新安江上游流域水文要素分析研究

鐘維斌

(黃山水文水資源局,安徽 黃山 245000)

氣候變化和人類活動(dòng)共同影響著流域下墊面,改變著流域產(chǎn)匯流機(jī)制,并將深刻影響水循環(huán)過(guò)程[1-2]。21世紀(jì)以來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展,人類通過(guò)新建水庫(kù)、農(nóng)業(yè)灌溉、城市擴(kuò)張和生態(tài)恢復(fù)等方式日益加深對(duì)新安江上游流域水文過(guò)程的影響。

1 流域概況

新安江上游流域?qū)賮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候,四季分明,氣溫年平均值為15.8～17.9℃;雨量充沛,濕度較大,多年平均年降水量為1869.5mm;總的地形為西高東低,海拔范圍為86～1630m,流域跨祁門、黟縣、休寧、屯溪三縣一區(qū)。水系雙支:南支正源率水、北支橫江,見圖1。率水為新安江正源,發(fā)源于安徽、江西兩省交界的五龍山脈懷玉山主峰六股尖,最高海拔1630m,流域面積1522km2,河道長(zhǎng)度138km;橫江發(fā)源于安徽黟縣五溪山脈的白頂山,海拔1130m,流域面積997km2,河道長(zhǎng)度75km,至斷面上游3500m處匯入率水,率水與橫江匯合后始稱新安江。

圖1 新安江上游流域水系圖

新安江上游流域主要控制站屯溪水文站位于黃山市屯溪區(qū)陽(yáng)湖鎮(zhèn)黃口社區(qū),建于1950年6月,流域面積2670km2。為皖南山區(qū)1000～3000km2區(qū)域代表站、一類精度站、國(guó)家重要水文站。測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有降水、蒸發(fā)、水位、流量、泥沙、墑情、水質(zhì)等。

2 數(shù)據(jù)選取

本文降水研究選取屯溪、上溪口、黟縣、休寧雨量站1956—2020年,巖前雨量站1957—2020年,五城雨量站1958—2020年,呈村雨量站1976—2020年的降水觀測(cè)數(shù)據(jù);流量、蒸發(fā)研究采用屯溪水文站1956—2020年的數(shù)據(jù);泥沙研究使用屯溪水文站1979—2020年數(shù)據(jù);土壤墑情規(guī)律研究則用黎陽(yáng)墑情站2011—2020年資料。

3 水文要素時(shí)空分布分析

3.1 降水

降水量年際變化包括年際間的變化幅度和多年變化過(guò)程[3]。年際變幅通常用年降水變差系數(shù)Cv以及年降水量極值比來(lái)表示;多年變化過(guò)程主要指降水豐、平、枯及連豐、連枯的特征,其表示方法主要有均值比較法和差積曲線法[4]。

使用7個(gè)雨量站1956—2020年降水?dāng)?shù)據(jù)(資料年限不足站點(diǎn)通過(guò)插補(bǔ)延長(zhǎng)方法補(bǔ)齊),通過(guò)泰森多邊形法計(jì)算流域多年面雨量。本流域多年平均年面降水量為1869.5mm,最大年降水量2698.0mm發(fā)生在1999年,而最小年降水量1132.8mm發(fā)生在1978年,年際極值比為2.38,年降水變差系數(shù)Cv為0.20,年際變化較大。繪制差積曲線(見圖2),可知本區(qū)年際降水呈豐枯周期性交替變化,交替變化周期在8～13年,平均變化周期為11年,具體變化情況見表1。

表1 流域面降水量不同時(shí)間系列均值統(tǒng)計(jì)

圖2 降水差積曲線

本流域地處亞熱帶邊緣,距海較近,常為冷暖空氣交匯處。受季風(fēng)影響,春暖多雨,梅雨顯著,秋伏多旱。

年內(nèi)各月降水量分配不均,主要集中在3—7月,約占全年降水量的65%,連續(xù)最大4個(gè)月多年平均降水量在4—7月,約占全年的55%。年內(nèi)最大月降水量一般出現(xiàn)的6月,約占全年的18%;最小月降水量在12月,約占全年的3%,月極值比為6.2。流域多年平均面降水量月分配見表2。

