近60 a饒河流域徑流變化特征研究

馮德锃，趙玲玲，李 翀

(1.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，廣州 510610；2. 廣州地理研究所，廣州 510070)

饒河為江西5大河流之一，下游匯入鄱陽湖。流域多年平均降水量1 769 mm，在5大河中位居第2。流域內(nèi)水資源總量極為豐富，徑流主要由降水形成，徑流的時空變化與降水的時空變化基本一致。饒河流域降水主要集中在春、夏2季(3-8 月)，降水量占全年總量的72%，其中又以4-7月為最多，占全年的57%，而9-1月(共5個月)其降水量僅占年降水量的14%。隨著全球氣候變暖,流域年降水日數(shù)逐漸在減少,特大暴雨事件變得頻繁，降水呈現(xiàn)兩極分化現(xiàn)象，導(dǎo)致突發(fā)性極端洪澇事件和干旱事件的不確定性增加。自20世紀90年代以來，極端水文事件日益增多，如1998、2008、2010、2011 年的大洪水，其中1998年出現(xiàn)了有實測記錄以來最大的洪水；1991、1996 年則經(jīng)歷了大干旱。進入21世紀，流域的干旱程度不斷加劇，2001、2003、2004、2007、2013 年發(fā)生了嚴重干旱事件，下游鄱陽湖幾近枯竭，嚴重威脅饒河流域及下游湖區(qū)居民用水安全。

近20 a以來，我國學(xué)者陸續(xù)對鄱陽湖流域水文氣象變化特征開展研究。如，崔同等人[1]基于鄱陽湖流域6個水文站1956-2012年徑流系列，采用數(shù)理統(tǒng)計分析等多種方法，對鄱陽湖流域徑流年際特征值和變化規(guī)律進行了初步分析。劉健、李微等[2,3]根據(jù)鄱陽湖流域“5河8站”徑流系列，綜合采用趨勢檢驗法、R/S分析法、小波分析法等分析了各水文站1953-2011年經(jīng)還原后的天然年徑流量系列變化特征、演變趨勢及變化周期。還有研究者總結(jié)了贛江、撫河、信江等流域的徑流變化規(guī)律及變化趨勢,同時分析了其變化原因[4-7]。鄱陽湖流域上述研究大多是針對鄱陽湖湖區(qū)或贛江、撫河、信江，現(xiàn)有研究基本未將饒河流域作為重點研究。

自建國以來，隨著饒河流域及下游湖區(qū)經(jīng)濟社會快速發(fā)展、人口增長和城市化水平的提高，經(jīng)濟社會對防洪減災(zāi)、水資源綜合利用與水生態(tài)環(huán)境保護的要求越來越高，大澇或大旱造成的經(jīng)濟和生態(tài)的損失更難以估量。因此，對饒河流域徑流變化特征進行研究很有意義。本文利用饒河流域干支流控制站流量觀測資料，采用統(tǒng)計方法、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗方法等，分析饒河流域地表徑流量的年內(nèi)、年際變化特征及長期趨勢、振蕩周期，旨在為流域水資源綜合開發(fā)利用和水生態(tài)環(huán)境保護提供一定的科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

饒河位于江西省東北部，其地理位置在東經(jīng)116°30′～118°13′，北緯28°34′～30°02′，流域面積21 272 km2。流域西鄰鄱陽湖，北倚五龍山脈和白際山脈與安徽省青弋江毗鄰，南靠懷玉山脈與信江相鄰，東毗浙江省錢塘江。饒河由信江東大河、樂安河、昌江來水匯合而成(見圖1)。饒河主流樂安河發(fā)源于戇、皖邊界的五龍山脈，自東北向西南流，流經(jīng)婺源、樂平、萬年等市區(qū)(縣)，至蔡家灣于左岸樂安村有信江東大河注入，過樂安村向西北流，至姚公渡與昌江會合后稱饒河。2江會合后，繞鄱陽縣城注入鄱陽湖。樂安河流域面積8 546 km2，主流全長279 km；昌江流域面積6 754 km2，主流全長254 km，匯合口以下流域面積379 km2。

