于橋水庫流域徑流量變化特征及影響因素分析

朱曉春，王勝燕，董 莉

(1.水利部海河水利委員會，天津 300170；2.天津市水文水資源勘測管理中心，天津 300060)

于橋水庫位于海河流域薊運河水系支流州河出山口處，控制流域面積2060km2，涉及河北省唐山市遵化、玉田，承德市興隆縣，天津市薊州區(qū)四個市(縣、區(qū))，占整個州河流域面積(2143km2)的96%。于橋水庫上游主要河流有沙河、黎河及淋河，沙河、黎河匯流后入于橋水庫，淋河單獨入于橋水庫。流域經(jīng)濟社會發(fā)展和人類活動加劇引起的下墊面變化對流域產(chǎn)、匯流規(guī)律產(chǎn)生了重要影響，導致徑流發(fā)生不同程度的變化?？陀^分析于橋水庫流域徑流量的變化特征及其影響因素，對指導流域水資源開發(fā)利用具有十分重要的作用。

1 流域降雨變化特征

降雨是產(chǎn)生地表水和補給地下水的主要水源，降雨量的大小及時空分布間接反映一個地區(qū)的天然水資源狀況。選取于橋水庫流域內(nèi)的接官廳、東舊寨、柴王店、大河局、遵化、新立村、水平口、掛蘭峪、馬蘭峪、于橋水庫站等10處雨量站1956—2016年長系列雨量資料，采用算術平均法計算流域面雨量。于橋水庫流域1956—2016年多年平均降雨量703mm，大部分區(qū)域的多年平均降雨量在600mm以上，空間變化比較明顯，自西北向東南呈現(xiàn)逐漸遞減之勢。具體分布為：新立村、馬蘭峪、冷咀頭沿線以北降雨量在700mm以上，興隆縣卦蘭峪為流域暴雨中心，多年平均降雨量760mm；此線至于橋水庫、柴王店、前毛莊、東舊寨沿線區(qū)間降雨量在650～700mm之間，沿線以南地區(qū)降雨量略小于650mm。

1.1 降雨年內(nèi)變化分析

于橋水庫流域降雨量具有年內(nèi)非常集中的特點，全年降雨量的80%以上集中在汛期(6—9月)，而汛期又主要集中在7、8兩個月。非汛期8個月的降雨量僅占全年降雨量的20%左右，而非汛期又以4、5、10三個月所占比重為大。選取流域典型雨量代表站遵化站點繪其降雨不同年代年內(nèi)月平均分布，如圖1所示。

圖1 遵化站降雨量不同年代年內(nèi)月平均分布

遵化站典型年降雨量月分配也比較集中，保證率25%的年降雨量6—9月降雨量占全年的90%；多年平均、75%、95%保證率的年降雨量6—9月降雨量占全年的80%左右；特殊枯水年份5月和10月降雨量占全年的比重相比多年平均所占比重增加5%。遵化站典型年年內(nèi)月分配見表1。

表1 遵化站典型年年內(nèi)月分配表

1.2 降雨年際變化分析

于橋水庫流域年降雨量受氣象和地形等因素的綜合影響，年際變化較大。年均最大降雨量為1978年1167mm，最小為2002年360mm，極值比為3.2；且降雨量常有連續(xù)幾年偏多或者連續(xù)幾年偏少的現(xiàn)象，1976—1979年、1985—1987年、1994—1996年為連續(xù)豐水年，1960—1963年、1980—1984年、1999—2011年、2013—2016年為連續(xù)枯水年。通過對于橋水庫全流域1956—2016年的61年降雨量分時段統(tǒng)計，1956—1979年為豐水期，年均降雨量比長系列年均值多11%；1980—2016年為枯水期，年均降雨量比長系列年均值少7%，尤其是2001—2016年均值與長系列相比減少11%。于橋水庫流域不同時段不同頻率的年降雨量特征值見表2。于橋水庫流域不同年代的年均降雨量如圖2所示。

