錦江水庫對下游徑流年內(nèi)分配影響分析

陳偉東

(河海大學 水文水資源學院， 南京　210098)

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錦江水庫對下游徑流年內(nèi)分配影響分析

陳偉東

(河海大學 水文水資源學院， 南京210098)

摘要：基于錦江流域仁化、長壩兩個研究站點及參照站點犁市1958～2009年的日徑流資料，采用集中度、集中期、不均勻系數(shù)與極值比4項指標定量研究了各站點徑流年內(nèi)分配的規(guī)律，并著重比較分析了仁化、長壩兩站在錦江水庫建庫前后的徑流年內(nèi)分配情況．結(jié)果表明：控制時段取5 d時，犁市站徑流集中度與集中期、不均勻系數(shù)和極值比均呈上升趨勢，年內(nèi)徑流分配趨于不均勻；而仁化站與長壩站徑流集中度和不均勻系數(shù)都呈下降趨勢，年內(nèi)徑流分配趨于均勻．控制時段取一個月時，犁市站徑流極值比有微弱下降趨勢，而仁化站徑流極值比上升趨勢明顯．總體而言，錦江水庫運行后使得下游徑流年內(nèi)分配趨于均勻化，但錦江下游徑流的變化幅度增大．

關(guān)鍵詞：錦江水庫；徑流年內(nèi)分配；集中度；集中期；不均勻系數(shù)；極值比

河川徑流的年內(nèi)分配是不均勻的，不同的河流及同一河流的不同年份，徑流年內(nèi)分配的不均勻程度不同[1]．隨著氣候變化和人類活動的影響，河川徑流年內(nèi)分配的不均性可能會進一步加劇[2-3]．常采用各月(季)平均徑流量占全年徑流總量的百分數(shù)或者季節(jié)以及洪、枯水期的相對數(shù)來定量描述徑流年內(nèi)分配不均勻性[4]．馮國章等[5]提出以年內(nèi)各時段平均流量的均方差與年平均流量的比值作為徑流年內(nèi)分配的不均勻系數(shù)用以定量描述年內(nèi)分配的不均勻性；鄭紅星等[6]采用不均勻系數(shù)、集中度和集中期、變化幅度等指標分析了黃河源區(qū)徑流年內(nèi)分配變化規(guī)律．本文研究對象為廣東韶關(guān)的錦江流域，陳偉東等[7]已分析了錦江水庫對下游徑流年際變化的影響，為使得分析的全面性，本文將采用集中程度、不均勻系數(shù)及變化幅度等方法研究分析錦江水庫對下游徑流年內(nèi)分配的影響，為流域水資源更好地開發(fā)利用提供科學依據(jù)．

1研究區(qū)域概況及分析方法

1.1研究流域概況

錦江流域降水年際變化較大，屬亞熱帶、中亞熱帶季風氣候區(qū)，夏季盛吹西南風和東南風，多年平均年降水量1 670 mm．錦江屬珠江流域北江水系，是北江上游主源湞江的一級支流，發(fā)源于江西省崇義縣竹洞，流經(jīng)廣東省仁化縣的長江、仁化縣城、丹霞山、夏富等地區(qū)后匯入湞江[8]．錦江水庫建于錦江中游段，壩址位于仁化縣境內(nèi)，1990年6月1日開始施工，于1993年8月一號機組并網(wǎng)發(fā)電．水庫總庫容為1.89億m3，調(diào)洪庫容0.45億m3，為季調(diào)節(jié)型水庫[9]．仁化站徑流情況可直接反應(yīng)出錦江水庫對下游徑流年內(nèi)分配的影響．犁市站點所處武江與錦江流域同屬北江水系，流域氣候條件與研究區(qū)域相似，而仁化站周邊僅有此水文站不受錦江水庫影響，故此將其視為參照站點．錦江水庫是長壩水文站控制流域內(nèi)的關(guān)鍵庫區(qū)，而其他中小水庫由于庫容以及距離等因素，默認其對長壩水文站影響較小，只分析來自錦江水庫的影響．

圖1　錦江流域水系及站網(wǎng)分布

1.2徑流年內(nèi)量化方法介紹

1.2.1集中度和集中期

徑流集中度是指一定時段內(nèi)徑流量按此時段序列以向量方式累加后各分量之和的合成量占年徑流量的百分數(shù)，用以反映徑流量在年內(nèi)的集中程度．徑流集中期是指徑流向量合成后的方位，反映全年徑流量集中的重心所出現(xiàn)的時間[10]．對于徑流序列{Q(t，λ)，t=1，2，…，n；λ=1，2，…，m}，t為年，n為年數(shù)，λ為年內(nèi)某一時段，m為時段數(shù)，其集中度和集中期的計算公式如下[11]：