表2 多年平均面降水量月分配

研究區(qū)屬山區(qū)性流域,山地傾斜、山峰陡峻,面對(duì)季風(fēng)來(lái)向的山地有利于低空氣流水汽抬升,變?yōu)楸┯晏鞖?形成暴雨中心。而在地勢(shì)較低處,水汽受到周圍山體阻滯,不足以抬升形成抬升雨,此區(qū)域?yàn)榻邓椭祬^(qū)[5]。

本區(qū)域有兩個(gè)暴雨中心,主暴雨中心在安徽、江西交界的流口—陽(yáng)臺(tái)一帶,多年平均年降水量在2200mm以上;次暴雨中心在黃山西南的芳田附近,多年平均年降水量近2000mm,一個(gè)降水低值區(qū)在休寧—屯溪一帶,多年平均年降水量約為1800mm。呈現(xiàn)西向東、山地向盆地、上游向下游遞減的趨勢(shì)。流域多年平均年降水量等值線見圖3。

圖3 流域多年平均年降水等值線 (單位:mm)

將各站點(diǎn)多年平均年降水量與高程建立關(guān)系,見圖4。可以看出降水量隨海拔升高而增大,兩者呈相關(guān)關(guān)系,橫江流域相關(guān)系數(shù)R2較高,達(dá)0.89,為強(qiáng)相關(guān)關(guān)系;率水流域相關(guān)系數(shù)R2為0.62。因此,可以通過(guò)兩個(gè)流域高程-降水量關(guān)系線推求其他無(wú)雨量站點(diǎn)地區(qū)的降水量。

圖4 多年平均年降水量與高程關(guān)系

3.2 徑流

新安江上游流域多年平均年徑流深為1170.1mm,最大年徑流深為2031.3mm,發(fā)生在1999年;最小年徑流深為558.6mm,發(fā)生在2005年;年際極值比為3.64,年徑流深變差系數(shù)Cv為0.33,年際變化較降水量更大。徑流深差積值曲線變化趨勢(shì)與降水基本一致,見圖5,徑流豐枯水年交替變化周期為9～13年,平均周期為11年,具體變化情況見表3。

表3 流域面降水量不同時(shí)間系列均值統(tǒng)計(jì)

圖5 徑流深差積曲線

年內(nèi)各月徑流深分配不均,但與降水量月分配相對(duì)應(yīng),主要集中在3—7月,約占全年的74%。連續(xù)最大4個(gè)月多年平均在4—7月,約占全年的64%,年內(nèi)最大月徑流深一般出現(xiàn)的6月,約占全年的21%,最小月徑流深在12月,約占全年的2%,月極值比為9.33。月徑流深相比于月降水量更加集中,是由于受流域下墊面調(diào)蓄影響。流域多年平均徑流深月分配見表4。

此時(shí)此刻，紀(jì)檢監(jiān)察機(jī)關(guān)對(duì)王素英的調(diào)查還在進(jìn)行，具體案情尚未明晰。但是，對(duì)關(guān)注福利彩票系統(tǒng)的人而言，王素英落馬被查并不算一件很令人意外的事情，因?yàn)樵诖酥埃呀?jīng)有兩名和她曾擔(dān)任同一職位的領(lǐng)導(dǎo)干部遭到了調(diào)查和處理，某種意義上，這個(gè)崗位本身就“問(wèn)題多多”。而在福彩中心背后，整個(gè)民政部都存在系統(tǒng)性的腐敗問(wèn)題。

表4 多年平均徑流深月分配

新安江上游流域洪水多由暴雨形成,洪水的季節(jié)特點(diǎn)、時(shí)空變化與暴雨基本一致。洪水的主要特點(diǎn)是匯流快、流速大、漲落快。洪水一般以單峰為主,而大洪水及特大洪水主要為雙峰型或復(fù)峰型,其主峰出現(xiàn)的先后受降水時(shí)空分布的制約[6]。1956年以來(lái)發(fā)生超過(guò)5年一遇的洪水17次,其中10年一遇的大洪水7次。進(jìn)入21世紀(jì)后,大洪水發(fā)生頻率較高,5年一遇的洪水有8次,10年一遇的大洪水達(dá)4次。屯溪水文站實(shí)測(cè)歷史最大流量為6500m3/s,發(fā)生在1996年7月1日,實(shí)測(cè)年最大流量中約有70%發(fā)生在6—7月,尤其集中在6月下旬至7月上旬,8—9月也有洪水發(fā)生,其他月份出現(xiàn)洪水的概率極小。實(shí)測(cè)歷史最小流量為0,發(fā)生在1978年9月4日,實(shí)測(cè)年最小流量出現(xiàn)月份相對(duì)分散,分布在1月、2月、8—12月,約占全年的82%。將各年最大、最小流量相除得多年流量極值比,點(diǎn)繪流量極值比趨勢(shì)曲線見圖6,曲線緩慢上漲,說(shuō)明流域出現(xiàn)極端天氣概率呈緩慢上漲趨勢(shì),年內(nèi)易同時(shí)出現(xiàn)大洪水和極端旱災(zāi),需引起關(guān)注。