表2 于橋水庫流域不同時段不同頻率的年降雨量統(tǒng)計特征值

圖2 于橋水庫流域不同年代年均降雨量變化圖

2 流域徑流變化特點

由于受人類活動和下墊面變化影響，流域的產(chǎn)匯流規(guī)律和徑流特性發(fā)生了改變，于橋水庫站的實測徑流值已不能代表流域徑流的天然狀況。為消除人類活動的影響，對于橋水庫站以上受人類活動影響部分的水量進行還原，將實測徑流系列還原為天然徑流系列。通過對降雨徑流(還原后)關系分析，雖然對受人類活動影響的且可直接還原的水量(含農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活用水的耗損水量，跨流域或區(qū)間引水量，分洪決口水量及水庫蓄水變量等)進行了還原，在一定程度上改善了徑流系列的一致性，但從1956—2016年降雨徑流(還原后)關系來看，在同量級降雨情況下，2001—2016年的徑流量明顯小于1956—2000年徑流量。引起降雨徑流關系變化的主要原因是流域下墊面條件的改變，導致入滲、徑流、蒸發(fā)等水平衡要素發(fā)生變化，徑流量減少?；诖?，采用雙累積相關法(年降雨量累積值與天然年徑流量累積值相關)判斷轉折年份大致為2001年。為保證徑流量系列成果的一致性，采用2001—2016年現(xiàn)狀下墊面條件對1956—2000年系列成果進行修正，1956—2000年徑流量修正后系列成果與修正前相比，年均減少30mm，減少比例為13%。

2.1 徑流年內(nèi)變化分析

采用于橋水庫站1956—2016年修正后的天然年徑流系列，分析其不同年代徑流年內(nèi)的變化。于橋水庫站不同年代及多年平均的年內(nèi)徑流量變化過程相似，均為單峰型且峰值均出現(xiàn)在8月。徑流量年內(nèi)分配不均，1—6月徑流量小且變化緩慢，7月開始逐漸增加，8月增加迅速達到最大值，9月又開始減少，10—12月徑流變化緩慢但量較1—6月稍大?？傮w看來，年徑流量主要集中在汛期的6—9月，尤其集中在7、8月兩月，汛期6—9月的徑流量占全年徑流量的70%～80%。于橋水庫站修正后不同年代年內(nèi)徑流分布如圖3所示。

圖3 于橋水庫站修正后不同年代年內(nèi)徑流分布圖

2.2 徑流年際間變化分析

于橋水庫1956—2016年修正后的天然徑流量系列年最大徑流量為1978年的14.81億m3，年最小徑流量為2000年的0.32億m3，最大值與最小值的比值為46.3，流域徑流量年際間變化很大。1956—2016年的61年系列中，1956—1979年處于豐水期，年均徑流量比長系列均值偏多43%；1980—2016年處于枯水期，年均徑流量比長系列均值減少28%，尤其是2001—2016年均值與長系列均值相比減少43%。于橋水庫不同時段不同頻率的年徑流量見表3。于橋水庫不同年代的年均徑流量如圖4所示。

表3 于橋水庫不同時段不同頻率的年徑流量統(tǒng)計特征值

圖4 于橋水庫不同年代的年均徑流量

3 徑流變化的成因分析

徑流變化主要受自然因素和人類活動的影響。最直接的自然因素為降雨，人類活動對徑流的影響表現(xiàn)為直接影響(取用水量的增加或減少)和間接影響(地下水開采、水利工程建設、水土保持措施等)，導致降雨入滲、徑流、蒸發(fā)等水平衡要素發(fā)生了一定的變化。

3.1 降雨量對徑流變化的影響

通過對于橋水庫流域10處雨量站的1956—2016年系列降雨資料統(tǒng)計，10處單站1980—2016年年均降雨量與1956—1979年年均相比，降雨量衰減11%～19%，流域衰減16%；10處單站2001—2016年年均降雨量與1956—1979年年均相比，降雨量衰減13%～22%，流域衰減19%。降雨量衰減，土壤包氣帶增厚，汛期一般強度降雨不能形成有效地表徑流，徑流量衰減幅度比降雨量衰減幅度更大。根據(jù)于橋水庫1956—1979年、1980—2000年、1981—2016年三個時段的降雨徑流相關關系比較，當降雨量為500mm左右時，1980—2000年、1981—2016年相比1956—1979年，徑流量分別減少33%、55%；當降雨量為800mm時，徑流量均減少16%。從于橋水庫站的降雨徑流相關關系可以看出，隨著降雨量的增加，不同時段徑流量的變化率逐漸減少，其變化范圍由62%逐漸減小到16%，說明降雨量越小，下墊面對徑流的影響程度越大。

3.2 用水量變化對徑流的影響

用水主要包括生產(chǎn)和生活用水，隨著于橋水庫上游流域的經(jīng)濟社會發(fā)展和人民生活水平的提高，流域內(nèi)用水量必然增加，其凈消耗水量也隨之增大，從而導致其徑流量減少。根據(jù)相關資料，選取于橋水庫流域1993—2016年部分典型年的用水量，分析其用水變化情況。2016年于橋水庫以上流域總用水量為2.61億m3，較1993年的2.43萬m3多了0.18億m3，較1995年2.30億m3多0.31億m3。除農(nóng)業(yè)用水量在減少外，工業(yè)、生活用水量均在增加，且工業(yè)用水量增加得非常迅速。典型年用水量統(tǒng)計見表4。

