南渡江降水量、徑流量變化特征分析

林淑婧，盧裕景，張仁東，李德立

(海南省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，海南 海口 570203)

流域水文循環(huán)過程和水資源演變規(guī)律的兩大驅(qū)動因素是全球氣候變化和人類活動，而降水與徑流是水文循環(huán)過程中的重要環(huán)節(jié)，是水文要素變化最為直接的表征[1- 2]。

目前關(guān)于長江經(jīng)濟(jì)帶、黃河流域高質(zhì)量發(fā)展、粵港澳大灣區(qū)等國家重大戰(zhàn)略區(qū)域流域水文演變規(guī)律的研究較為集中[3- 5]，而針對海南自由貿(mào)易港降水量與徑流量變化特征研究相對較少。在全球氣候變暖、ENSO事件等變化環(huán)境背景下，探索海南自由貿(mào)易港最大河流流域降水量與徑流量分配特征、趨勢特征和周期特征等流域水文演化規(guī)律，對區(qū)域水資源合理開發(fā)利用和人水關(guān)系和諧以及經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義[6]。

1 區(qū)域概況

南渡江流域面積為7033km2，干流總長334km，是海南島流域最大、河流最長的河流，流域面積約占全島面積的21%；流域?qū)贌釒Ъ撅L(fēng)海洋性氣候，發(fā)源于南峰山，向東北流經(jīng)白沙、儋州等8個市縣后至?？谏成细蹍R入瓊州海峽[7- 8]。

流域形態(tài)呈狹長型，自松濤水庫壩址以上為上游段，屬中低山區(qū)，河谷狹窄，坡降大、急灘多；松濤水庫—九龍灘為中游段，屬低山丘陵，山間溝谷發(fā)育，河道迂回彎曲；九龍灘—龍?zhí)翂螢橄掠味?，主要屬丘陵臺地及濱海平原三角洲，河道寬闊，坡降平緩，龍?zhí)翂沃芬韵轮辽成细鄯Q河口段。干流基本特征見表1。流域平均坡降為0.72‰，多年平均年降水量約為1900mm，多年平均年蒸發(fā)量約為1450mm，松濤壩址控制徑流量僅占全河的21%，松濤至龍?zhí)羺^(qū)間多年平均天然流量約為180m3/s。

表1 南渡江干流基本特征表

2 資料來源

南渡江干流現(xiàn)狀自上游至下游依次布設(shè)有福才站、南豐站(徑流資料不完整)、邁灣站(臨時水文觀測站)和龍?zhí)琳?，站點信息見表2，站點分布如圖1所示。

圖1 南渡江流域水文站點分布

表2 南渡江干流各水文站點信息表

考慮到系列代表性、完整性和一致性，本次研究數(shù)據(jù)來源為第三次海南省水資源調(diào)查評價報告1956—2016年流域上游福才站和下游龍?zhí)琳窘邓颗c徑流量數(shù)據(jù)(徑流量換算為徑流深)，通過統(tǒng)計參數(shù)、累積曲線和小波分析等方法分析其變化特征。

3 分配特征

3.1 年內(nèi)分配

南渡江流域1—3月降水量與徑流量呈下降趨勢，4月開始緩慢增加，到10月降水量與徑流量達(dá)到最大值。5—10月降水量占全年的82%，徑流量占全年的77%，年內(nèi)分配一般呈單峰型。

降水量、徑流量年內(nèi)分配均勻狀況采用年內(nèi)分配不均系數(shù)Cvy進(jìn)行分析，Cvy值越大，表示年內(nèi)分配越不均勻，計算方法如下：

(1)

南渡江屬雨源型河流，福才站降水量Cvy為[0.62，1.76]，徑流量Cvy為[0.41，2.04]；龍?zhí)琳窘邓緾vy為[0.64，1.53]，徑流量Cvy為[0.48，2.10]。兩站降水量和徑流量年內(nèi)分配不均系數(shù)較大，且Cvy均呈上升趨勢，說明氣候變化和人類活動造成徑流年內(nèi)分配不均系數(shù)增大，降雨年內(nèi)穩(wěn)定程度降低。

3.2 年際變化

年際變化采用變差系數(shù)Cv、極值比Km和不均勻系數(shù)β進(jìn)行分析[9]。

Cv值為標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)之比，反映總體系列離散程度。Cv值越大，表示年際變化越劇烈，易發(fā)生洪澇災(zāi)害；Cv值越小，表示年際變化越平緩，有利于水資源開發(fā)利用。

Km值為最大值與最小值之比，反映兩個極端值的倍數(shù)關(guān)系，Km值越大，表示年際變化越不均勻。

β值為平均值與最大值之比，反映年際變化的不均勻特征。β越接近1，表示年際變化越均勻。詳見表3。

由表3可知，南渡江福才站、龍?zhí)琳窘邓緾v值均小于徑流量Cv值，且徑流量Cv值福才站大于龍?zhí)琳?，說明南渡江徑流量多年變化大于降水量，上游相比下游徑流量多年變化更大。