(1)

(2)

其中：

(3)

式中，Cn(t)為第t年的集中度；Cp(t)為第t年的集中期；Q(t，λ)為第t年第λ時段的平均流量(m3/s)；Qx(t)、Qy(t)分別為Q(t，λ)分解在x和y兩個方向上的和矢量(m3/s)；θ(t)=2πλ/m為第λ時段的矢量角度．

1.2.2不均勻系數(shù)

不均勻系數(shù)是指年內(nèi)各時段平均流量的均方差與年平均流量的比值，與水文學中常用的變差系數(shù)的意義一致，計算公式如下[12]：

(4)

式中，Ct(t)為第t年的徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)；σ(t)為第t年的年內(nèi)時段平均流量的均方差；Q(t)為第t年的平均流量(m3/s)；其他變量同1.2.1．控制時段λ相同時，Ct(t)越大，表示徑流年內(nèi)分配越不均勻．

1.2.3變化幅度

一般采用極值比來反映徑流年內(nèi)分配的相對變化幅度，計算公式如下[13]：

(5)

式中，Cm(t，λ)為第t年內(nèi)控制時段為λ的極值比；maxQ(t，λ)為第t年內(nèi)控制時段為λ的最大流量；minQ(t，λ)為第t年內(nèi)控制時段為λ的最小流量．變化幅度越大表明水資源的開發(fā)利用難度相應(yīng)增加，過于平穩(wěn)或者過于激烈的變化均為不利的水生生物生境，威脅河流生態(tài)安全．

2結(jié)果與分析

2.1單站分析

采用集中度與集中期、不均勻系數(shù)、極值比計算犁市站、仁化站與長壩站1958～2009年的流量，結(jié)果分別繪制在圖2、圖3與圖4中，并將特征時段取值下的各站點徑流年內(nèi)分配特征指標統(tǒng)計在表1．

圖2　犁市站徑流年內(nèi)分配分析圖

圖3　仁化站徑流年內(nèi)分配分析圖

圖4　長壩站徑流年內(nèi)分配分析圖

站名時段長集中度平均值 最大值 最小值集中期平均值 最大值 最小值不均勻系數(shù)平均值 最大值 最小值極值比平均值 最大值 最小值參照站:犁市站日(1d)0.4370.6460.213149217961.3082.2590.957111.599553.52132.345候(5d)0.4370.6450.212151218981.1131.9390.82147.479172.20915.724旬(10d)0.4340.6430.2081562241010.9761.5240.69931.79982.01113.068月0.4350.6460.2411652341110.7931.1860.51116.11540.8154.939錦江水庫下游第一站:仁化站日(1d)0.3630.6010.1621642331120.9081.4910.511候(5d)0.3630.6000.1621662351140.8521.4480.517旬(10d)0.3620.5990.1581712391180.7581.3540.474月0.3590.5910.1791802491270.6351.0400.309錦江水庫下游第二站:長壩站日(1d)0.4080.6150.1641542391031.2062.0360.83070.049193.33329.372候(5d)0.4080.6140.1641562411041.0211.7020.71632.25988.90415.236旬(10d)0.4050.6120.1601602461080.9001.5220.64121.26477.7118.722月0.4040.6070.1681692551170.7421.3320.44611.47529.5513.803

圖2(a)與表1表明犁市站徑流集中度受時段長取值變化的影響非常小，基于日(1 d)、候(5 d)、旬(10 d)和月取值下集中度的年際變化特征值指標值基本一致，介于0.208～0.646之間，多年平均值為0.436．候集中度趨勢分析表明集中度在1958～2009年期間有微弱上升趨勢．圖2(b)顯示了集中期隨控制時段長的增大而略微增大．由表1可知基于日時段的犁市站徑流集中期在96～214度之間(對應(yīng)年內(nèi)時間為4月上旬至8月上旬)，均值為149度(5月下旬)；基于月的犁市站徑流集中期在111～234度之間(4月中下旬至8月下旬)，均值為165度(6月中旬)．圖2(c)和圖2( d)表明不均勻系數(shù)和極值比隨控制時段長的增大而減?。缡姓竞虿痪鶆蛳禂?shù)趨勢分析表明在研究年份內(nèi)不均勻系數(shù)呈緩慢上升態(tài)勢．犁市站候極值比趨勢分析表明變化幅度在1958年～2009年呈上升趨勢；控制時段為月時，變化幅度呈下降趨勢．作為參照站，犁市站反映了自然條件下(不受錦江水庫調(diào)蓄影響)流域年內(nèi)徑流分配情況，集中度、集中期、不均勻系數(shù)以及候變化幅度趨勢均呈上升態(tài)勢，此種現(xiàn)象可能與氣候變化與極端天氣增多有關(guān)．

