水文站的年徑流集中期最晚出現(xiàn)在8月6日,最早出現(xiàn)在6月27日；1990—1999年的年徑流集中期較1985—1989年有所提前，其中馬嶺站的提前天數(shù)最長，可達30 d; 2000—2012年的年徑流集中期較1990—1999年有所推遲，馬嶺站的推遲天數(shù)最長，為15 d；近年來年徑流集中期基本出現(xiàn)在7月中旬。

2.4 年內(nèi)變化幅度

徑流的年內(nèi)變化幅度越大,水資源的調(diào)節(jié)和開發(fā)利用程度越低,水生態(tài)環(huán)境越不穩(wěn)定,對生態(tài)環(huán)境的威脅越嚴重[10]。筆者選用相對變化幅度和絕對變化幅度兩個指標來衡量貴州省典型徑流的變化幅度。用最大月徑流量Smax與最小月徑流量Smin之差來表示徑流量絕對變化幅度Sr；用最大月徑流量Smax與最小月徑流量Smin之比來表示徑流量相對變化幅度Sa。Sr和Sa的計算公式分別如下:

Sr=Smax-Smin,

(8)

(9)

由式(8)—(9)可知，徑流量相對變化幅度和徑流量絕對變化幅度的值越大,最大月徑流量與最小月徑流量相差越多,徑流年內(nèi)分配越不均勻。1985—2012年貴州省6個典型水文站徑流年內(nèi)變化幅度見表5。

表5 1985—2012年貴州省6個典型水文站徑流年內(nèi)變化幅度

從1985—2012年貴州省6個典型水文站徑流量的絕對變化幅度Sr來看,各站點最大值出現(xiàn)的時期不同,其中鳳崗站和旺草站的最大值出現(xiàn)在1985—1989年,黃貓村站、修文站、馬嶺站的最大值出現(xiàn)在1990—1999年,巴鈴站的最大值則出現(xiàn)在2000—2012年;從徑流量的相對變化幅度Sa來看,除巴鈴站外,其余5個典型水文站的徑流量相對變化幅度最大值均出現(xiàn)在1990—1999年,尤以黃貓村站、巴鈴站最為明顯?？偟膩碚f,研究區(qū)域的徑流年內(nèi)變化幅度呈先增大、后減小的變化趨勢,表明近年來，貴州省年內(nèi)最大月徑流量與最小月徑流量的差距逐漸縮小,徑流年內(nèi)分配漸趨均勻。

3 徑流年際分配特征分析

根據(jù)1985—2012年貴州省鳳崗站、旺草站、黃貓村站、修文站、馬嶺站以及巴鈴站共6個典型水文站的年徑流實測序列,通過年際距平與模比系數(shù)、變差系數(shù)與年極值比初步分析貴州省典型徑流量的年際特征。

3.1 年際距平與模比系數(shù)

在水文預報規(guī)范中，通常采用徑流距平百分比P與徑流模比系數(shù)Kp來作為豐、平、枯水年的劃分標準(表6)。其中用徑流序列中某一年的數(shù)值與序列平均值的差值來表示徑流距平值；用距平值與序列平均值的比值來表示徑流距平百分比；用某一年的徑流量數(shù)值與徑流序列均值的比值來表示徑流模比系數(shù)。顯然，任何序列經(jīng)距平化處理后,均可以轉(zhuǎn)化為均值為0的序列,如此,可以給分析帶來便利并且使計算結(jié)果更加直觀。從其計算原理分析可知，徑流模比系數(shù)與徑流距平百分比之間只是相差了數(shù)值“1”,因此，可以徑流距平百分比為參數(shù)進行貴州省徑流年際豐枯變化分析,結(jié)果見表7。

表6 徑流距平百分比與徑流模比系數(shù)判別表

表7 1985—2012年貴州省6個典型水文站徑流距平百分比

由表7可知,1985—1989年,鳳崗站、旺草站、馬嶺站以及巴鈴站的徑流距平百分比均在-10%～10%范圍內(nèi),屬于平水年,而黃貓村站和修文站表現(xiàn)為偏枯水年；1990—1999年，旺草站和巴鈴站表現(xiàn)為平水年,其他水文站點均表現(xiàn)為偏豐水年；2000—2012年，6個典型水文站點的徑流量均表現(xiàn)為平水年。可以看出，貴州省6個典型水文站的徑流量年際變化具有明顯的同步性,年際變化不大,就6個典型水文站的多年平均徑流量來看,1985—1989年的徑流距平百分比為-5.47%,表現(xiàn)為平水年；1990—1999年的徑流距平百分比為-10.34%,表現(xiàn)為偏枯水年； 2000—2012年的徑流距平百分比為-5.85%,表現(xiàn)為平水年。雖然用徑流的多年平均值來描述豐、平、枯水年不夠精確,但根據(jù)水文預報規(guī)范中的規(guī)定,從側(cè)面還是能夠反映出徑流量的年際水平。因此，從徑流距平百分比可看出，1985—2012年貴州省徑流量總體呈先增大、后減少的變化趨勢,2000—2012年的徑流量較1990—1999年有所下降。3.2 變差系數(shù)與年極值比

