西營(yíng)河九條嶺水文站1972—2020年徑流特性分析

王晴玉,武金慧,何 洋,徐 俊,張 璇

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

受流域土壤、植被、氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)及其所造成的土地利用變化等因素的影響,河流徑流變化過(guò)程的不確定性不斷增加,使區(qū)域供水和生態(tài)用水安全面臨挑戰(zhàn)。石羊河是我國(guó)內(nèi)陸河流域中人口最密集、水土資源開(kāi)發(fā)利用程度最高、用水矛盾最突出、生態(tài)環(huán)境問(wèn)題最嚴(yán)重的流域之一[1]。西營(yíng)河是石羊河流域最大的一級(jí)支流,行政區(qū)劃上,流域主要涉及武威市的涼州區(qū)、天?？h,張掖市的肅南縣,歷年平均徑流量占到了石羊河流域總徑流量的38%[2]。在2019年河道管理范圍劃定中,甘肅省水行政主管部門(mén)將西營(yíng)河確定為石羊河的干流源頭。2006—2020年從西營(yíng)河直接向下游累積調(diào)水15.9億m3,占下游調(diào)水控制斷面蔡旗水文站總來(lái)水的37.2%,在完成石羊河流域綜合治理生態(tài)調(diào)水任務(wù)中發(fā)揮了重要作用[3]。故研究分析西營(yíng)河徑流特性,探尋徑流變化過(guò)程及演變規(guī)律,對(duì)流域管理部門(mén)提前制定水量調(diào)度計(jì)劃、做好流域水資源開(kāi)發(fā)利用和流域生態(tài)治理規(guī)劃、促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要參考價(jià)值和意義。

本文根據(jù)西營(yíng)河主要控制站九條嶺水文站1972—2020年實(shí)測(cè)水文資料,通過(guò)多種方法分析年徑流系列代表段,為開(kāi)發(fā)利用西營(yíng)河水資源及臨近流域水利水電工程選九條嶺水文站作為參證站提供一定的設(shè)計(jì)依據(jù)。且由于九條嶺水文站是石羊河流域幾大河流中唯一一個(gè)不受人工設(shè)施影響的天然河道監(jiān)測(cè)站[2],故對(duì)其徑流特性及資料代表性進(jìn)行分析,計(jì)算其設(shè)計(jì)年徑流,為探究石羊河流域出山徑流變化過(guò)程與規(guī)律提供借鑒。

1 西營(yíng)河流域概況

西營(yíng)河發(fā)源于祁連山北麓的冷龍嶺,流域面積1 455 km2,河長(zhǎng)124 km,上游分為東西兩支,東支寧昌河,發(fā)源于祁連山冷龍嶺北坡的假墻槽,自南向北流,流長(zhǎng)45.8 km,源地海拔高程4 500 m,干流平均坡降24.8‰;西支水管河,源于亂石窩腦子,自西南向東北流,流長(zhǎng)35.6 km,源地海拔高程4 300.00 m,干流平均坡降24.9‰。東、西兩支流在西營(yíng)河林場(chǎng)處匯合后折向東北流稱西營(yíng)河,上游河網(wǎng)發(fā)育,支流縱橫,山地陰坡面分布有天然林,牧草豐盛,植被較好,山區(qū)雨量較大,是流域的主要產(chǎn)流區(qū)。河流源頭植被較好,中高山區(qū)有喬、灌林和草原覆蓋,有林地4 500 hm2,草地8 100 hm2[3]。流域平均高度3 312 m ,河源不少山峰聳立在4 500 m以上,最高達(dá)5 007 m,群峰終年積雪,有現(xiàn)代冰川,中上游森林茂密;下游及水管河以西山嶺光禿,巖石裸露,河床蜿蜒曲折,川谷相間,落差大,水力資源豐富。

西營(yíng)河產(chǎn)流區(qū)位于出山口以上的祁連山區(qū),徑流主要來(lái)源于大氣降水,另外有少量的冰雪融水補(bǔ)給。徑流年內(nèi)分配不均勻,主要集中在5—9月,徑流量約占全年徑流量的80.26%。

