祖厲河流域徑流變化規(guī)律研究

任 東

(甘肅省定西水文水資源勘測局 甘肅定西 743000)

確定河流徑流量的變化情況、趨勢及其原因是區(qū)域水資源評價、水資源演化趨勢預(yù)測的重要內(nèi)容,是區(qū)域水資源規(guī)劃研究的基礎(chǔ)性工作。近年來,黃河流域年徑流持續(xù)偏枯,水資源問題日益突出,氣候變化和人類活動對黃河流域區(qū)域水資源的影響因此受到廣泛關(guān)注。在此以祖厲河流域為研究對象,分析祖厲河流域徑流變化規(guī)律及其原因,定量評價自然因素 (主要是氣候變化)和人類活動對該區(qū)域水資源的影響程度。

祖厲河是黃河的一級支流,發(fā)源于甘肅省會寧縣南部的華家?guī)X北麓,干流長度220km,于甘肅省靖遠(yuǎn)縣境內(nèi)匯入黃河。流域?qū)匐]西黃土高原的一部分,面積為10647km2,屬我國水資源三級區(qū)。

1 資料系列的確定

1.1 徑流資料的選取及其代表性分析

采用靖遠(yuǎn)水文站1956～2005年時段內(nèi)的實測徑流量資料,作為祖厲河流域徑流資料進(jìn)行計算和分析。

靖遠(yuǎn)水文站是祖厲河的下游控制站,位于祖厲河流域的出口處 (河口地區(qū)),集水面積為10647km2。靖遠(yuǎn)水文站控制了祖厲河流域的全部來水量。

1.2 降水資料的選取及其代表性分析

選取祖厲河流域?qū)崪y資料系列較長的華家?guī)X、黨家峴、紅土等14個雨量站作為流域代表站,這些代表站分布于流域內(nèi)的不同高程、不同小流域內(nèi),具有較高的代表性。將這些代表站 1960～2005年間的降水量系列資料,用各站代表的子流域面積加權(quán)平均,獲得流域平均降水量 (面平均降水量)系列資料。

2 影響徑流變化的因素

河道內(nèi)實測徑流量是自然因素與人類活動雙重作用的結(jié)果。一般情況下,自然因素對徑流的影響,主要是指氣候因素對徑流的影響,其中降水是影響徑流的重要因素。人類活動對區(qū)域地表水資源量的影響主要表現(xiàn)在兩個方面:一是河道外引用水和向河道內(nèi)排水,使河道內(nèi)的徑流量減少或增加;二是改變了下墊面條件,使流域產(chǎn)匯流條件 (即水平衡要素)發(fā)生了變化,造成產(chǎn)流量的變化。

2.1 人類活動的影響

眾所周知,由于農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)和城鎮(zhèn)生活用水、鼠害、跨流域引水、河道分洪、水土保持等人類活動的影響,水文站歷年的實測徑流資料往往不能代表當(dāng)時的天然徑流量情況。在該流域內(nèi),影響徑流變化的人類活動主要有水庫工程、人工集雨、采礦、跨流域引水以及水土保持等。

2.1.1 水利工程對徑流的影響

該流域內(nèi)的主要水利工程是靖會引黃電力提灌工程,該工程于1973年建成通水,跨流域從黃河引水至祖厲河流域內(nèi),用于農(nóng)業(yè)灌溉和城鄉(xiāng)生活用水。由于有灌溉等回歸水的加入,可能使流域的實測徑流量有所增大。

點(diǎn)繪該流域1960～1972年、1973～2005年兩個系列的面平均降水量與實測徑流深的相關(guān)圖 (見圖1)。從圖1中可以看出,兩系列的點(diǎn)距沒有系統(tǒng)偏離現(xiàn)象,這說明跨流域引水對該流域徑流變化的影響不明顯。

圖1 祖厲河流域降水徑流關(guān)系圖

事實上,由于工程管理的不斷科學(xué)化,考慮到工程運(yùn)營的成本問題,灌溉回歸水 (灌溉尾水)量是十分有限的。灌溉水進(jìn)入土壤后轉(zhuǎn)化為土壤水分,土壤水分通過滲透、下滲和浸潤等向下運(yùn)動。在半干旱黃土丘陵溝壑區(qū),水循環(huán)的主要方式為土壤和大氣之間的循環(huán)過程。地下水基本上不參與水循環(huán)過程,土壤貯水量絕大部分消耗于蒸發(fā)過程。所以,灌溉水對地下水的補(bǔ)給也是有限的。

