汾河下游河川徑流變化特性分析

邵鵬飛

（山西省數(shù)字水利中心 山西太原 030002）

河川徑流在年際之間的變化和年內(nèi)分配規(guī)律，統(tǒng)稱為徑流情勢[1]。查明徑流情勢，預(yù)估河川徑流未來的變化情勢是水文工作中一項(xiàng)必不可少的任務(wù)。對河川徑流變化規(guī)律的研究，目前已從單一指標(biāo)轉(zhuǎn)向多指標(biāo)，即向量的研究[2]。但是，大多數(shù)情況下，對徑流年內(nèi)分配和年際變化規(guī)律的研究是分開的，尤其是方法不統(tǒng)一，所得的結(jié)論差別很大。本文以汾河下游河川徑流為研究對象，重點(diǎn)著眼于研究徑流在時間上變化的周期性和變化幅度。從分析河川徑流年內(nèi)變化規(guī)律出發(fā)，進(jìn)一步研究年際變化特征，從本質(zhì)上認(rèn)識河川徑流變化規(guī)律。

山西省位于海河流域上游和黃河流域中游，根據(jù)《山西省水資源評價》，1956-2000年全省水資源總量年均值為123.8億m3，其中地表水資源量為86.77億m3，人均占有資源量381m3，僅為全國人均值的17%，屬于水資源極為短缺的地區(qū)，而僅有的水資源大部分卻流出境，使得全省用水矛盾日益加劇。汾河作為黃河流域內(nèi)僅次于渭河的第二大支流，是山西省境內(nèi)流域面積最大、流程最長的第一大河。汾河從源頭到入黃口，主干流自北向南，縱貫大半個省域，被譽(yù)為山西的“母親河”，流域內(nèi)耕地面積占全省耕地面積的30%，水澆地占全省水澆地的40%，2009年，流域內(nèi)國民生產(chǎn)總值占全省國民生產(chǎn)總值的44.4%，流域內(nèi)工業(yè)總產(chǎn)值占全省工業(yè)總產(chǎn)值的51.5%，可見汾河流域在全省經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有舉足輕重的地位[3]。因此，研究汾河下游徑流變化特性，對于提高全省地表水資源利用量、調(diào)整流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、保護(hù)下游區(qū)生態(tài)環(huán)境至關(guān)重要，同時它對于水利工程建設(shè)以及工、農(nóng)業(yè)用水都具有重要的意義。

1 資料選取

本次研究的汾河下游區(qū)位于山西省臨汾市和運(yùn)城市，臨汾市又分為石灘至柴莊、柴莊以下兩段，運(yùn)城市主要為河津站，本文選取石灘至柴莊、柴莊以下和汾河下游河津站1956—2000年實(shí)測年徑流資料及同期該地區(qū)的降雨資料分析。

2 汾河下游段河川徑流變化特性分析

2.1 河川徑流年內(nèi)分配規(guī)律

天然河流的徑流量在一年之內(nèi)的變化，一方面呈現(xiàn)出明顯的洪、枯水季節(jié)交替的規(guī)律；另一方面，這種交替對于不同的河流或同一河流不同年份都不一致，即各時段的流量以及洪、枯水季節(jié)的起止時間由于受各種自然因素綜合影響，而帶有一定的偶然性。因此，在不同區(qū)域上或不同流域上，即使年徑流量相差不大，但若年內(nèi)分配形式不同，對水資源開發(fā)工程規(guī)模的選定、工農(nóng)業(yè)及城市生活用水等也會帶來很大的影響。而且，掌握河川徑流年內(nèi)變化規(guī)律也是確定灌溉制度、農(nóng)業(yè)合理布局和保證工業(yè)用水的必要前提之一。

從汾河下游柴莊站和河津站流量年內(nèi)變化曲線（圖1）可以看出，在多年平均情況下，10月到次年5月汾河下游流量小，變化平緩，一年中的最小值出現(xiàn)在2月至3月份，自6月份以后流量迅速增加，7月至8月間達(dá)到年最大值，從8月份徑流量開始逐漸減小?？傮w來看，徑流量主要集中在汛期（6月至9月），且河津站與柴莊站相比，無論汛期還是枯水期，其都有一定的滯后，這與兩測站的相對位置有關(guān)。

圖1 汾河下游段流量年內(nèi)變化曲線

2.2 河川徑流年際變化規(guī)律

研究河川徑流多年變化規(guī)律，一般包括兩方面的內(nèi)容[4]：一個是徑流年際間變化的幅度，通常用徑流變差系數(shù)（Cν值）或用實(shí)測最大年徑流量與最小年徑流量的比值來表示；另一個是徑流多年變化過程，包括徑流豐、平、枯水特征以及豐、枯交替變化情況。河川徑流多年變化規(guī)律的研究，不僅是水資源評價、水文、水利計(jì)算的基礎(chǔ)，而且也是決定工程規(guī)模和經(jīng)濟(jì)效益的重要依據(jù)。

經(jīng)計(jì)算得出，1956-2000年汾河下游年徑流變差系數(shù)Cν值石灘至柴莊、柴莊以下及汾河下游河津站分別為0.27、0.43和0.63，年均徑流量分別為 4.86 億 m3、1.04 億 m3、0.83 億 m3。

