甘肅省嘉陵江干流談家莊水文站以上流域徑流變化特征分析

董成海,李浩哲

(1.甘肅省隴南水文站,甘肅 成縣 742500;2.甘肅省慶陽水文站,甘肅 西峰 745000)

目前,對甘肅省內(nèi)嘉陵江干流談家莊水文站以上流域的徑流變化規(guī)律研究較少。但該區(qū)域一方面暴雨頻發(fā),由暴雨引發(fā)的山洪、山坡泥石流災(zāi)害嚴(yán)重,1981年8月21日發(fā)生的嘉陵江干流特大洪水沖毀了舊的寶成鐵路。2020年8月16日的大洪水又造成了多處公路被淹。另一方面,流域內(nèi)徽縣縣城及部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)可用水資源緊張,不能保證正常的生產(chǎn)生活用水。本文利用茨壩、談家莊、永寧鎮(zhèn)、徽縣水文站的監(jiān)測資料,分析甘肅省嘉陵江干流及支流永寧河、羅家河的徑流年內(nèi)分配特征及年際變化趨勢,對該區(qū)域及下游防汛抗旱、水資源開發(fā)利用、水生態(tài)保護(hù)、“四預(yù)”措施的制定提供技術(shù)支撐。

1 流域概況及監(jiān)測站點(diǎn)布設(shè)情況

嘉陵江是長江重要的一級支流,發(fā)源于陜西秦嶺,由陜西省鳳縣流入甘肅省兩當(dāng)縣,流經(jīng)楊店、西坡、站兒巷、嘉陵等地在徽縣虞關(guān)鄉(xiāng)流入陜西省略陽縣,在甘肅省內(nèi)全長86.2 km,流域面積6 925 km2[2]。

如圖1所示,嘉陵江干流茨壩水文站位于甘肅省兩當(dāng)縣西坡鄉(xiāng),坐標(biāo)為東經(jīng)106°25′16″,北緯33°50′45″,集水面積2 752 km2,測驗(yàn)斷面為嘉陵江干流流入甘肅省省界控制斷面。嘉陵江干流談家莊水文站位于甘肅省徽縣嘉陵鎮(zhèn),東經(jīng)106°11′47″,北緯33°42′11″,集水面積6 694 km2,測驗(yàn)斷面為嘉陵江流出甘肅省省界控制斷面。支流永寧河永寧鎮(zhèn)水文站位于甘肅省徽縣永寧鎮(zhèn),坐標(biāo)東經(jīng)106°11′23＂,北緯33°49′51＂,集水面積2 071 km2。羅家河徽縣水文站甘肅省徽縣城關(guān)鎮(zhèn)樊塄村,地理位置:東經(jīng)106°04′16″,北緯33°46′43″,集水面積108 km2。

圖1 嘉陵江談家莊以上水系圖

2 資料使用情況

所用資料均采用水文機(jī)構(gòu)整編刊印成果,資料可靠性高。干流茨壩水文站的前身為東坡水文站,始建于1959年,斷面以上流域面積為2 722 km2,與茨壩水文站現(xiàn)斷面以上流域面積相比變化僅差1.1%,區(qū)間無較大支流匯入,故兩站監(jiān)測資料可以合并延續(xù)使用。其余3站測驗(yàn)斷面均未發(fā)生較大變動,資料一致性好。最終采用監(jiān)測資料情況為茨壩、永寧鎮(zhèn)站資料1959-2021年共63 a,談家莊站資料采用1975-2021年共47 a,徽縣水文站資料采用1985-2021年共36 a。所用資料年限均超過30 a,且包括豐、平、枯水年組,具有良好的代表性。

3 徑流年內(nèi)變化

3.1 各月占年徑流百分比

對嘉陵江茨壩、談家莊2個(gè)控制站和支流永寧鎮(zhèn)站、徽縣站實(shí)測月年徑流進(jìn)行統(tǒng)計(jì),其結(jié)果見表1。從各站每月平均流量占年徑流的百分比來看,流域內(nèi)4站都是9月多年平均流量占比最大,干流略大于支流。從干流茨壩站到支流徽縣站分別為19.5%、19.8%、19.0%、18.9%。流域內(nèi)4站主汛期7、8、9月多年平均流量占全年徑流量的比例高達(dá)一半左右,分別為48.0%、53.4%、50.4%、50.1%,非汛期11月-次年3月共5個(gè)月多年平均流量占全年徑流量比例分別為16.3%、15.2%、17.6%、24.3%(圖2)。

表1 各站各月多年平均流量統(tǒng)計(jì)表

圖2 代表站多年平均流量年內(nèi)分配柱狀圖

3.2 不同年代集中期和集中度變化

集中期D代表最大月徑流量出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn),集中度Cn表示集中期徑流量占全年徑流量的比例[1]。Cn值越大表明徑流年內(nèi)分配越是集中,反之則表明徑流年內(nèi)分配越為分散。取1月對應(yīng)方位角為0°,2月方位角為30°,3月方位角為60°,以此類推,取12月對應(yīng)方位角為330°。把多年月平均流量分解為x和y分向量并累加,則結(jié)果為:

集中期D與集中度Cn計(jì)算公式為:

(1)

(2)

為對茨壩、談家莊、永寧鎮(zhèn)、徽縣4個(gè)水文站分1956-1980年、1981-1990年、1991-2000年、2001-2010年、2011-2021年共5個(gè)時(shí)段計(jì)算集中期D、合成向量方向、集中度Cn,其成果見表2。