2.1.2 徑流系數(shù)的變化

計算該流域1960～2005年的徑流系數(shù),發(fā)現(xiàn)徑流系數(shù)總是在0.01～0.05的范圍內(nèi)變化,平均值為 0.03。除 1964和 1973年的徑流系數(shù)偏大(為0.05),1972、1974、1975和2001年的徑流系數(shù)偏小 (為0.01)外,其余40年的徑流系數(shù)都很穩(wěn)定地以0.01的變幅在0.03(均值)上下波動。

研究表明,1964和1973年的降水量年內(nèi)分配特別不均勻,降水主要集中在7月或8月,降雨強(qiáng)度大,超滲產(chǎn)流和蓄滿產(chǎn)流的現(xiàn)象都有發(fā)生的可能,結(jié)果導(dǎo)致在同樣的降水條件下徑流量的增大(徑流系數(shù)變大),1972、1974、1975和2001年的降水量年內(nèi)分配明顯地比其它年份均勻,降雨強(qiáng)度減小,出現(xiàn)超滲產(chǎn)流的機(jī)會較少,地表徑流多由蓄滿產(chǎn)流形成,下滲損耗量增加,結(jié)果導(dǎo)致在同樣的降水條件下徑流量的減小 (徑流系數(shù)變小)。另外,從徑流系數(shù)變化趨勢圖 (圖略)中可以看出,偏大或偏小的徑流系數(shù)點(diǎn)距沒有系統(tǒng)偏離或階段性偏離現(xiàn)象。因此,徑流系數(shù)偏大或偏小,主要是自然因素引起的。

用流域平均降水量和徑流深之差除以流域平均降水量,得水量耗損率。計算表明,祖厲河流域水量耗損率在95%～99%之間波動,均值為97%。水量耗損率的數(shù)值較穩(wěn)定,變化趨勢不明顯。這也表明人類活動對水量耗損的影響不明顯。

以上分析說明,人類活動對徑流變化的影響不明顯。

2.1.3 產(chǎn)流關(guān)系變化趨勢分析

人們普遍認(rèn)為,由于近年來人類活動的影響,引起了流域下墊面的變化,使天然產(chǎn)匯流關(guān)系發(fā)生了變化,導(dǎo)致在同樣降水狀況下產(chǎn)流減少。也就是說,如果在同一量級的降水條件下,徑流有明顯的系統(tǒng)性偏小,則說明徑流受人類活動影響較大,否則影響不大。

為了分析人類活動前后徑流是否有趨勢性變化,點(diǎn)繪面平均降水量與徑流深的相關(guān)圖 (圖略)。

從圖中可以看出,1986～2005年的點(diǎn)距與1960～1985年的點(diǎn)距沒有明顯的系統(tǒng)偏離現(xiàn)象,反映了近20年來產(chǎn)匯流形勢沒有發(fā)生比較明顯的變化;1996～2005年的點(diǎn)距與1960～1995年的點(diǎn)距也沒有明顯的偏離跡象,反映出近10年以來產(chǎn)匯流形勢也沒有發(fā)生比較明顯的變化。這再一次說明,人類活動的影響并沒有較大程度地改變該流域的產(chǎn)流規(guī)律。

2.1.4 累積降水量與累積徑流深相關(guān)分析

點(diǎn)繪該流域面平均降水量與徑流深的累積量相關(guān)圖,并添加線性趨勢線 (見圖2)。

圖2 祖厲河降水～徑流累積相關(guān)圖

圖2 中,降水量與徑流深的累積量相關(guān)關(guān)系非常好,相關(guān)系數(shù)的平方值達(dá)0.9973。這說明該流域的產(chǎn)匯流關(guān)系比較穩(wěn)定,也就是說,下墊面的變化﹙人類活動﹚對徑流的影響很小。

利用圖2建立祖厲河流域降水量與徑流深的計算模型:y=37.558x-509.75,式中y為年降水量累積值,x為年徑流累積值。

2.1.5 徑流變化規(guī)律

為了探討自然 (近似自然)條件下徑流的變化規(guī)律,必須排除人類活動的影響,對實測徑流資料進(jìn)行還原校正。在該研究區(qū),由于人類活動對徑流變化的影響不明顯,故靖遠(yuǎn)水文站的實測徑流資料基本上準(zhǔn)確地反映了當(dāng)時的天然徑流量情況。

