西北半干旱地區(qū)河流徑流量變化特征研究

李春玲,楊彩霞

(中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津 300222)

1 概 述

在我國(guó)西北半干旱地區(qū),生態(tài)環(huán)境較為脆弱,自然因素和人類活動(dòng)對(duì)河流徑流有著重要影響,河流徑流的變化會(huì)引起嚴(yán)重的生態(tài)安全問(wèn)題。當(dāng)河流徑流量變大時(shí),形成不同程度的洪澇災(zāi)害;當(dāng)河流徑流量變小時(shí),在高溫條件下會(huì)造成嚴(yán)重災(zāi)情,影響農(nóng)田灌溉。

為此,許多學(xué)者對(duì)河流徑流的特征進(jìn)行了多方面研究。劉柏君等[1]對(duì)干旱區(qū)河流徑流演變及成因進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,清水河徑流變化主要受流域氣候變化與水土保持治理的影響。倪明霞等[2]對(duì)氣候變化下南疆主要河流徑流變化及水資源風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,在降水極端少的干旱年份,冰川融水徑流量在總徑流量中的占比遠(yuǎn)高于流域平均水平。郭曉娜等[3]對(duì)山東省主要河流近60年徑流變化及其歸因進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,河流徑流變化受氣候變化和人類活動(dòng)的共同影響。王萬(wàn)禎[4]對(duì)石羊河流域主要河流徑流演變特征及趨勢(shì)進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,流域內(nèi)主要河流年徑流量變化受大氣降水與冰雪消融影響明顯。崔豪等[5]對(duì)氣候變化與人類活動(dòng)影響下大清河流域上游河流徑流響應(yīng)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,在河流徑流量的變化中,人類活動(dòng)為影響徑流的主導(dǎo)因子,氣候變化較人類活動(dòng)影響徑流稍小。徐俏等[6]研究了氣候因素對(duì)白洋淀上游主要河流徑流的影響,結(jié)果表明,氣溫變化影響徑流量的大小,而降雨周期變化對(duì)徑流周期影響更顯著。

以上文獻(xiàn)以多個(gè)水域?yàn)槔?對(duì)河流的徑流變化進(jìn)行了研究,對(duì)影響徑流的因素進(jìn)行了分析。本文參考上述文獻(xiàn),以神木市境內(nèi)烏蘭木倫河和牛河為例,對(duì)西北半干旱地區(qū)的河流徑流量變化特征進(jìn)行研究,研究成果可為水資源開發(fā)利用提供參考。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)為陜西北部的神木市,該市地處黃河中游,長(zhǎng)城沿線,為陜北黃土丘陵向沙漠的過(guò)渡地帶。地形西北高而東南低,最高點(diǎn)海拔為1 448.7m,最低點(diǎn)海拔738.7m;年平均降水量440.8mm,降水主要集中在7-9月份;年平均水面蒸發(fā)量1 336.6mm,為降水量的3倍。研究區(qū)地貌主要分為土石山區(qū)、丘陵溝壑區(qū)和沙漠草灘區(qū),區(qū)內(nèi)有大型煤礦13個(gè),小型煤礦100多個(gè);河流主要由黃河、窟野河、烏蘭木倫河和牛河以及部分支流組成內(nèi)陸水系。

本文選取烏蘭木倫河和牛河作為研究對(duì)象,采用神木氣象站和水文站1970-2022年逐月水文資料作為研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),根據(jù)對(duì)水文數(shù)據(jù)的分析,對(duì)烏蘭木倫河和牛河的徑流量變化特征進(jìn)行研究。

3 研究方法

河川徑流的形成、分布和變化,主要受氣候、地形和人類改造自然活動(dòng)的影響,影響徑流量的因素有河流補(bǔ)給、地形、流域面積及蒸發(fā)量等。本研究采用徑流量歷時(shí)曲線法、降雨歷時(shí)曲線法、累積曲線法等分析方法,對(duì)烏蘭木倫河和牛河的徑流量和降雨量變化趨勢(shì)進(jìn)行研究,并對(duì)徑流量的變化特征進(jìn)行分析。

