長(zhǎng)江大通站徑流量的豐平枯水年劃分探討

,,, (.河海大學(xué) 海洋學(xué)院，南京 0098；. 解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，南京 0)

1 研究背景

在氣候系統(tǒng)、下墊面因素以及人類活動(dòng)等多種因素的綜合影響下，河川徑流量呈現(xiàn)出復(fù)雜的年內(nèi)和年際變化[1]。對(duì)徑流量的豐平枯(即豐水、平水、枯水)類型劃分的深入研究，是認(rèn)識(shí)水文動(dòng)力系統(tǒng)演化特征的需要，對(duì)水資源開發(fā)和利用有重要的意義[2-3]。

長(zhǎng)江是亞洲第一大河，入海水量占世界第五位[4]。長(zhǎng)江入海沖淡水及其攜帶的物質(zhì)對(duì)長(zhǎng)江口及其鄰近海域的海洋環(huán)境有重要影響，甚至影響西太平洋物質(zhì)循環(huán)。大通水文站距離長(zhǎng)江河口642 km，是長(zhǎng)江干流下游具有長(zhǎng)期觀測(cè)資料的水文控制站，也是海洋潮汐影響的上界，目前，通常用大通水文站徑流量代表長(zhǎng)江的入海徑流量[5-6]。長(zhǎng)江洪季(5—10月份)徑流量占71.1%，枯季(11月份—次年4月份)徑流量占28.9%[7]。在枯季，長(zhǎng)江口鹽度對(duì)徑流量的變化非常敏感，當(dāng)徑流量急劇減小時(shí)，高鹽水向河口上游上溯，形成鹽水入侵，嚴(yán)重威脅上海市用水安全。在長(zhǎng)江河口環(huán)境、尤其是枯季鹽水入侵研究中，大通徑流量一直有重要地位。

但是一些學(xué)者認(rèn)為大通徑流量和長(zhǎng)江口實(shí)際入海徑流量仍有一定差別[5,8-10]。大通以下區(qū)間集水面積約9.5萬(wàn)km2，占長(zhǎng)江全流域面積的5.3%，巢湖、太湖等眾多水系與長(zhǎng)江相通，且具有向長(zhǎng)江排水或引水的功能。大通以下河段還有引水閘、抽水站、南水北調(diào)東線工程等抽引水工程。張二鳳等[5]的研究表明，在枯季受抽引水影響，長(zhǎng)江實(shí)際入海徑流量<大通徑流量，而且在豐平枯年份有明顯差異，在特枯年份入海徑流量減少的幅度更大。因此，大通站徑流量豐平枯年份的劃分，可以作為分析枯季長(zhǎng)江入海徑流量及鹽水入侵的一個(gè)重要依據(jù)。

目前對(duì)河流豐平枯水年的劃分一般采用年平均徑流量[11-15]，但長(zhǎng)江徑流量在洪、枯季差別很大，以年平均徑流量劃分的豐平枯水類型能否代表枯季的水文狀況，缺乏深入討論。本文采用大通站多年徑流量資料，討論以不同指標(biāo)(年平均、洪季平均、枯季平均、枯季月平均徑流量)劃分豐平枯水類型的差異，以期為長(zhǎng)江徑流量的相關(guān)研究提供參考。

2 長(zhǎng)江豐平枯水年徑流量劃分標(biāo)準(zhǔn)的確定

表1 豐平枯水年的頻率劃分標(biāo)準(zhǔn)[15]Table 1 Classification standard of high/medium/low flowyear according to frequency[15]

表2 長(zhǎng)江豐平枯水年的徑流量劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Runoff corresponding to the aforementioned classification standard according to frequency

徑流量序列一般服從P_Ⅲ型(即皮爾遜Ⅲ型)概率分布[15]。本文采用大通水文站1946—2011年逐月的月平均徑流量資料，基于徑流量的經(jīng)驗(yàn)頻率序列，建立滿足P_Ⅲ型概率密度分布的計(jì)算頻率序列，通過徑流量的計(jì)算頻率序列，確定豐平枯水年徑流量劃分標(biāo)準(zhǔn)。