饒河流域?qū)俑睙釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，春夏秋冬四季分明，氣候濕潤，雨量豐沛。流域內(nèi)多年平均降雨量為1 768.5 mm，降水量地區(qū)分布基本趨勢是樂安河略高于昌江，上游又稍大于下游。流域多年平均氣溫17.5 ℃，多年平均蒸發(fā)量1 426.1 mm。

圖1 饒河流域概況Fig.1 Map of Raohe basin

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

饒河(以鄱陽鎮(zhèn)段為控制斷面)來水由信江東大河、樂安河、昌江、區(qū)間來水組成。由虎山、渡峰坑站按面積比擬可得到樂安河、昌江2個流域徑流量；區(qū)間流量可查徑流深等值線圖得到；信江于八字嘴處分為東、西大河，將梅港站徑流按面積比移至八字嘴，并以東、西大河專用水文站實測分流比成果分配流量，由此可得到信江東大河徑流量。本文選取信江東大河站、昌江的渡峰坑站、樂安河的虎山站為代表站，對1952-2014年共計63 a的逐日平均流量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算，以此分析饒河流域水文時間序列變化的趨勢與規(guī)律。本次分析所用水文數(shù)據(jù)來源于江西省水文局。信江、樂安河、昌江干流上的水庫調(diào)節(jié)性能較小，且分別距離下游梅港、虎山、渡峰坑站較遠，而各支流上的水庫控制面積均較小，因此，信江、樂安河、昌江干支流水庫對3個水文站所選用資料系列(天然年徑流及徑流年內(nèi)分配)影響較小。統(tǒng)計時段劃分3月至次年2月為水文年，3-5月為春季，6-8月為夏季，9-11月為秋季，12月至次年2月為冬季。

本文采用水文統(tǒng)計法分析饒河各支流及干流下游鄱陽鎮(zhèn)段天然徑流序列的年內(nèi)、年際變化特征與年際演變周期，采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗方法[8-11]分析饒河流域徑流量的年際變化趨勢。

3 結(jié)果分析

3.1 年內(nèi)徑流變化分析

分別統(tǒng)計饒河各支流水文站及干流鄱陽鎮(zhèn)斷面1952-2014年歷年各月平均流量(見圖2)，可見饒河流域3月開始進入汛期，徑流量迅速增加，徑流主要集中在汛期3-8月，汛期徑流量占全年總量的72%～86%，而主汛期4-7月徑流量約占全年總量的57%～71%。徑流最大值，信江東大河站、虎山和渡峰坑站發(fā)生在4月份，分別有4、8和7次；發(fā)生在5月份，分別有13、20和17次；發(fā)生在6月分別有35、28和26次；發(fā)生在7月分別有8、6和10次。饒河干流及各支流，1-6月徑流逐步增大，7-12月徑流逐步減小，9月至次年2月為枯期,3～8月為汛期。就季節(jié)而言，春季(3-5月)和夏季(6-8月)為主要產(chǎn)流時段，徑流在年內(nèi)分配上呈現(xiàn)非對稱的單峰形態(tài)。因此,饒河流域徑流年內(nèi)分配不均, 汛期易澇，枯期易旱。

圖2 饒河流域各控制斷面多年平均月徑流年內(nèi)變化Fig.2 Monthly runoff of three hydrological stations and Poyang town setion within Raohe basin

3.2 年際徑流變化分析

3.2.1 徑流年際變化特征值分析

徑流年際變化特征常用變差系數(shù)(Cv)與年際極值比來表示[12]。對水文現(xiàn)象來說，變差系數(shù)能夠反映河川徑流在多年中的變化狀況，其計算公式為：

(1)

式中：ki為模比系數(shù)，即第i年的年徑流量與平均年徑流量的比值；n為系列長度。

年際極值比的計算公式為：

w=Wmax/Wmin

(2)

