洮河流域近36a主要水文要素時(shí)空分布特征研究

劉紅兵，王漢卿

(甘肅省臨洮水文水資源勘測(cè)局，甘肅 臨洮 730500)

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洮河流域近36a主要水文要素時(shí)空分布特征研究

劉紅兵，王漢卿

(甘肅省臨洮水文水資源勘測(cè)局，甘肅 臨洮 730500)

洮河是黃河上游一級(jí)支流，近36年來受氣候變化和人類活動(dòng)影響，流域水文要素發(fā)生重要變化。在收集洮河流域1980-2015年主要水文要素特征氣溫、降水、蒸發(fā)、徑流和泥沙資料的基礎(chǔ)上，按不同的年代區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算分析，建立以氣溫距平、降水等值線、蒸發(fā)等值面、徑流深及輸沙模數(shù)等值線為分析依據(jù)，掌握了主要水文要素在時(shí)空上分布特征和變化規(guī)律，研究結(jié)果表明：流域主要水文要素特征為，不同年代氣溫升高幅度不同，平均上升幅度在0.6℃～1.0℃。整個(gè)流域降水量總體變化趨勢(shì)表現(xiàn)為減少，蒸發(fā)量變化不明顯等特點(diǎn)。

水文要素；時(shí)空分布；變化規(guī)律；洮河流域

洮河作為黃河上游一條典型的區(qū)域性河流，近36年來隨著氣候變化和人類活動(dòng)的影響，洮河流域各水文要素已經(jīng)發(fā)生了重要的變化。雖已有研究對(duì)洮河流域水文氣象要素進(jìn)行了一定討論，但尚缺乏進(jìn)一步系統(tǒng)的對(duì)主要水文要素時(shí)空分布特征進(jìn)行分析。本文通過統(tǒng)計(jì)流域主要的氣溫、降水、蒸發(fā)、徑流和泥沙資料，通過繪制圖表建立時(shí)空變化關(guān)系，試圖總結(jié)主要水文要素變化規(guī)律。

1 流域特征

洮河是黃河上游一級(jí)支流，也是甘肅境內(nèi)的一條重要河流，洮河干流全長(zhǎng)673 km，集水面積為25 527 km2。其間主要有科才河、括合曲、博拉河、卡車溝、車巴溝、大峪溝、迭藏河、冶木河、漫壩河、東峪溝、三岔河、廣通河等支流加入。根據(jù)《甘肅省水文分區(qū)》[1]洮河流域地跨甘南高原和隴中黃土高原兩大地貌單元，從地理分布上來看，因地形高差大，垂直分帶明顯，自上而下多年平均氣溫2.3℃～7.0℃，多年平均降水量312～613 mm，多年平均水面蒸發(fā)量1 200～1 700 mm。另外根據(jù)2015年《甘肅省水資源公報(bào)》、《甘肅省河流泥沙公報(bào)》數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，洮河流域多年平均水資源量為48.51×108m3；同時(shí)洮河也是一條高含沙河流，帶來的泥沙占劉家峽水庫來沙量的30%以上，年輸沙量為2 592×104t。

2 資料統(tǒng)計(jì)

1980至2015年數(shù)據(jù)主要從《甘肅省水文統(tǒng)計(jì)》(1932-2000)[上、下冊(cè)]、《黃河流域水文特征值統(tǒng)計(jì)》(1919-2000)[第1冊(cè)]、《黃河流域水文資料》(1964-1989、2006-2015)[4卷1冊(cè)]等成果資料中統(tǒng)計(jì)整理，其中部分缺測(cè)采用氣象資料或按趨勢(shì)插補(bǔ)，共計(jì)1782站年。主要收集洮河干流碌曲、下巴溝(洮)、岷縣、李家村和紅旗5個(gè)重要水文站月年平均徑流量、輸沙量資料；尕海、碌曲、博拉、下巴溝、多壩、腰坡、岷縣、會(huì)川、冶力關(guān)、李家村、堯甸、流川、牙塘、沙塄和中孚等16個(gè)雨量站月年降水量資料；碌曲、下巴溝、多壩、岷縣、冶力關(guān)、李家村、堯甸、臨洮、牙塘、三甲集和紅旗等11個(gè)蒸發(fā)站月年平均蒸發(fā)資料；收集3個(gè)區(qū)域代表站碌曲、下巴溝、紅旗月年平均氣溫資料。