2 九條嶺水文站資料情況

九條嶺水文站是西營(yíng)河的主要控制站,位于石羊河水系西營(yíng)河上游,地處張掖市肅南裕固族自治縣皇城鎮(zhèn)九條嶺煤礦,地理坐標(biāo):東經(jīng) 102°03°35.2′,北緯 37°52°44.3′。九條嶺站以上為主要產(chǎn)流供水區(qū),區(qū)域內(nèi)植被較好,有高山喬木、灌木和草原覆蓋,水土流失較少,人煙稀少,人類(lèi)活動(dòng)影響較小[4]。九條嶺站控制流域面積1 077 km2,屬國(guó)家重要水文站、中央報(bào)汛站、區(qū)域代表站[5]。該站于1972年1月設(shè)立,測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目主要有水位、流量、懸移質(zhì)輸沙率、降水量、蒸發(fā)量等,測(cè)驗(yàn)符合水文測(cè)驗(yàn)相關(guān)規(guī)范要求,測(cè)驗(yàn)成果經(jīng)甘肅省水文水資源局整編,資料整編符合規(guī)范要求。

該站流量測(cè)驗(yàn)河段基本順直,兩岸有人工漿砌石堤壩,水流集中,卵石河床,河床穩(wěn)定,歷年測(cè)驗(yàn)斷面穩(wěn)定,控制良好,水位流量關(guān)系線呈穩(wěn)定的單一線關(guān)系,影響河道流量的各水力因素相對(duì)穩(wěn)定,測(cè)站控制良好,符合測(cè)驗(yàn)河道穩(wěn)定、水流平穩(wěn)的控制特性,水位、流量資料可靠,精度較高[6]。水文站以上流域內(nèi)人類(lèi)活動(dòng)很少,干流河道在水文站測(cè)驗(yàn)斷面以上無(wú)具有調(diào)節(jié)性能的水利水電工程,對(duì)徑流基本無(wú)影響,故徑流系列具有較好的一致性。本次收集到九條嶺水文站1972—2020年實(shí)測(cè)徑流資料,系列長(zhǎng)度為49 a。

3 徑流特性

3.1 徑流年內(nèi)分配

西營(yíng)河產(chǎn)流區(qū)位于出山口以上的祁連山區(qū),徑流主要來(lái)源于大氣降水,另外有少量的冰雪融水和地下水補(bǔ)給。根據(jù)九條嶺水文站1972—2020年共49 a徑流資料系列統(tǒng)計(jì),計(jì)算得九條嶺水文站徑流年內(nèi)分配及占比情況見(jiàn)表1,徑流年內(nèi)分配如圖1。

圖2 九條嶺水文站年徑流變化過(guò)程

表1 九條嶺水文站徑流年內(nèi)分配及占比情況表

由上述圖表統(tǒng)計(jì)結(jié)果,結(jié)合徑流補(bǔ)給條件可以得出,九條嶺水文站多年平均年徑流量3.19億m3,徑流年內(nèi)分配主要集中在5—9月,徑流量占全年徑流量的80.26%;枯期10月至翌年4月,徑流量占全年徑流量的19.74%;最枯12月至次年3月,河流結(jié)冰封凍,徑流主要靠地下水補(bǔ)給,徑流量?jī)H占年徑流量的6.11%。

3.2 徑流變化趨勢(shì)

河流徑流年際過(guò)程具有豐、平、枯水年組交替出現(xiàn)的現(xiàn)象,其總趨勢(shì)可以用年平均流量和時(shí)間的直線方程表示,這條直線亦稱為趨勢(shì)線。徑流序列變化趨勢(shì)過(guò)程可用直線方程表示如下:

X年,t=k·t+b

(1)