表4 于橋水庫流域用水量調(diào)查表 單位：億m3

對徑流量的產(chǎn)生起到影響作用的是各種用水量的消耗量，即耗水量。根據(jù)《于橋水庫流域水資源狀況分析》和天津市水資源公報等相關資料統(tǒng)計分析，于橋水庫流域耗水量由1960年的1.17億m3增加至2016年1.46億m3，由于人類活動導致耗水的增加直接造成河川徑流量的減少，于橋水庫1960—2016年的流域耗水量變化過程如圖5所示。

圖5 于橋水庫以上流域耗水量過程圖

3.3 下墊面變化對徑流的影響

流域下墊面(包括地形、植被、土壤、地質)和河系特征(河長、河網(wǎng)密度、水系形狀等)，這些影響因素統(tǒng)稱下墊面因素。河川徑流是降雨量與下墊面共同作用的結果，具體量化下墊面變化對徑流的影響較為困難，本文從流域地下水開采影響、地表植被變化、流域水利工程建設等方面間接分析下墊面變化對徑流的影響。

3.3.1地下水開采影響

于橋水庫流域涉及河北省唐山市遵化、玉田，承德市興隆縣，天津市薊州區(qū)四個市(縣、區(qū))。根據(jù)《于橋水庫流域水資源狀況分析》，流域內(nèi)泉水頭、大柳樹、東新莊、南新城、新店子等5處地下水位站自建站至今的年平均埋深、年最大埋深、年最小埋深分析發(fā)現(xiàn)：除東新莊站外，其他四處地下水位站的年平均埋深、年最大埋深、年最小埋深三個統(tǒng)計特征值全部呈增大趨勢，僅東新莊站年最小埋深、年平均埋深系列變化不明顯，年最大埋深有減小趨勢，主要是該站測井緊靠黎河河道，受引灤輸水影響，河水對河道兩側補給地下水作用造成的。其中，泉水頭年平均埋深由1976年的4.5m降至2006年的8m、年最大埋深由1976年的8.2m降至2006年的8.6m、年最小埋深由1976年的1m降至2006年的7m；東新莊站年平均埋深由1976年的6.5m升至2006年的6.2m、年最大埋深由1976年的11m升至2006年的8.2m、年最小埋深由1976年的3.9m降至2006年的6m。

3.3.2植被變化情況

于橋水庫流域內(nèi)清東陵以北地區(qū)封禁達270多年，流域上游植被覆蓋較好；中下游遵化市和薊州區(qū)，作為京津冀的后花園，植被覆蓋率由1975年32.7%增加到2010年的54.0%以上。植被覆蓋率增大會改變流域產(chǎn)匯流機制，使徑流模式更趨向于蓄滿產(chǎn)流或先超滲后蓄滿產(chǎn)流模式，使得徑流減少。此外，水土保持措施中的梯田、蓄水保土工程等治理措施，直接存蓄當?shù)氐乇懋a(chǎn)流，治理區(qū)域的小流域地表產(chǎn)流量幾乎可有效攔截。

3.3.3水利工程建設情況分析

流域內(nèi)目前有龍門口、上關、般若院三座中型水庫以及29座小型水庫，中型水庫、小(一)型水庫均位于遵化市境內(nèi)，遵化市境內(nèi)水庫總庫容占到流域內(nèi)水庫總庫容的95%以上。蓄水工程蓄水能力由1995年的1.1億m3增加到2005年的1.39億m3，引提水工程由1995年的97處增加到2005年的110處。攔蓄截水面積的增大，導致蒸發(fā)量相對加大；引水工程和提水工程改變了某個流域的徑流情況及某些地區(qū)的地下水情況，造成局部水量改變，影響了小區(qū)域水資源情況，從而改變了取水及用水地域原來的水體循環(huán)情況。此外，近年來地表水資源減少，流域內(nèi)農(nóng)村集雨水窖建設得非常迅速。水窖的規(guī)模雖小，但數(shù)量頗多，大多位于山區(qū)流域，對攔蓄山區(qū)徑流起到一定作用，大大減小了河道徑流量。

4 結論

河川徑流是降雨與水文下墊面共同作用的結果，徑流系列的變化除受降雨豐枯影響外，下墊面變化成為影響流域徑流的主要因素。1980年以前，人類活動影響較小，用水量是影響流域徑流量的主要因素；1980年以后，尤其是2000年以來，由于人類活動的加劇，水利工程的建設、地下水埋深增加、地表植被覆蓋率的變化都會導致下墊面發(fā)生變化，徑流量的減少趨勢非常劇烈。下墊面變化對天然徑流的影響非常復雜，是一個漸變過程，因此，在水資源開發(fā)利用中，要客觀評價流域地表水資源變化，以便為流域水資源開發(fā)利用提供基礎支撐。