圖1 綜合年平均氣溫變化趨勢(shì)圖

圖2 碌曲站年平均氣溫距平圖

圖3 下巴溝站年平均氣溫距平圖

圖4 紅旗站年平均氣溫距平圖

3 要素時(shí)空分布

3.1 氣溫

采用區(qū)域代表站碌曲、下巴溝、紅旗近36 a系列年平均氣溫值。繪制氣溫變化趨勢(shì)見圖1，明顯顯示為三個(gè)不同空間帶狀區(qū)域，從流域空間分布來看從上而下氣溫逐漸升高。另外，繪制洮河流域代表站年平均氣溫距平見圖2～圖4，從年際時(shí)空變化方面分析。而距平是某一系列數(shù)值中的某一個(gè)數(shù)值與平均值的差，分正距平和負(fù)距平。年平均氣溫距平就是一系列年平均氣溫與多年平均氣溫的差值。年平均氣溫距平增高就是說明這個(gè)差值增大了，相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的溫度出現(xiàn)了異常。

從圖2～圖4顯示，代表站過去36年的氣溫總體呈上升趨勢(shì)，平均上升幅度在0.6℃～1.0℃之間。但不同年代氣溫的平均升高幅度有所不同，碌曲站20世紀(jì)80年代后期至90年代初氣溫增加幅度較大，而到21世紀(jì)初氣溫在0℃以下遞減的梯度明顯加大；另外下巴溝、紅旗區(qū)域代表站在20世紀(jì)末至21世紀(jì)初氣溫增加的梯度變大，而紅旗的氣溫距平變化趨勢(shì)較明顯。

3.2 降水[2-4]

繪制多年平均、1980～1989年、1990～1999年、2000～2015年降水量等值線時(shí)空分布見圖5-圖8，分析如下：

1)從圖5看出，主要受地域的差異影響，降水量自南向北逐漸減少。主要分以下幾個(gè)區(qū)域：降水量高值區(qū)分布在岷縣以南迭藏河和廣通河上游牙塘附近，年降水量在600～900 mm之間；中下游下巴溝～李家村段降水量等值線趨于500～600 mm之間；而李家村以下區(qū)域降水量明顯減少，也是降水量低值區(qū)，年降水量在200～400 mm。

2)對(duì)圖6與圖5比較，中、下游冶木河、漫壩河、東峪溝和三岔河小流域年平均降水量有所增加，年平均降水量增加幅度在50～100 mm之間，其它區(qū)域降水量增加幅度不太明顯。

圖5 多年平均降水量等值線圖 圖6 1980～1989年平均降水量等值線圖

圖7 1990～1999年平均降水量等值線圖 圖8 2000～2015年平均降水量等值線圖

3)從圖7看出，降水量時(shí)空分布變化不太劇烈，下巴溝以上區(qū)域年降水量有增加的趨勢(shì)，降水量在500～700 mm；而中下游地區(qū)年降水量呈逐漸減少趨勢(shì)，減少趨勢(shì)在30～50 mm之間；其它區(qū)域降水量基本保持不變。

4)從圖8看出，降水量時(shí)空變化趨勢(shì)劇烈，上游地區(qū)降水量明顯增多，年降水量在500～800 mm之間；中、下游地區(qū)降水量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，減少趨勢(shì)在60～80 mm之間。

3.3 蒸發(fā)[5-6]