式中:X年,t為年平均徑流量,億m3;k為趨勢(shì)線的斜率;t為用時(shí)序表示的年份;b為趨勢(shì)線的截距。

根據(jù)式(1)中斜率k的大小,可以判斷河流徑流的長(zhǎng)期變化趨勢(shì):若k>0,說(shuō)明徑流的長(zhǎng)期變化呈增長(zhǎng)趨勢(shì);若k=0,說(shuō)明徑流的長(zhǎng)期變化趨于穩(wěn)定;若k<0,則說(shuō)明徑流的長(zhǎng)期變化呈減小趨勢(shì)[7]。經(jīng)九條嶺水文站1972—2020年實(shí)測(cè)徑流資料擬合,九條嶺水文站年徑流長(zhǎng)期變化趨勢(shì)方程如下:

X年,t= 0.0082t+ 2.9797

(2)

從式(2)中可見(jiàn),九條嶺水文站徑流年際過(guò)程以 0.0082億m3/a的微弱趨勢(shì)增長(zhǎng)。九條嶺水文站逐年徑流變化過(guò)程見(jiàn)圖 2。

九條嶺水文站以上流域地處祁連山區(qū)高海拔區(qū)域,上游河網(wǎng)發(fā)育,支流縱橫,山地陰坡面分布有天然林,牧草豐盛,植被較好,山區(qū)雨量較大,是流域的主要產(chǎn)流區(qū)。近年來(lái),隨著全球氣候變暖,平均氣溫逐年升高[8],使得融雪地區(qū)及高緯度地區(qū)的冬季或春季的融雪徑流不斷增加[9-10],致使該站長(zhǎng)系列徑流變化趨勢(shì)線呈現(xiàn)微弱增長(zhǎng)的總趨勢(shì)。

4 年徑流代表性分析

徑流系列的代表性是指年徑流系列(稱為樣本)的統(tǒng)計(jì)特性對(duì)總體統(tǒng)計(jì)特性的接近程度,接近程度高,表明該系列代表性較好。水文計(jì)算中,一般常借助于與長(zhǎng)系列徑流資料的統(tǒng)計(jì)參數(shù)比較,并采用多種方法綜合分析,判斷系列的代表性[11]。本次采用:① 長(zhǎng)短系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)對(duì)比分析;② 差積曲線分析;③ 累積平均分析3種方法對(duì)九條嶺水文站1972—2020年徑流系列進(jìn)行代表性分析。

4.1 長(zhǎng)短系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)對(duì)比分析

水文計(jì)算中,通常從長(zhǎng)系列資料中,選取若干個(gè)短系列,計(jì)算它們的統(tǒng)計(jì)參數(shù),如均值及離勢(shì)系數(shù)Cv,并與長(zhǎng)系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析,若計(jì)算結(jié)果較為接近,則認(rèn)為該站資料具有一定的代表性[12]。

根據(jù)九條嶺水文站徑流系列豐、枯水年分布規(guī)律,選取1972—1996年、1979—2013年、1996—2020年3個(gè)時(shí)間段作為短序列,分別計(jì)算其流量均值及離勢(shì)系數(shù)Cv,與長(zhǎng)系列進(jìn)行比較,計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 九條嶺水文站長(zhǎng)短徑流系列計(jì)算分析成果表

由表2可知,1972—1996年流量均值與長(zhǎng)系列成果相比略低3.18%,Cv值比長(zhǎng)系列略低5.56%;1979—2013年流量均值與長(zhǎng)系列基本相近,Cv值比長(zhǎng)系列略高5.56%;1996—2020年年流量均值與長(zhǎng)系列相比略高2.26%,Cv值比長(zhǎng)系列略高5.56%。由計(jì)算分析成果可知,3個(gè)短系列的平均流量值與Cv值與長(zhǎng)系列均相差很小,因此,九條嶺水文站1972—2020年徑流系列具有較好的代表性。