P_Ⅲ型概率密度分布函數(shù)為

其中：

根據(jù)徑流量資料序列計(jì)算EX,CV,CS,α,β,b,Γ(α)，就可以確定徑流量的P_Ⅲ型概率密度分布函數(shù)，得到更連續(xù)的頻率序列，稱為計(jì)算頻率序列。但是在徑流量資料樣本數(shù)不夠多的情況下，計(jì)算的EX,CV,CS有一定誤差，影響α,β,b,Γ(α)及f(x)，可能導(dǎo)致P_Ⅲ型概率密度分布函數(shù)繪制的徑流量-計(jì)算頻率曲線與經(jīng)驗(yàn)頻率序列繪制的徑流量-經(jīng)驗(yàn)頻率曲線吻合不好，一般需要對(duì)CV,CS進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使得徑流量-計(jì)算頻率曲線與徑流量-經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)基本吻合，調(diào)整方法見文獻(xiàn)[17]。根據(jù)調(diào)整后的徑流量-計(jì)算頻率曲線，確定豐平枯水年頻率劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的徑流量。

本文利用大通站徑流量資料建立9組樣本數(shù)為66的徑流量資料序列。第1組對(duì)每年的徑流量進(jìn)行平均處理，得到年平均徑流量資料序列；第2組對(duì)每年5—10月的徑流量進(jìn)行平均處理，得到洪季平均徑流量資料序列；第3組對(duì)每年1—4月和11—12月的徑流量進(jìn)行平均處理，得到枯季平均徑流量資料序列；第4至第9組分別是每年1—4月、11—12月的月平均徑流量，得到枯季各月的月平均徑流量資料序列。對(duì)于這9組徑流量資料序列，采用上面的方法求解經(jīng)驗(yàn)頻率和計(jì)算頻率，并且繪制徑流量-經(jīng)驗(yàn)頻率曲線和徑流量-計(jì)算頻率曲線。圖1給出了4月份平均徑流量序列的經(jīng)驗(yàn)頻率和計(jì)算頻率曲線，兩者吻合良好。其他8組徑流量序列的經(jīng)驗(yàn)頻率和計(jì)算頻率曲線也較好地吻合。

圖1 4月份平均徑流量資料的計(jì)算頻率與經(jīng)驗(yàn)頻率曲線Fig.1 Curves of calculated frequency and empirical frequency of monthly-mean runoff data in April

根據(jù)上述9組徑流量資料序列的計(jì)算頻率曲線，確定表1 豐平枯水年頻率劃分標(biāo)準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)的徑流量，得到9組徑流序列的豐平枯水年徑流量劃分標(biāo)準(zhǔn)，詳見表2。

由表2可知，1月份和2月份的豐平枯水年徑流量劃分標(biāo)準(zhǔn)差別不大，這2個(gè)月一般是徑流量最少的2個(gè)月份，也是最容易發(fā)生鹽水入侵的月份。在這2個(gè)月份前后的時(shí)間段，3月份和12月份的豐平枯水年徑流量劃分標(biāo)準(zhǔn)接近，4月份則和11月份也很接近，劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的徑流量在逐步增大，這和長(zhǎng)江徑流量從冬到夏的季節(jié)變化趨勢(shì)相符。

3 長(zhǎng)江徑流量豐平枯水年劃分結(jié)果分析

利用表2的長(zhǎng)江豐平枯水年徑流量劃分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)1946—2011年的9組徑流量序列進(jìn)行特枯、偏枯、平水、豐水、特豐水年的等級(jí)劃分，劃分結(jié)果見表3。

表3 長(zhǎng)江徑流量豐平枯水年劃分結(jié)果Table 3 Classification result of high/medium/low flow year in the Yangtze River

注:1為特枯水年，2為偏枯水年，3為平水水年，4為豐水水年，5為特豐水年

由表3可見，9組序列的豐平枯水年結(jié)果有比較大的差異。以1946年為例，全年平均徑流量屬于平水年。但是，該年的洪季平均徑流量相對(duì)于多年的洪季徑流量而言，屬于豐水年；而該年的枯季平均徑流量相對(duì)于多年的枯季徑流量而言，又屬于特枯水年；枯季各月平均徑流量的等級(jí)則介于特枯水年和平水年之間。