表2 流域內(nèi)各站徑流年內(nèi)分配集中期與集中度

由表2可以看出,流域內(nèi)4站集中期D隨時(shí)間變化呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢,且主要集中在7月下旬-8月中旬,這一結(jié)果和臨近白龍江上游集中期變化趨勢相似。干流下游站比上游站集中期有所推遲,支流永寧鎮(zhèn)站集中期介于茨壩站和談家莊站之間,徽縣站集中期明顯比其他站大?；湛h站集中期較大,可能一方面是由于徽縣站集水面積過小,另一方面和斷面以上流域內(nèi)坡面比降、土壤墊層、局部氣候影響有關(guān)。4站集中期在2001年后有較大幅度推遲,可能和21世紀(jì)以來氣候發(fā)生變化,氣溫升高導(dǎo)致區(qū)域降水分配有所不同,大到暴雨多集中在8月、連續(xù)淫雨多發(fā)生在9月,從而導(dǎo)致徑流年內(nèi)分配發(fā)生突變,集中期明顯向后推遲[1]。

茨壩、談家莊、永寧鎮(zhèn)站徑流年內(nèi)分配集中度Cn隨著時(shí)間的推移,呈現(xiàn)出減小-增大-減小的趨勢,徽縣站由于建站晚呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。各站隨著時(shí)間變化的趨勢基本相同,2001-2010年徑流年內(nèi)分配最為集中。流域內(nèi)集中度茨壩<永寧鎮(zhèn)<談家莊<徽縣,其中徽縣站集水面積過小且受到氣候和人類活動影響,河流時(shí)有斷流情況發(fā)生,導(dǎo)致其Cn值變大。總體而言,流域內(nèi)自上而下集中度呈現(xiàn)增大趨勢,Cn值主要集中在0.35～0.50之間。

4 徑流年際變化

4.1 5a滑動平均

對4站年徑流采用5 a平均滑動并繪制曲線圖,見圖3。據(jù)圖可以看出流域內(nèi)各站年徑流整體呈現(xiàn)出震蕩鋸齒形減小趨勢,即區(qū)間有增大趨勢但幅度較小,整體減少趨勢比較顯著。談家莊站減小幅度>茨壩站減小幅度>永寧鎮(zhèn)站減小幅度>徽縣站減小幅度。

圖3 5a滑動平均曲線圖

4.2 Spearman斯波曼法

設(shè)置置信水平α設(shè)為為0.05,應(yīng)用Spearman法分析變化顯著程度,當(dāng)∣T∣大于t(0.02/2)=1.64時(shí),認(rèn)為變化趨勢顯著,反之認(rèn)為變化趨勢不顯著,計(jì)算結(jié)果見表3。通過表中的數(shù)據(jù)可以看茨壩、談家莊、永寧鎮(zhèn)站年徑流呈顯著減少趨勢,徽縣站年徑流呈不顯著減小趨勢。綜合來看,流域內(nèi)嘉陵江干流及支流永寧河年徑流變化呈現(xiàn)整體減小趨勢,且整體減少趨勢顯著,羅家河年徑流減小趨勢不顯著。

表3 流域內(nèi)各站徑流年內(nèi)分配集中期與集中度

5 突變分析

利用有序聚類法、滑動T檢驗(yàn)法分析4站年徑流突變情況,設(shè)置置信水平α為0.05,分別繪制有序聚類檢驗(yàn)曲線圖,見圖4與圖5。綜合兩種檢驗(yàn)方法可以得出茨壩站在1968、1993年左右發(fā)生顯著突變,談家莊站在1993年左右發(fā)生顯著突變,永寧鎮(zhèn)站在1968、1993年左右發(fā)生顯著突變,徽縣站在1993年左右發(fā)生顯著突變。

圖4 有序聚類檢驗(yàn)曲線

圖5 滑動T檢驗(yàn)曲線

6 結(jié)語

(1)甘肅省境內(nèi)嘉陵江干流及支流永寧河、羅家河年內(nèi)分配不均勻,主汛期7、8、9月徑流量可占全年徑流的一半左右。因此各水文站必須加強(qiáng)主汛期預(yù)警預(yù)報(bào)、超標(biāo)洪水監(jiān)測演練、值班值守,增加監(jiān)測頻次,充分發(fā)揮防汛調(diào)度決策中的“耳目”作用。

(2)4站集中期主要集中在7月下旬-8月中旬,2001年后發(fā)生較大幅度推遲,可能與全球氣候變暖、局部氣候發(fā)生改變有關(guān)。4站集中度多在0.35～0.50之間,滿足上游小于下游的規(guī)律,干流及永寧河集中度隨時(shí)間變化呈現(xiàn)出減小-增大-減小的趨勢。羅家河徽縣站集中期和集中度過大,變化規(guī)律與其它站不完全一致,可能是由于徽縣站控制面積過小、人類活動、氣象變化、土壤墊層等因素有關(guān)。

(3)通過滑動平均法和斯波曼法分析,4站年徑流呈現(xiàn)出減小趨勢,干流和永寧河變化趨勢顯著,羅家河變化趨勢不顯著。干流下游減少幅度大于上游減少幅度,大于支流減少幅度。

(4)通過有序聚類法、滑動T檢驗(yàn)法分析,流域內(nèi)河流年徑流量在1968年和1993年發(fā)生了顯著突變。