由表1，仁化站集中度在0.158～0.601之間，均值為0.36．候集中度趨勢分析表明在研究年份內(nèi)下降趨勢顯著．基于日時段的仁化站徑流集中期在112～233度之間(4月中下旬至8月下旬)，均值為164度(6月中旬)；基于月的仁化站徑流集中期在127～249度之間(5月中上旬至9月上旬)，均值為180度(6月末、7月初)．候集中期趨勢分析顯示徑流集中期在1958～2009年期間呈上升態(tài)勢，尤其是1994年之后．基于日時段的仁化站不均系數(shù)介于0.511～1.491之間，均值為0.908；基于月的不均勻系數(shù)介于0.309～1.040之間，均值為0.635．候不均勻系數(shù)趨勢分析表明在研究年份內(nèi)仁化站徑流不均勻系數(shù)呈下降態(tài)勢．錦江水庫建成后，仁化站斷流天數(shù)增多，無法較好地量化變化幅度．圖3(d)是仁化站徑流量基于月的變化幅度，其中1999年徑流的極小值為0，此處將極值比人為設(shè)成25，以便作圖．圖3(d)表明錦江水庫建成后，下游徑流年內(nèi)分配的變化幅度增大．

由表1，長壩站集中度在0.16～0.61之間，均值為0.41．候集中度趨勢分析表明在研究年份內(nèi)集中度下降趨勢明顯．候集中期趨勢分析表明徑流集中期在1958～2009年期間呈緩慢上升態(tài)勢．基于日時段的長壩站不均系數(shù)介于0.830～2.036之間，均值為1.206；基于月的不均勻系數(shù)介于0.446～1.332之間，均值為0.742．候不均勻系數(shù)趨勢分析表明在研究年份內(nèi)不均勻系數(shù)呈下降趨勢．長壩站徑流基于月的極值比介于3.803～29.551之間，均值為11.475，其趨勢分析表明變化幅度在1958年～2009年呈下降趨勢．

2.2分時段多站綜合對比分析

1990年錦江水庫開始施工，到1993年完成一期工程，并網(wǎng)發(fā)電進入試運營階段．將1993年視為分界點，1958～1993年作為水庫影響前部分，1994～2009年作為受錦江水庫運行影響部分．各站工程前后年內(nèi)分配特征值統(tǒng)計見表2；各站點趨勢分析線系數(shù)列于表3．

從表2均值比較與表3趨勢線系數(shù)可知，犁市站徑流年內(nèi)分配的集中度、集中期、不均勻系數(shù)及變化幅度均有所增加．其中集中度約增加5%，集中期約增加13%，基于日的不均勻系數(shù)增幅約為9%，基于日的變化幅度增幅最大，達207.7%，基于旬的變化幅度也有15%．由此可知：因為氣候因素變化，流域內(nèi)徑流年內(nèi)分配趨于不均勻．

C-為1958～1993多年平均值，C+為1994～2009多年平均值

表3　研究站點年內(nèi)分配特征指標的趨勢分析線系數(shù)

仁化是錦江水庫下游河道的第一個站點，其徑流集中度、不均勻系數(shù)均有減小，其中集中度約減少8%，基于候的不均勻系數(shù)約減小10%．而集中期則有所增加，增幅約13%．錦江水庫運行后造成仁化站0流量天數(shù)增多，仁化站徑流極值比無法有效量化，但可確定其徑流變化幅度增大．與參照站點犁市比較分析可知，錦江水庫運行后對下游徑流年內(nèi)分配造成影響．以集中度為例，犁市站上升5%，仁化站則是下降8%；基于日的不均勻系數(shù)，犁市站上升8.7%，仁化站則是下降14.2%．錦江水庫的調(diào)蓄使得下游年內(nèi)徑流分配趨于均勻化．長壩站徑流集中度約減少7%，集中期約上升9.7%，基于候的不均勻系由原來的0.939降至0.812，基于候、旬、月的變化幅度均有所下降．表3中長壩站集中度和變化幅度的下降趨勢要比仁化站緩慢，不均勻系數(shù)的降幅比仁化站要大，這應(yīng)與湞江上游干流來水有關(guān)．由表2知，長壩站徑流年內(nèi)分配也受到錦江水庫調(diào)蓄影響，趨于均勻化．