式中：Wmax、Wmin分別為最大、最小年徑流量。

經(jīng)計算，饒河各支流年際變化特征值見表1。由表1可知，3條支流的徑流變差系數(shù)為0.33～0.39，各河流之間差異不大，樂安河(虎山站)最小，昌江(渡峰坑站)最大；徑流年際極值比(最大值/最小值)為3.87～6.43。饒河流域3條支流年徑流變差系數(shù)Cv、徑流年極值比在我國南方濕潤地區(qū)相對較大，在長江中上游主要河流中也處于中等偏大值[13,14]，從而說明饒河流域年際徑流變化大,穩(wěn)定性差，波動劇烈。

表1 饒河流域3條支流徑流年際變化特征值Tab.1 Characteristics values in annual change of runoff of three rive in Raohe basin

根據(jù)三河流域流量加上區(qū)間流量，計算得出饒河干流鄱陽鎮(zhèn)斷面63 a的年徑流量(見圖3)，年際變化特征值見表2。由圖3、表2可知，饒河干流年徑流量最大年份為1954年(741 m3/s)，最小年份為1963年(338 m3/s)。這與表1中饒河支流樂安河虎山站、昌江渡峰坑站(1963年徑流114 m3/s，為第2枯水年)發(fā)生流量最大、最小年份基本對應(yīng)，究其原因，樂安河、昌江支流是3條河中較大的河流，占饒河流域的72%，其流量對饒河的徑流變化起著重要的作用。由表2可看出，饒河干流Cv值為0.32，年際極值比為3.85，年際變率相對較小，徑流量相對較穩(wěn)定。因有些年份3條河之間豐枯互補，受下游鄱陽湖的頂托及流域調(diào)蓄的影響，饒河干流徑流年際變化略小于3條河。

圖3 饒河干流(鄱陽鎮(zhèn)斷面)63 a年徑流變化過程Fig.3 Annual runoff of Raohe during past 63 year

多年平均流量/(m3·s-1)實測最大年徑流流量/(m3·s-1)年份實測最小年徑流流量/(m3·s-1)年份Cv值年際極值比7411 300195433819630.323.85

3.2.2 豐枯變化分析

若劃分年徑流距平值Ki成5個級別，則10% 20%為豐水年；-10%≤Ki≤10%為平水年；Ki<-20%為枯水年；-20%≤Ki<- 10%為偏枯水年[15]。

從饒河干支流控制站(斷面)年徑流距平值統(tǒng)計結(jié)果(見表3、圖4)可以看出,饒河出現(xiàn)豐水年、枯水年的幾率較大,而出現(xiàn)偏豐、偏枯水年的幾率較小,易發(fā)生洪災(zāi)和旱災(zāi)。各支流控制站豐水年、枯水年出現(xiàn)的概率分別約24.2%～32.3%、32.2%～33.9%，而干流鄱陽鎮(zhèn)斷面豐水年、枯水年出現(xiàn)的概率分別為27.4%和30.6%，可見饒河流域出現(xiàn)枯水年概率大于豐水年概率。從圖3可以看出，干支流各控制站(斷面)年徑流豐、枯呈波動性交替變化，且變化趨勢基本相同。20世紀50年代初期、70年代前期和90年代出現(xiàn)豐水年的年份較多，60年代、70年代后期、80年代中期和21世紀的前10 a出現(xiàn)枯水年的機會較多，2010年后的近4 a豐枯水年數(shù)大致相等。另外，分析2000年以來饒河干流徑流量，枯水年和偏枯水年出現(xiàn)了10次，占比達71.4%，可見饒河近年來以枯水為主。

表3 饒河干支流控制站(斷面)年徑流豐、 枯概率統(tǒng)計成果 %

圖4 饒河干支流控制站(斷面)年徑流距平百分率Fig.4 Percentage of annual runoff of Raohe in distance to average value