表3 南渡江徑流量、降雨量年際變化

南渡江福才站、龍?zhí)琳緩搅髁縆m值均大于降水量Km值，且福才站徑流量Km值大于龍?zhí)琳?，說明南渡江徑流量不均勻程度較降水量大，上游相比下游徑流量受降水量變化影響較大。

南渡江福才站、龍?zhí)琳緩搅髁喀轮稻∮诮邓喀轮?，且降水量β值兩站變化不大，但徑流量β值福才站小于龍?zhí)琳?，說明南渡江徑流量年際變化均勻度較差，且上游降水量相比下游均勻，但徑流量年際變化不均勻。

4 趨勢特征

南渡江福才、龍?zhí)琳窘邓亢蛷搅髁磕觌H變化趨勢如圖2所示。由圖2可知，南渡江福才、龍?zhí)琳灸杲邓砍尸F(xiàn)總體緩慢上升的趨勢(斜率k>0)，通過相關(guān)系數(shù)檢驗法分析，其上升趨勢較顯著(α=0.05)；南渡江福才、龍?zhí)琳灸陱搅髁砍尸F(xiàn)總體緩慢下降的趨勢(斜率k<0)，通過相關(guān)系數(shù)檢驗法分析，其下降趨勢較顯著(α=0.05)。

圖2 南渡江1956—2016年降水與徑流量線性趨勢

為了更好地說明流域下墊面對降水量、徑流量的影響程度，采用徑流系數(shù)和降雨徑流累積曲線進(jìn)行趨勢特征分析。

實測徑流系數(shù)k是反映降水所產(chǎn)生徑流受人類活動影響的程度，計算公式為k=R/P，其中，R為徑流量，P為降水量。降雨徑流雙累積曲線是以累積降水量作為參考變量，通過降水徑流雙累積曲線分析其一致性或長期演變趨勢，初步判別人類活動對徑流量的影響程度。

由圖3可知，南渡江福才、龍?zhí)琳緦崪y徑流系數(shù)k均呈現(xiàn)下降趨勢。由圖4可知，降雨徑流福才、龍?zhí)琳窘涤陱搅麝P(guān)系變化規(guī)律基本一致，且1956—1969年、1970—2000年和2001—2016年3個階段的降雨徑流關(guān)系存在減小的規(guī)律。由此可見，下墊面條件變化、水資源開發(fā)利用程度提高，會導(dǎo)致流域徑流能力減弱。

圖3 南渡江徑流系數(shù)變化曲線

圖4 南渡江降水-徑流累積曲線圖

5 周期特征

采用Morlet小波函數(shù)分析南渡江降水量與徑流量周期特征。小波分析是可以一種實現(xiàn)多時間尺度序列結(jié)構(gòu)特征分析及反映其局部化規(guī)律的方法，能夠準(zhǔn)確地判斷水文時間序列周期的具體時段。利用Morlet小波函數(shù)同時從時域和頻域揭示徑流量信號變化特性，尺度較大時，可得到信號整體特征；尺度較小時，能提取信號細(xì)節(jié)特征[10]。

通過繪制小波方差圖反映時間序列中各個尺度擾動的相對強度。以Var(a)為縱坐標(biāo)、a為橫坐標(biāo)繪制小波方差圖，如圖5所示，其峰值所對應(yīng)的是徑流量主周期。

圖5 南渡江年降水量與年徑流量小波方差圖

由圖5可知，南渡江相同水文站點年降水量和年徑流量周期時間尺度一致性較好。不同水文要素均存在不同尺度的3個較為明顯的峰值。其中：

年降水量周期特征中，27年、28年時間尺度為第一主周期；12年為第二主周期，同時還存在5年、4年的次周期。

年徑流量周期特征中，27年、28年時間尺度為第一主周期；12年、13年為第二主周期，同時還存在9年、5年、4年的次周期。詳見表4。

表4 南渡江年降水量與年徑流量主要周期 單位：年

6 結(jié)論

(1)南渡江福才、龍?zhí)琳?956—2016年降水、徑流豐枯等級變化波動較為頻繁，且豐枯歷時較短；實測降水量呈上升趨勢，實測徑流量呈下降趨勢；實測徑流量多年變化和不均勻程度均大于降水量；徑流系數(shù)呈顯著下降趨勢，且位于下游的龍?zhí)琳鞠陆捣却笥谖挥谏嫌蔚母２耪尽?/p>

(2)年降水量周期特征中，27年、28年時間尺度為第一主周期；12年為第二主周期，同時還存在5年、4年的次周期。年徑流量周期特征中，27年、28年時間尺度為第一主周期；12年、13年為第二主周期，同時還存在9年、5年、4年的次周期。

(3)文章對徑流量變化分析未考慮基流因子、下墊面變化等因素，對降水量變化分析也忽略了蒸發(fā)量與人類活動的影響，因此，下一步仍需要不斷深入和改進(jìn)南渡江降水量與徑流量變化影響的定量研究。