4 研究結(jié)果與分析

4.1 河流徑流量年內(nèi)變化特征

根據(jù)神木氣象站和水文站1970-2022年逐月水文資料,烏蘭木倫河和牛河徑流量年內(nèi)逐月分布情況見圖1。

圖1 河流年內(nèi)徑流量分布圖

由圖1可知,河流的徑流量隨著月份的不同均呈上下波動(dòng)趨勢(shì),并且具有兩個(gè)波峰的特點(diǎn)。由圖1(a)可知,在1970-1989年時(shí),烏蘭木倫河在3、4月份的徑流量分別為14.64和10.74m3/s;在1990-2009年時(shí),河流3、4月份的徑流量分別為11.35和9.37m3/s;在2010-2022年時(shí),河流3、4月份的徑流量分別為7.35和5.89m3/s。由圖1(b)可知,在1970-1989年時(shí),牛河在3、4月份的徑流量分別為13.22和6.28m3/s;在1990-2009年時(shí),河流3、4月份的徑流量分別為9.95和4.32m3/s;在2010-2022年時(shí),河流3、4月份的徑流量分別為3.82和1.94m3/s。由于該時(shí)期雪水融化,雨量增多,河流處于豐水期,徑流量相較于1和2月份明顯增加。

在5、6月份時(shí),由于河流處于枯水期,在該時(shí)期降水量減少,河流補(bǔ)水量不足,且表面水份蒸發(fā)較大,河流徑流量減少。由圖1(a)可知,在1970-1989年時(shí),烏蘭木倫河7、8月份的徑流量分別為15.63和20.18m3/s;在1990-2009年時(shí),河流7、8月份的徑流量分別為10.25和11.53m3/s;在2010-2022年時(shí),河流7、8月份的徑流量分別為5.55和7.09m3/s。由圖1(b)可知,在1970-1989年時(shí),牛河在7、8月份的徑流量分別為11.71和23.4m3/s;在1990-2009年時(shí),河流7、8月份的徑流量分別為10.29和13.42m3/s;在2010-2022年時(shí),河流7、8月份的徑流量分別為2.61和3.39m3/s。由于該時(shí)期處于降雨季節(jié),降水較大,各支流匯入河流,在此階段河流徑流量最大。

烏蘭木倫河3、4月份的徑流量在1970-1989年占全年比例的17.3%;在1990-2009年占全年比例的18.5%;在2010-2022年占全年比例的17.6%,河流徑流量變化較小。烏蘭木倫河7、8月份的徑流量在1970-1989年占全年比例的24.4%;在1990-2009年占全年比例的20.5%;在2010-2022年占全年比例的16.8%。河流徑流量逐漸減小,減小速度有明顯變化。

牛河3、4月份的徑流量在1970-1989年占全年比例的21.9%;在1990-2009年占全年比例的24.7%;2010-2022年占全年比例的22.5%,河流徑流量變化較小。牛河7、8月份的徑流量在1970-1989年占全年比例的39.5%;在1990-2009年占全年比例的41%;在2010-2022年占全年比例的23.5%。河流徑流量在1970-2009年變化較小,在2009年后逐漸減小,減小幅度為17.5%,變化極為明顯。

4.2 河流徑流量年際變化特征

根據(jù)神木氣象站和水文站1970-2022年水文資料,烏蘭木倫河和牛河徑流量年際變化特征見圖2。

圖2 河流年際徑流量分布圖

由圖2可知,烏蘭木倫河和牛河的年徑流量曲線呈上下波動(dòng)趨勢(shì),根據(jù)其擬合曲線,河流的徑流量呈線性減小。由圖2(a)可知,烏蘭木倫河在1970-2020年的年平均徑流量為2.83×108m3,其中最大徑流量發(fā)生在1978年,為4.94×108m3。根據(jù)水文資料,在該時(shí)期烏蘭木倫河地區(qū)暴雨較多,降水匯集河流,引起河流徑流量快速增加。由圖2(b)可知,牛河在1970-2020年的年平均徑流量為1.48×108m3,其中在1978年河流徑流量快速增大。該時(shí)期徑流量最大為3.21×108m3,次年河流徑流量快速減小,1988年河流達(dá)到年際最大徑流量為3.64×108m3。根據(jù)烏蘭木倫河和牛河年徑流量擬合曲線,兩條河流的徑流量變化趨勢(shì)基本相似。

根據(jù)神木氣象站和水文站1970-2022年水文資料,烏蘭木倫河和牛河的年徑流量距平累積曲線見圖3。

圖3 年徑流量距平累積變化特征

由圖3可知,徑流量的特征為階段式變化。根據(jù)曲線的變化特征,烏蘭木倫河在1970-1988年,河流的年徑流量距平累積快速增大,變化趨勢(shì)極為明顯;1989-1995年,河流的年徑流量距平累積增加趨勢(shì)逐漸變緩,處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài);1996-2008年,河流的年徑流量距平累積處于緩慢下降趨勢(shì),曲線較緩;2009-2022年,河流的年徑流量距平累積快速下降,表示河流的徑流量在該階段急劇減小。