繪制鄱陽鎮(zhèn)斷面徑流差積曲線圖(見圖5)，進一步說明饒河干流連豐、連枯水時段變化特征。連續(xù)2 a以上豐或偏豐年有1952-1955、1969-1970、1992-1993年和1997-1999年4個豐水年組，連續(xù)時段長2～4 a；連續(xù)2 a以上枯或偏枯年有1959-1965、1978-1979、1981-1982、1984-1986、1990-1991、2000-2001年和2004- 2009 年7個枯水年組，連續(xù)時段可長達7 a。因此饒河流域連續(xù)枯水年組的幾率大于連續(xù)豐水組的，29 a的枯水年中連續(xù)枯水年出現(xiàn)24 a，連續(xù)枯水年出現(xiàn)的概率達82.8%，易出現(xiàn)嚴重的連續(xù)干旱。饒河干流徑流差積曲線變化過程顯示該流域水文循環(huán)周期約為20 a。

圖5 饒河干流鄱陽鎮(zhèn)斷面年徑流系列差積曲線Fig.5 Difference accumulation curve of annual runoff of Raohe

3.2.3 徑流變化趨勢分析

為定量分析天然狀況下的不同時段的年徑流序列的變化趨勢，揭示徑流的變化規(guī)律，本文采用Mann-Kendall趨勢檢驗法對饒河3條支流控制站徑流系列進行趨勢性分析(見表4)，東大河站年徑流系列M-K法求得的Z值大于0，可見1952-2014年來東大河年徑流量呈上升趨勢，但檢驗值沒有突破a=0.05的臨界值(±1.96)，說明東大河年徑流有上升趨勢但不顯著，而虎山站、渡峰坑站年徑流系列Z值小于0，呈微下降趨勢；但21世紀以來各站年徑流均呈下降趨勢，各站Z值從1952-2000年的0.9～1.36下降到1952-2014年的-0.43～0.35，經(jīng)對2001-2014年系列檢驗，各站的Z值均小于0，呈下降趨勢。這主要是因為20世紀90年代饒河流域處于豐水時段，各站平均年徑流量是多年平均年徑流量的1.01～1.33倍，而21世紀的14 a中，除2010、2012年外，其他年份多為平、枯水年，平均年徑流量僅占多年平均的0.86～0.99倍。

表4 饒河3條流控制站天然徑流不同時段系列趨勢檢驗Tab.4 Trend of annual runoff of Raohe basin in different period

4 結(jié)論與討論

(1)饒河徑流最大流量主要發(fā)生在4、5、6或7月份。從3月份開始進入汛期，徑流不斷增大，至6月份達到峰值，各支流控制站徑流過程均呈現(xiàn)非對稱的單峰形態(tài)，徑流年內(nèi)分配不均。

(2)饒河各支流中樂安河的徑流深最大，昌江的徑流深最小，但各支流徑流年內(nèi)分配及年際變化具有相似性。饒河干支流變差系數(shù)普遍較大，尤其以昌江變差系數(shù)最大，波動性劇烈，其年際徑流穩(wěn)定性相對較差，而饒河干流鄱陽鎮(zhèn)斷面變差系數(shù)相對較小，徑流年際間變化相對穩(wěn)定。

(3)饒河豐、枯水年交替出現(xiàn),各支流年際豐枯變化趨勢基本一致,枯水年出現(xiàn)的幾率大于豐水年的幾率。饒河徑流連續(xù)豐水時段僅為2～4 a,而連續(xù)枯水時段可長達7年。饒河干流徑流年際極值比和Cv值分別為3.85、0.32,在63 a的徑流過程中,豐水年和偏豐水年出現(xiàn)概率為30.6%,平水年為22.6%,偏枯水年和枯水年為46.8%,枯水年多以連枯的形式出現(xiàn)。饒河干流徑流差積曲線變化過程顯示該流域水文循環(huán)周期約為20 a。

(4)饒河各站1952-2000 年徑流均呈現(xiàn)小幅度上升趨勢，但21世紀來則呈現(xiàn)下降趨勢，未來各站年徑流可能延續(xù)21世紀以來的變化趨勢。

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