圖6 多年流量極值比趨勢(shì)

3.3 水面蒸發(fā)

新安江上游流域多年平均年水面蒸發(fā)量為783.7mm,最大年蒸發(fā)量為1020.7mm,發(fā)生在1958年;最小年蒸發(fā)量為616.6mm,發(fā)生在1999年;極值比為1.66,年際蒸發(fā)變差系數(shù)Cv為0.13,年際變化不大,變化過(guò)程與降水成相反關(guān)系,整體波動(dòng)減小趨勢(shì),蒸發(fā)年際變化見圖7。年內(nèi)分配不均,汛期5—9月約占全年總蒸發(fā)量的2/3,其中7月蒸發(fā)量最大,約占全年蒸發(fā)量的15.6%;1月蒸發(fā)量最小,約占全年蒸發(fā)量的3.1%。各月水面蒸發(fā)量分配情況見表5。

表5 各月水面蒸發(fā)量分配

圖7 蒸發(fā)量年際變化

用干旱指數(shù)r反映氣候干旱程度,通常定義為年蒸發(fā)量與年降水量的比值,即r=E0/P,式中E0為年蒸發(fā)量,用E601水面蒸發(fā)量乘以折算系數(shù)推求[7]。計(jì)算出各年的干旱指數(shù)為0.21～0.73,多年平均干旱指數(shù)為0.39,低于十分濕潤(rùn)帶干旱指數(shù)0.5,說(shuō)明新安江上游流域?qū)偈譂駶?rùn)帶。

3.4 泥沙

新安江上游流域河流泥沙主要是由降水對(duì)流域表面沖刷產(chǎn)生的,因此河流含沙量大小與降水量和降水強(qiáng)度關(guān)系密切[8]。豐水年輸沙量大,枯水年相對(duì)小。同時(shí),流域植被、坡度對(duì)含沙量也有較大影響,植被率高、坡度小則含沙量小,反之則含沙量大。

多年平均年輸沙量為37.9萬(wàn)t,年最大輸沙量為97.9萬(wàn)t,發(fā)生在2011年;年最小輸沙量為4萬(wàn)t,發(fā)生在2005年;極值比為24.5,年際輸沙量變差系數(shù)Cv為0.62,年際變化大。各年最大含沙量只出現(xiàn)在4—7月,其中6月出現(xiàn)概率最大,為40.5%;其次是7月,出現(xiàn)概率為33.3%。

3.5 土壤墑情

不同深度土層土壤含水量的變化程度各不相同,從而形成了土壤水分的垂直變化差異。各層土壤含水量的平均水平和變異性,一般從集中趨勢(shì)和離散趨勢(shì)兩個(gè)方面描述。反映各層土壤含水量集中趨勢(shì)的指標(biāo)為平均值,反映離散趨勢(shì)的指標(biāo)包括樣本最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)等[9]。從表6可知,10cm深處土壤含水量平均值最大,而40cm深處土壤含水量平均值最小,不同深度土壤按含水量平均值大小排序?yàn)?0cm土層>20cm土層>40cm土層。土壤含水量變異系數(shù)10cm土層最大,40cm土層最小,這是因?yàn)楸韺油寥篮渴芙邓?、蒸發(fā)影響顯著,變化較為劇烈,而越深處變化相對(duì)越緩慢。

表6 新安江上游流域不同深度土層土壤含水量統(tǒng)計(jì)