與烏蘭木倫河的年徑流量距平累積曲線相似,牛河在1970-1988年,河流的年徑流量距平累積快速增大;1989-1994年,河流的年徑流量距平累積處于相對(duì)平穩(wěn)狀況;但在1995年,河流的年徑流量距平累積快速增大,達(dá)到最大值16.01×108m3;1997年,開始小幅度下降,然后再上升;在1998-2007年,河流的年徑流量距平累積處于緩慢下降趨勢(shì),其中2007年時(shí)河流的年徑流量距平累積有小幅度上升;在2008年后極速下降,變化趨勢(shì)極為明顯,表明該時(shí)期河流的徑流量快速減小。

由此可知,兩條河流的年徑流量距平累積變化趨勢(shì)均先快速增大再逐漸趨于穩(wěn)定,隨著年份的增加,年徑流量距平累積再緩慢減小,最后快速減小。

4.3 降雨量變化特征

根據(jù)神木氣象站和水文站1970-2022年水文資料,神木市降雨量年際變化見圖4。

圖4 降雨量年際變化

由圖4可知,年際降雨量呈無(wú)規(guī)律上下波動(dòng)狀態(tài)。在1975年,年降雨量最小,最小值為138mm;在1976年,年降雨量最大,最大值為726mm。由降雨量的擬合曲線可知,年際降雨量呈緩慢減小趨勢(shì)。在1970年,年際平均降雨量最大,最大雨量為396.4mm;在2022年,年際平均降雨量最小,最小雨量為343.2mm。由此可知,隨著年份的增長(zhǎng),年際降雨量呈逐漸緩慢下降的趨勢(shì),且逐年的降雨量上下波動(dòng),無(wú)明顯規(guī)律。其中,1976年年降雨量最大;1975年年降雨量最小。

4.4 降雨和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響

累積降水量和累積徑流量的雙累積曲線變化特征,可以反映人類活動(dòng)對(duì)河流徑流量的影響。根據(jù)神木氣象站和水文站1970-2022年水文資料,神木市降雨量和徑流量雙累積曲線見圖5。

圖5 累積降水量和累積徑流量曲線

由圖5可知,在人類活動(dòng)較弱的條件下,降水量的大小對(duì)河流徑流量影響較大,雙累積曲線有小幅度波動(dòng)現(xiàn)象,其變化趨勢(shì)基本保持線性狀態(tài);隨著年份的增加,人類活動(dòng)增強(qiáng)且活動(dòng)范圍增大的情況下,雙累積曲線的增大趨勢(shì)逐漸下降,由于自然環(huán)境的改變,河流的徑流也逐漸改變。

烏蘭木倫河和牛河的雙累積曲線在前期階段均保持平穩(wěn)狀態(tài),隨著累積降水和累積徑流量的增加,曲線逐漸變化。根據(jù)水文資料,結(jié)合雙累積擬合曲線,烏蘭木倫河在1990年前、牛河在2000年前,影響河流徑流量的變化主要為自然降水,雨水充足時(shí),徑流量增大,遭遇干旱時(shí),徑流量減小。隨著年份的增加,人類對(duì)河流徑流量的影響逐漸增大,河流徑流量逐漸減小。

5 結(jié) 論

本文以烏蘭木倫河和牛河為例,對(duì)西北半干旱地區(qū)的河流徑流量變化特征進(jìn)行了研究。結(jié)論如下:

1)烏蘭木倫河和牛河的徑流量隨著月份的不同均呈上下波動(dòng)趨勢(shì)。在3、4月份時(shí),雪水融化,雨量增多,徑流量增大;在5、6月份時(shí),河流處于枯水期,河流補(bǔ)水量不足,河流徑流量減少;在7、8月份時(shí),該時(shí)期處于降雨季節(jié),降水較大,此階段河流徑流量最大。

2)隨著年份的增長(zhǎng),烏蘭木倫河和牛河的年際降雨量呈逐漸緩慢下降的趨勢(shì);烏蘭木倫河在1990年前、牛河在2000年前,影響河流的徑流量變化主要為自然降水,隨著人類對(duì)自然環(huán)境的改造,人類對(duì)河流徑流量的影響逐漸增大,河流徑流量逐漸減小。