4.2 差積曲線分析

水文計(jì)算中常用差積曲線分析系列的代表性。差積曲線即累積距平值過(guò)程線,是分析徑流系列某一時(shí)期徑流量相對(duì)于系列總均值的豐、平、枯變化情況,判斷某一時(shí)期屬于豐水期、平水期或枯水期[3]。差積曲線的不同形狀,反映年徑流量的周期性豐、平、枯交替變化規(guī)律。曲線的上升段,表示多水期,下降段表示少水期,在某時(shí)段內(nèi),曲線總的趨勢(shì)上升,表示處于豐水期,曲線總的趨勢(shì)下降,表示處于枯水期,曲線總的趨勢(shì)保持穩(wěn)定,表示處于平水期,曲線的豐水期、平水期、枯水期構(gòu)成了一個(gè)完整的豐、平、枯周期[13]。年平均流量累積差值的計(jì)算方法用公式表示如下:

(3)

根據(jù)九條嶺水文站1972—2020年共49 a實(shí)測(cè)徑流資料系列,采用豐、平、枯水過(guò)程、年徑流均值收斂性及豐、枯年數(shù)對(duì)比分析等方法對(duì)系列樣本代表性進(jìn)行分析。九條嶺水文站徑流差積曲線見(jiàn)圖3。

圖3 九條嶺水文站徑流差積曲線

4.3 累積平均分析

累計(jì)平均法是一種常用的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,該方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以減小隨機(jī)誤差的影響,提高數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性,其原理是將一組數(shù)據(jù)按照時(shí)間順序依次進(jìn)行累加,并計(jì)算每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的平均值。通過(guò)累積平均法,可以得到一組平均值序列,用來(lái)反映數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。

在水文計(jì)算中,年平均流量累積平均值的計(jì)算公式表示如下:

Xn= (Q1+Q2+Q3+…Qn)/n

(4)

式中:Xn為年平均流量累積平均值,m3/s;Q1、Q2、Q3,…,Qn為各年平均流量,m3/s;n為系列年數(shù)。

利用九條嶺水文站1972—2020年實(shí)測(cè)徑流資料,進(jìn)行年平均流量累積平均值計(jì)算,繪制年平均流量累積平均過(guò)程線如圖4所示。

圖4 九條嶺水文站徑流累積平均值曲線

由圖4可知,九條嶺水文站徑流系列長(zhǎng)度較長(zhǎng),隨著時(shí)間的增長(zhǎng),累積平均曲線變化程度越來(lái)越小,多年平均流量在2006年以后,即系列長(zhǎng)度達(dá)35 a時(shí),逐漸趨于穩(wěn)定,累積均值曲線已穩(wěn)定在9.7～10.1 m3/s,說(shuō)明九條嶺水文站1972—2020年徑流系列均值具有較好的收斂性,系列代表性較好。

5 設(shè)計(jì)年徑流及年內(nèi)分配

5.1 設(shè)計(jì)年徑流

根據(jù)九條嶺水文站1972—2020年逐月徑流系列,得到九條嶺水文站年徑流系列,用矩法初估參數(shù),P-Ⅲ型曲線適線確定統(tǒng)計(jì)參數(shù),推求得九條嶺水文站年徑流系列統(tǒng)計(jì)參數(shù),多年平均年徑流量為10.1 m3/s,Cv=0.18,Cs/Cv=2.00,設(shè)計(jì)年徑流成果見(jiàn)表3,頻率曲線見(jiàn)圖5。

圖5 九條嶺水文站年徑流頻率曲線

表3 九條嶺水文站設(shè)計(jì)年徑流成果表 單位:m3/s

5.2 設(shè)計(jì)年徑流年內(nèi)分配

根據(jù)九條嶺水文站1972—2020年年徑流資料系列,選取年平均流量較接近設(shè)計(jì)頻率值且對(duì)工程用水偏于不利的年份作為代表年。經(jīng)上述方法,選擇 1990年為保證率50%的代表年,1978年為保證率75%的代表年,1999年為保證率90%的代表年,1996年為保證率95%的代表年。

用設(shè)計(jì)年徑流量與代表年的年徑流量比值對(duì)整個(gè)代表年的月徑流過(guò)程進(jìn)行縮放,以縮放倍比乘以各自的代表年逐月徑流即得設(shè)計(jì)年內(nèi)分配,九條嶺水文站各設(shè)計(jì)代表年逐月徑流成果見(jiàn)表4。