新安江上游流域土壤含水量的年際變化受降水和蒸發(fā)因素影響明顯。從圖8、圖9可以看出,降水量多、蒸發(fā)量小的年份土壤含水量高,降水量少、蒸發(fā)量大的年份土壤含水量相應(yīng)也低?；旧贤寥篮颗c降水量成正相關(guān),而與蒸發(fā)量成負(fù)相關(guān)。

圖8 新安江上游流域年際土壤含水量和降水量曲線

圖9 新安江上游流域年際土壤含水量和蒸發(fā)量曲線

圖10 多年土壤墑情變化曲線

劇變階段正值黃山市汛期,降水量、蒸發(fā)量及農(nóng)作物生長(zhǎng)所需水量均大于其他兩個(gè)階段,降水天氣可使土壤含水量迅速上升;而干旱炎熱的天氣,快速生長(zhǎng)的農(nóng)作物則使土壤含水量急劇下降,因此,這一階段土壤含水量變化大,變化速度快。穩(wěn)定階段主要包括冬季、春季,這一階段氣溫比較低,降水量、蒸發(fā)量也相對(duì)比較小,土壤水分基本保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平。緩變階段由于氣溫逐漸下降,降水量和蒸發(fā)量也逐漸減小,故土壤水分緩慢變化,總體上由不穩(wěn)定趨于穩(wěn)定。

3.6 蓄水量

閉合流域在時(shí)段內(nèi)輸入的水量與輸出的水量之差,必等于流域內(nèi)蓄水量的變化,這就是水量平衡原理[10],故流域內(nèi)蓄水量方程式為

ΔVn=Px-Rs+Eb

式中:ΔVn為時(shí)段內(nèi)流域蓄水量的變化,mm;Px為時(shí)段內(nèi)流域平均降水量,mm;Rs為出口斷面流出的徑流深,mm;Eb為時(shí)段內(nèi)流域平均蒸發(fā)量,mm,采用《黃山水文手冊(cè)》流域蒸發(fā)與水面蒸發(fā)折算系數(shù)計(jì)算。

繪制新安江上游流域蓄水量差積曲線,見圖11,1998年蓄水量差積值為20.7億m3,之后有明顯上升趨勢(shì),2020年蓄水量差積值達(dá)122.1億m3,上漲約6倍。這是由于黃山市對(duì)于生態(tài)環(huán)境十分重視,20世紀(jì)90年代末及21世紀(jì)初的植樹造林等森林恢復(fù)舉措取得了較大成效,植被得到了顯著恢復(fù)。同時(shí),隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn),農(nóng)村大部分青壯年勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移到了城市,農(nóng)田棄耕后轉(zhuǎn)為草地或灌叢。此外,農(nóng)村生活方式的改變,如農(nóng)村能源從薪柴轉(zhuǎn)變?yōu)槊禾?、電力?使曾經(jīng)的薪柴砍伐和坡地耕種等人類活動(dòng)顯著減少,人類對(duì)植被的干擾減弱,使得林地面積逐漸增加,流域涵養(yǎng)水源的能力增強(qiáng)[11]。

圖11 蓄水量差積曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)新安江上游流域水文要素的分析研究,發(fā)現(xiàn)此流域降水豐沛,水資源豐富,屬十分濕潤(rùn)地區(qū)。

a.流域降水時(shí)空分布不均,年際降水呈豐枯周期性交替變化,變化周期約為11年,年內(nèi)降水量主要集中在3—7月;平面空間上呈現(xiàn)上游向下游遞減的趨勢(shì),而垂直空間上降水量隨海拔升高而增大。

b.徑流、含沙量、土壤墑情與降水成正相關(guān)關(guān)系,而蒸發(fā)與降水成反相關(guān)關(guān)系;另外,土壤墑情與蒸發(fā)成反相關(guān)關(guān)系。

c.年流量極值比曲線緩慢上升,說(shuō)明流域出現(xiàn)極端天氣概率呈緩慢上升趨勢(shì),近年易同時(shí)出現(xiàn)大洪水和極端旱災(zāi),需引起關(guān)注。

d.20世紀(jì)90年代末及21世紀(jì)初的植樹造林等森林恢復(fù)舉措取得了較大成效,植被得到了顯著恢復(fù),同時(shí)人類對(duì)植被的干擾減弱,使得林地面積逐漸增加,流域涵養(yǎng)水源的能力增強(qiáng)。