進(jìn)一步對(duì)表3中枯季平均、洪季平均與年平均徑流量劃分豐平枯水年的不吻合次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。以枯季平均和全年平均徑流量劃分的豐平枯水年為例，統(tǒng)計(jì)規(guī)則為：兩者的等級(jí)序號(hào)不相等時(shí)，定義為“不一致”；兩者的等級(jí)序號(hào)相差為3或4時(shí)，定義為“嚴(yán)重不一致”。表4給出了統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

從表4可以看出，洪季平均與年平均徑流量劃分豐平枯水年不一致的共有17次，占全部年份的26%，兩者的吻合度為74%,無嚴(yán)重不一致的情況。而枯季平均與年平均徑流量劃分豐平枯水年不一致的有41次，占全部年份的62%，兩者的吻合度為38%,也無嚴(yán)重不一致的情況。

表4 枯季平均、洪季平均與年平均徑流量劃分豐平枯水年的結(jié)果對(duì)比Table 4 Classification result according to annual averagerunoff in comparison with those according to dry-season average and flood-season average runoff

類似地，表5給出枯季各月平均與年平均徑流量劃分豐平枯水年不吻合的次數(shù)。

表5 枯季月平均與年平均徑流量劃分豐平枯水年的不吻合次數(shù)Table 5 Number of misfits between classification result according to dry-season monthly average runoff andthat according to annual average runoff

表6 枯季月平均與枯季平均徑流量劃分豐平枯水年的不吻合次數(shù)Table 6 Number of misfits between classification result according to dry-season monthly average runoff andthat according to dry-season average runoff

由表5可見，枯季6個(gè)月中，月平均與年平均徑流量劃分豐平枯水年不一致的次數(shù)在34～51之間，占全部年份的52%～77%，平均為67%,兩者的吻合度為33%,。各月平均與年平均徑流量劃分豐平枯水年還存在嚴(yán)重不一致的情況，次數(shù)在1～8之間。其中，1月份和2月份的月平均與年平均徑流量劃分豐平枯水年不一致的次數(shù)分別為41次、51次，嚴(yán)重不一致的次數(shù)分別為8次、5次。

表6給出了枯季各月平均與枯季平均徑流劃分豐平枯水年不一致的統(tǒng)計(jì)情況。

如表6所列，枯季6個(gè)月中，月平均與枯季平均徑流量劃分豐平枯水年不一致的次數(shù)仍比較多，在35～46之間，占全部年份的53%～70%，平均為59%。4月份平均與枯季平均徑流量劃分豐平枯水年，沒有嚴(yán)重不一致的情況，其他月份仍存在1～4次嚴(yán)重不一致。1月份和2月份的月平均與年平均徑流量劃分豐平枯水年不一致的次數(shù)分別為41次、37次，嚴(yán)重不一致的次數(shù)分別為4次、1次。

4 結(jié) 論

本文采用保證率劃分豐平枯水年的方法，對(duì)66 a歷程長(zhǎng)江徑流量資料構(gòu)建的9種徑流量序列資料，分別給出了滿足P_Ⅲ型概率分布的計(jì)算頻率曲線，得到年平均徑流量、洪季平均徑流量、枯季平均徑流量、枯季各月平均徑流量的豐平枯水年劃分標(biāo)準(zhǔn)。以此為依據(jù)，進(jìn)行了各個(gè)年份的豐平枯水年劃分，得到以下結(jié)論：

(1)枯季平均與年平均徑流量劃分豐平枯水年的差別非常大，洪季平均與年平均徑流量劃分豐平枯水年的差別則不大，這與長(zhǎng)江徑流量以洪季顯著占優(yōu)的規(guī)律一致，即年平均徑流量主要由洪季徑流量決定。因此，以年平均徑流量劃分的豐平枯水年，能較好地反映洪季水文特征，對(duì)枯季水文特征的代表性則比較差。

(2)枯季各月平均與年平均徑流量劃分豐平枯水年的差別更大，它們也與枯季平均徑流量劃分豐平枯水年有非常大的差別。以年平均或枯季平均徑流量劃分的豐平水年，都不能較好地反映枯季各月的水文特征。

對(duì)于長(zhǎng)江口的各種研究來說，可以考慮采用多種徑流量指標(biāo)劃分豐平枯水年。對(duì)于長(zhǎng)江口枯季鹽水入侵研究而言，通常以年平均徑流量劃分豐平枯水年的方法可能有較大的局限性，很有必要以月平均徑流量劃分豐平枯水年。

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