表4 九條嶺水文站各設(shè)計(jì)代表年逐月徑流成果表 單位:m3/s

5.3 成果合理性分析

設(shè)計(jì)年徑流的成果分析主要對(duì)徑流系列均值、離勢(shì)系數(shù)及偏態(tài)系數(shù)進(jìn)行合理性審查。

(1)多年平均年徑流量的檢查。本次計(jì)算求得的九條嶺水文站多年平均年徑流量為10.1 m3/s,與本流域已建水電工程九條嶺水電站工程設(shè)計(jì)成果9.73 m3/s進(jìn)行對(duì)比分析,相差僅為3.66%,且本次計(jì)算采用的徑流資料系列(1972—2020年)較九條嶺水電站工程設(shè)計(jì)采用的系列長(zhǎng)度(1972—2006年)延長(zhǎng)了14 a,具有更好的代表性,更能反映西營(yíng)河流域的徑流特性。

(2)離勢(shì)系數(shù)及偏態(tài)系數(shù)的檢查。根據(jù)《甘肅省水文圖集》Cs/Cv值分區(qū)圖,九條嶺水文站所在區(qū)域位于Cs=2.0Cv分區(qū)內(nèi),故本次計(jì)算采用Cs/Cv=2.0是符合地區(qū)分布規(guī)律的。

綜上所述,本次計(jì)算的九條嶺水文站設(shè)計(jì)年徑流統(tǒng)計(jì)參數(shù)及成果符合流域特點(diǎn)及地區(qū)規(guī)律,成果合理。

6 結(jié) 論

本文根據(jù)九條嶺水文站1972—2020年共49 a的實(shí)測(cè)徑流資料,計(jì)算分析其徑流特性及變化趨勢(shì),通過(guò)長(zhǎng)短系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)對(duì)比、差積曲線、累積平均等分析方法評(píng)價(jià)徑流資料系列的代表性,并對(duì)九條嶺水文站設(shè)計(jì)年徑流及其年內(nèi)分配進(jìn)行了計(jì)算與分析。結(jié)果表明:

(1) 九條嶺水文站多年平均徑流量約為3.19億m3,徑流年內(nèi)分配不均,主要集中在5—9月,徑流量占到了全年徑流量的80.26%;最枯12月至翌年3月,河流結(jié)冰封凍,徑流主要靠地下水補(bǔ)給,徑流量?jī)H占年徑流量的6.11%。年徑流長(zhǎng)期變化趨勢(shì)以0.0082億m3/a的速率微弱增長(zhǎng),其原因分析為全球氣候變暖導(dǎo)致的融雪地區(qū)及高緯度地區(qū)的冬季或春季的融雪徑流不斷增加。

(2) 九條嶺水文站徑流資料長(zhǎng)、短系列的平均值和離勢(shì)系數(shù)Cv值相比,相差不大;九條嶺水文站長(zhǎng)系列徑流系列包含有多個(gè)完整的平水年、豐水年、枯水年周期,且豐、平、枯交替出現(xiàn);多年平均流量在2006年以后,即系列長(zhǎng)度達(dá)35 a時(shí),逐漸趨于穩(wěn)定,累積均值曲線穩(wěn)定在9.7～10.1 m3/s,徑流系列均值具有較好的收斂性。綜上所述,九條嶺水文站1972—2020年徑流系列具有較好的代表性。

(3) 九條嶺水文站多年平均年徑流量為10.1 m3/s,Cv=0.18,Cs/Cv=2.00,各頻率50%、75%、90%及95%對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)值分別為10.0 m3/s、8.84 m3/s、7.87 m3/s與7.32m3/s,經(jīng)成果合理性分析,本次求得的九條嶺水文站設(shè)計(jì)年徑流成果符合流域特點(diǎn)及地區(qū)規(guī)律,成果合理。