汾河下游段年徑流除年際間的正常波動外，還呈現(xiàn)出逐年減少趨勢（圖2），通過對汾河下游石灘至柴莊、柴莊以下及河津站1956-2000年徑流回歸分析得出，石灘至柴莊徑流回歸方程及相關(guān)系數(shù)為：y=-0.7395x+1547.8、R2=0.1529；柴莊以下徑流回歸方程及相關(guān)系數(shù)為：y=-0.577x+1178、R2=0.1924；河津站徑流回歸方程及相關(guān)系數(shù)為：y=-0.6013x+1217、R2=0.2045。式中：x為年份；y為年徑流深，mm；R為相關(guān)系數(shù)。由回歸方程可得，汾河下游河川徑流減少速率石灘至柴莊為-7.4 mm/10a、柴莊以下-5.8 mm/10a、河津站為-6.0 mm/10a。究其減少的原因，一方面是降水量的減少導(dǎo)致了河川徑流量的減少；另一方面由于汾河干流沿線人類活動的影響，特別是地下水開采甚至超采，使得地下水襲奪地表水，致使河川徑流量減少。此外，汾河干流天然滲漏河段急劇增加及煤礦采空區(qū)的增加等都是導(dǎo)致河川徑流大幅減少的原因。

圖2 汾河下游段年徑流深變化曲線

為更明顯地顯現(xiàn)或分辨徑流年際變化的階段性，本文采用距平累積法，即先計(jì)算每年的年徑流距平，然后按年序累加，得到距平累積序列[5]，即：

式中：LPi為第年的距平累積值為徑流量序列的多年平均值；Ri第i年的徑流量。

根據(jù)距平有正有負(fù)的特點(diǎn)，當(dāng)距平累積持續(xù)增大時，表明該時段內(nèi)年徑流距平持續(xù)為正；當(dāng)距平累積持續(xù)不變時，表明該時段年徑流距平持續(xù)為零即保持平均；當(dāng)距平累積持續(xù)減小時，表明該時段年徑流距平持續(xù)為負(fù)。由此可見，這種方法較其它方法更準(zhǔn)確直觀地反映河川徑流年際變化的階段性特征。經(jīng)分析計(jì)算，其結(jié)果見圖3。

圖3 汾河下游年徑流距平累積變化過程

由圖3可以看出，汾河下游1956—2000年45年實(shí)測徑流序列可分為如下幾個時段：兩個顯著的枯水期為：1958—1961年和1986—2000年；一個顯著的平水期為：1965—1976年；兩個顯著的豐水期為：1961—1965年、1981—1985年。從圖3還可以看出，汾河下游河川徑流年際之間持續(xù)枯水時段較持續(xù)豐水時段的時間長。

2.3 降水量對河川徑流的影響

通過分析汾河下游1956—2000年45年降水資料，發(fā)現(xiàn)汾河下游年降水量也呈現(xiàn)出逐年減少的趨勢，從標(biāo)準(zhǔn)化處理后的汾河下游年徑流量和年降水量的變化規(guī)律得出，年徑流量與年降水量的年際變化的一致性較好，降水量與河川徑流量兩者的相關(guān)系數(shù)石灘至柴莊、柴莊以下及河津站分別為0.71、0.56和0.35。相關(guān)分析表明，降水量與徑流量兩者相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.001、0.001和0.05信度的顯著性水平，說明降水量對徑流量的影響非常顯著。

3 結(jié)論

對汾河下游段1956—2000年徑流量及降水量分析結(jié)果表明：

（1）由于河川徑流主要靠降水補(bǔ)給，且降水對河川徑流有顯著的影響，因此降水年內(nèi)變化幅度大直接導(dǎo)致了河川徑流年內(nèi)分配的不均。

（2）徑流量年際間變化呈現(xiàn)出豐、平、枯交替現(xiàn)象，無論豐水期、平水期或枯水期，持續(xù)時間都在4年以上，且徑流量年際之間持續(xù)枯水時段較持續(xù)豐水時段的時間長。

（3）汾河下游河川徑流量在1990年以后都處于枯水期，且有逐年減少的趨勢。這種趨勢如何發(fā)展，關(guān)鍵要看今后一段時間的水量變化狀況。若今后10年左右屬于豐水期，增加這一時段的豐水期后，可望使年徑流變化趨勢趨于平穩(wěn)。如果繼續(xù)保持減少的趨勢，則需從氣候、環(huán)境等多方面分析原因。

［1］南京大學(xué)地理系，中山大學(xué)地理系.普通水文學(xué)［M］.北京：人民教育出版社，1978，153-154.

［2］湯奇成，李秀云.徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)的計(jì)算和討論［J］.自然資源，1982（3）：59-65.

［3］山西省水利廳.汾河志［M］.太原：山西人民出版社，2006.

［4］王玉枝，趙楚年.華北地區(qū)河川徑流年內(nèi)變化［A］.北京:科學(xué)出版社，1986，3.

［5］穆興民，李靖，王飛，等.黃河天然徑流量年際變化過程［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2003（3）：1-5.