圖3 祖厲河流域年徑流變化過程圖

圖3 為1956～2005年靖遠(yuǎn)站徑流量的變化過程。從圖中可以看出,徑流量的變化過程呈明顯的下降趨勢 (圖中虛線為趨勢線);再點(diǎn)繪徑流的10年滑動均值過程線 (圖略),在這個過程線上,也反映出年徑流總的變化趨勢呈下降態(tài)勢;經(jīng)過肯德爾 (Kendall)秩次相關(guān)檢驗分析,證明年徑流量下降趨勢顯著。

圖4為研究區(qū)不同年代年徑流均值圖,圖中表明,20世紀(jì)50、60、70、80年代,各年代流域年徑流均值持續(xù)遞減,90年代稍有增加,進(jìn)入新世紀(jì)后又大幅遞減。50～80年代,各年代流域年徑流均值的減少幅度分別為27.3%、15.4%、15.0%,90年代的增幅為5.8%,進(jìn)入新世紀(jì)后,減少幅度達(dá)35.7%。

圖4 祖厲河流域各年代年徑流均值圖

2.2 降水量的變化特征

降水是河川徑流的補(bǔ)給源,是影響徑流的主要因素。點(diǎn)繪該流域年平均降水量變化過程 (圖略)。從圖中可以看出,降水量的變化過程也呈明顯的下降趨勢;再點(diǎn)繪年平均降水量的10年滑動均值過程線,在這個過程線上,同樣反映出降水量總的變化趨勢呈下降態(tài)勢;經(jīng)過肯德爾 (Kendall)秩次相關(guān)檢驗分析,再次證明年降水量下降趨勢顯著。

繪制研究區(qū)不同年代年平均降水量均值圖,可以看出,20世紀(jì)60、70、80年代,流域年平均降水量均值持續(xù)遞減,90年代稍有增加,進(jìn)入新世紀(jì)后又有所遞減。60～80年代,各年代流域年平均降水量均值的減少幅度分別為5.1%、9.7%,90年代的增幅為3.0%,進(jìn)入新世紀(jì)后,減少幅度達(dá)7.9%。

3 徑流和降水的變化趨勢比較

把該流域年徑流變化過程圖 (圖3)和年平均降水量變化過程圖、年徑流10年滑動均值過程線圖和年平均降水量10年滑動均值過程線圖對比觀察,發(fā)現(xiàn)徑流和降水的變化趨勢很相似 (都呈持續(xù)減少趨勢),這一現(xiàn)象在該流域各年代年徑流均值圖 (圖4)和各年代年平均降水量均值圖中表現(xiàn)得更為明顯:20世紀(jì)60、70、80、90年代及新世紀(jì)初的前6年,各年代流域年平均降水量與年徑流均值的變化趨勢完全一致,而且徑流量的減少 (增加)幅度明顯比降水量的減少 (增加)幅度要大。這一方面反映了河流徑流量對氣候變化的反應(yīng)敏感,另一方面也說明了降水量的減少是徑流量減少的直接原因。

4 結(jié)論與討論

通過對祖厲河流域徑流變化過程的分析,得出以下結(jié)論:

(1)人類活動的影響并沒有較大程度地改變祖厲河流域的產(chǎn)流規(guī)律,徑流變化受人類活動的影響不明顯。可以這樣認(rèn)為:流域內(nèi)水土保持 (梯田、壩地的建設(shè))、農(nóng)村人畜飲水工程建設(shè) (如集雨節(jié)灌)、礦物開采等人類活動改變了流域下墊面條件,減小了當(dāng)?shù)氐膹搅飨禂?shù),可能對當(dāng)?shù)?(局部地區(qū))的影響是嚴(yán)重的,但對徑流總量的影響有限。

(2)從20世紀(jì)50年代 (有實測徑流資料時)開始,祖厲河徑流量的變化過程呈明顯的下降趨勢。

(3)祖厲河流域的徑流量變化對氣候 (主要是降水量)變化的反映特別敏感。降水量的持續(xù)減少是祖厲河徑流量減少的主要原因。

(4)祖厲河流域的徑流變化趨勢,同近幾十年來黃河流域的徑流變化趨勢相一致。

1 張文勝,蔣蓉.馬頰河上游南樂站徑流變化分析[J].水文,2004,24(5):37-39.