3結(jié)論

本文通過錦江流域代表水文站點仁化與長壩，以及參照站點犁市52年的實測徑流資料從徑流集中度和集中期、不均勻性與變化幅度4個方面具體分析了研究區(qū)域徑流年內(nèi)分配的變化規(guī)律，并著重分析了錦江水庫對下游徑流的影響．控制時段取一候，參照站點犁市集中度、集中期、不均勻系數(shù)與極值比均成上升趨勢，表明自然條件下該流域的年內(nèi)徑流分配趨于不均勻，此種現(xiàn)象可能與氣候變化及極端天氣增多有關(guān)；仁化站徑流集中度和不均勻系數(shù)都成下降趨勢，以集中度為例，犁市站徑流在建庫后上升了5%，而仁化站徑流在建庫后約下降了8%，表明錦江水庫運行后使得錦江下游段徑流年內(nèi)分配趨于均勻化．值得注意的是，控制時段取月時，犁市徑流的變化幅度呈下降趨勢，而仁化站是上升的，表明因為水庫運營造成下游斷流使得徑流的變化幅度增大．受錦江水庫調(diào)蓄影響，長壩站徑流年內(nèi)分配也趨于均勻．

參考文獻：

[1]施嘉煬．水資源綜合利用[M]．北京：中國水利水電出版社，1996．

[2]李林，王振宇，汪青春．黑河上游地區(qū)氣候變化對徑流量的影響研究[J]．地理科學，2006，26(1)：40-46．

[3]鄧慧平，李秀彬，張明，等．氣候與地表覆被變化對梭磨河流域水文影響的分析[J]．地理科學，2001，6(6)：493-497．

[4]李麗娟，李海濱，王娟．瀾滄江水文與水環(huán)境特征及其時空分異[J]．地理科學，2002，22(1)：49-56．

[5]馮國章，李瑛．河川徑流年內(nèi)分配不均勻性的量化研究[J]．西北農(nóng)業(yè)大學學報，2000，28(2)：50-53．

[6]鄭紅星，劉昌明．黃河源區(qū)徑流年內(nèi)分配變化規(guī)律分析[J]．地理科學進展，2003，6(6)：585-590．

[7]陳偉東，包為民，瞿思敏，等．錦江水庫對下游徑流年際變化影響分析[J]．中國農(nóng)村水利水電，2015(9)．

[8]韶關(guān)市志(1988-2000)[M]．廣東：方志出版社，2011．

[9]楊建波．淺談錦江水庫水文自動測報系統(tǒng)及其維護[J]．科技資訊，2012，19(19)：151-151．

[10] 劉賢趙，李嘉竹，宿慶，等．基于集中度與集中期的徑流年內(nèi)分配研究[J]．地理科學，2008，27(6)：791-795．

[11] 涂新軍，陳曉宏，張麗娟，等．時段長取值變化下的徑流年內(nèi)分配特征研究[J]．生態(tài)環(huán)境學報，2011，20(1)：119-123．

[12] 李艷，陳曉宏，張鵬飛．北江流域徑流序列年內(nèi)分配特征及其趨勢分析[J]．中山大學學報：自然科學版，2008，46(5)：113-116．

[13] 徐東霞，章光新．嫩江徑流年內(nèi)變化特征分析[J]．干旱區(qū)資源與環(huán)境，2009，7(7)：48-51．

[責任編輯周文凱]

收稿日期：2015-11-30

基金項目：水利部公益性行業(yè)科研專項項目(201501059)

通信作者：陳偉東(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為水文學及水資源．E-mail：wdchen520@163.com

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.02.003

中圖分類號：TV121

文獻標識碼：A

文章編號：1672-948X(2016)02-0011-05

Analysis of Effect of Jinjiang Reservoir on Downstream Annual Streamflow Distribution

Chen Weidong

(College of Hydrology and Water Resources, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

AbstractBased on the daily flow at Renhua, Changba and Lishi stations covering 1958-2009, statistical analysis was done on the concentration degree, concentration period, nonuniform coefficient and extrema ratio with aim to understand the annual distribution of streamflow, and mainly analyzed the streamflow of Renhua and Changba before and after Jinjiang reservoir used. The results show that the concentration degree, the concentration period, the nonuniform coefficient and the extrema ratio of Lishi were on the rise when studied time was five days, which indicated that the annual streamflow distribution is becoming nununiform. The concentration degree and the nonuniform coefficient of Renhua and Changba were on the downward trend, which indicated that the annual streamflow distribution is becoming uniform. Studied time was one month, the extrema ratio of Lishi had a weak downward trend; and the rise trend of Renhua's extrema ratio was obvious. In general, the downstream annual streamflow distribution was more uniform after Jinjiang reservoir used; but the extrema ratio was increased than before.

KeywordsJinjiang reservoir;annual streamflow distribution;concentration degree;concentration period;nonuniform coefficient;extrema ratio