徑流年際變化特征常用徑流變差系數(shù)或年徑流極值比表征。對徑流過程來說,徑流變差系數(shù)Cv,年是衡量徑流相對離散程度的參數(shù),其數(shù)值的大小反映了河川徑流多年的變化情況,值越大表明徑流年際變化越激烈,越容易導致旱、澇事件的發(fā)生,并且不利于水資源的開發(fā)利用;反之,則表明徑流的多年分配更均勻、穩(wěn)定。徑流變差系數(shù)Cv，年的計算公式如下:

(10)

年徑流極值比反映了徑流的年內(nèi)變化幅度,用序列年徑流量最大值與最小值的比值表示,且徑流量變差系數(shù)較大的序列,其年極值比也較大。1985—2012年貴州省6個典型水文站徑流變差系數(shù)與徑流年極值比見表8。

表8 1985—2012年貴州省6個典型水文站徑流變差系數(shù)與年徑流極值比

從表8可以看出,1985—2012年貴州省6個典型水文站的徑流變差系數(shù)自鳳崗站、旺草站到馬嶺站、巴鈴站逐漸變大,表明貴州省南部地區(qū)的徑流年際變化較大,而北部地區(qū)則相對穩(wěn)定；除巴鈴站外,其余各水文站的歷史最大徑流量均出現(xiàn)在2000年前,而黃貓村站、修文站以及馬嶺站的歷史最小徑流量均出現(xiàn)在2011年。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

通過對1985—2012年貴州省6個典型水文站的徑流統(tǒng)計資料分析，得出以下主要結(jié)論：

1)6個典型水文站的徑流年內(nèi)和年際變化具有明顯的同步性。

2)徑流年內(nèi)分配極不均勻，年中大、兩頭小,呈“單峰型”分布。

3)徑流年內(nèi)集中程度總體呈先增大、后減小的變化趨勢,表明近年來貴州省徑流量年內(nèi)分配由不均勻向相對均勻轉(zhuǎn)變。

4)徑流年內(nèi)集中期經(jīng)過先提前、后推遲的變化后,近年來主要集中在7月。

5)徑流變化幅度先增大、后減小,表明近年來貴州省年內(nèi)最大月徑流量與最小月徑流量的差距逐漸縮小。

6)從時間分配來看，貴州省徑流量年際波動變化不大,總體呈先增大、后減小的變化趨勢；從空間分配來看，南部地區(qū)的徑流量年際變化較大,而北部地區(qū)則相對穩(wěn)定。

總的來說,由于人類對自然資源的肆意開發(fā),導致生態(tài)環(huán)境逐步惡化,加之水庫調(diào)蓄作用沒有充分發(fā)揮,導致徑流年內(nèi)分配不均勻程度有所增加;近年來，人類逐漸意識到生態(tài)環(huán)境的重要性,水庫的調(diào)蓄作用也得以發(fā)揮,使得徑流年內(nèi)分配由不均勻向相對均勻變化。

4.2 展望

本研究僅應(yīng)用有限的指標來衡量貴州省徑流的年內(nèi)和年際變化特性及其演變規(guī)律,由于各個指標之間存在相關(guān)性和不可替代性,所以若要更充分地研究徑流的年內(nèi)和年際分配特征,需進一步探索更適合的方法,同時還要根據(jù)貴州省的特殊地貌——喀斯特地貌以及全球氣候變暖所造成的影響來進行更深入的分析研究。

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(責任編輯：張陵)

Analysis of Runoff Variation Characteristics in Guizhou Province

XU Jianxin, ZHANG Weijie, ZHAO Shangfei, WANG Xin

(North China University of Water Resource and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

The characteristics of runoff distribution are the basis of water resources evaluation. They are often used as one of the important indexes of water planning, hydrological regionalization and agricultural zoning, and also an important indicator of river type classification. Studying the characteristics of the runoff distribution and its evolution is of great significance to the rational exploitation and comprehensive utilization of water resources. The runoff statistics of six typical hydrological stations in Guizhou Province from 1985 to 2012 were selected to measure the annual and interannual variability of annual runoff in Guizhou Province by using the annual distribution ratio, the annual heterogeneity coefficient, the concentration degree, the concentration period, the variation range, the interannual anomaly and the coefficient of the runoff modulus, the coefficient of variation and the ratio of the annual extreme value and other indicators. The results show that the six typical hydrological stations in Guizhou have obvious synchrony. The distribution heterogeneity of the typical runoff increased and then decreased from non-uniform to relatively uniform. The annual concentration of runoff increased first and then decreased. The annual runoff concentration in each station is mainly concentrated in July. From the time distribution, the interannual fluctuation of runoff has little change, and the whole trend of the change is the first increase and then the decrease. In terms of spatial distribution, runoff in the southern region varies greatly while that in the northern region is relatively stable. Through the analysis of runoff characteristics, it can provide scientific basis for reasonable development, comprehensive utilization and optimal allocation of water resources.

runoff; changing characteristics; Guizhou Province; annual variation; interannual variation

2016-09-20

甘肅省科技支撐計劃(144NKCD238);貴州省水利廳科技專項經(jīng)費資助項目(KT201313);華北水利水電大學研究生教育創(chuàng)新課題計劃(YK2016-12)。

徐建新(1954—),男,吉林長春人,教授,博導,博士,從事區(qū)域水資源高效利用方面的研究。E-mail:xujianxin@ncwu.edu.cn。 通信作者：張偉杰(1992—),男,內(nèi)蒙古赤峰人,碩士研究生,從事區(qū)域水資源高效利用方面的研究。E-mail:906561772@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.01.007

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A

1002-5634(2017)01-0030-06