繪制蒸發(fā)量等值面時(shí)空分布圖來分析蒸發(fā)的空間特征變化，全流域共劃分為8個(gè)顏色代表區(qū)域，不同的顏色區(qū)域代表不同的年蒸發(fā)量，顏色越深代表某個(gè)區(qū)域蒸發(fā)量越大，反之顏色越淺蒸發(fā)量相對(duì)越小。多年平均、1980～1989年、1990～1999年、2000～2015年蒸發(fā)量等值面時(shí)空分布見圖9～圖12，分析如下：

1)圖9所示，多年平均蒸發(fā)量空間分布基本表現(xiàn)為從東到西，從北至南呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，蒸發(fā)量變化呈緯度增加，相應(yīng)蒸發(fā)量代表的顏色也逐漸由淺變深。根據(jù)等值面漸變區(qū)域來看，主要有幾個(gè)區(qū)域變化較明顯：(1)碌曲以上區(qū)域自下而上從淡紅色變?yōu)榈S色，年蒸發(fā)量大致在900～1 000 mm之間變化，碌曲以上至洮河的源頭大都為草原區(qū)域，紫外線輻射相對(duì)較強(qiáng)，致使蒸發(fā)量相對(duì)較大。(2)大峪溝、車巴溝、牙塘河流域一帶的年蒸發(fā)量為700～800mm左右，自北向南由淡紅色逐漸變?yōu)榘咨?，反?yīng)出蒸發(fā)量自北向南逐漸呈減少趨勢(shì)，其中大峪溝和車巴溝流域?yàn)槭缴謪^(qū)，牙塘河上游為太子山林區(qū)，森林覆蓋面積較大，流域植被較好，區(qū)域氣候比較濕潤(rùn)，蒸發(fā)量相對(duì)較小。(3)李家村以下區(qū)域是蒸發(fā)量高值區(qū)域，年平均蒸發(fā)量在1 200～1 300 mm之間，紅旗附近區(qū)域內(nèi)年蒸發(fā)量在1 200～1 400 mm之間變化，這一區(qū)域地處隴西黃土丘陵區(qū)植被較差，且氣溫相對(duì)較高，多年平均氣溫在9.0℃，年最高氣溫在34.3℃左右，是蒸發(fā)量較大的主要原因。

圖9 多年平均蒸發(fā)量等值面空間分布圖 圖10 1980～1989年平均蒸發(fā)量等值面空間分布圖

圖11 1990～1999年平均蒸發(fā)量等值面空間分布圖 圖12 2000～2015年平均蒸發(fā)量等值面空間分布圖

2)圖10～圖12所示：(1)20世紀(jì)80年代與多年平均等值面比較有兩個(gè)區(qū)域變化較明顯，其中大峪溝流域一帶年平均蒸發(fā)量在1 000～1 100 mm之間，控制區(qū)域逐漸有向南擴(kuò)展的趨勢(shì)，與多年平均蒸發(fā)量等值面比較，變化幅度在-40～80 mm之間；另外一個(gè)為冶力關(guān)至李家村區(qū)域，控制區(qū)域有所減小，與多年平均等值面比較，變化幅度在-20～30 mm之間，年平均蒸發(fā)量在900～1 000 mm之間。(2)20世紀(jì)90年代，碌曲至下巴溝區(qū)域、下游洮河以西一帶，年平均蒸發(fā)量有所減少，與80年代年平均蒸發(fā)量等值面比較，變化幅度在-20～30 mm之間；大峪溝流域一帶由南向北逐漸擴(kuò)展，蒸發(fā)量有減小趨勢(shì)，與80年代年平均蒸發(fā)量等值面比較，變化幅度在-30～50 mm之間；其它區(qū)域內(nèi)年平均蒸發(fā)量有所減少，但減少的幅度較小，顏色控制區(qū)域變化不太明顯；(3)2000-2015年內(nèi)年平均蒸發(fā)量等值面空間變化趨勢(shì)趨于平緩，蒸發(fā)比較大的區(qū)域主要在下游和上游部分地區(qū)。岷縣至多壩區(qū)域內(nèi)蒸發(fā)等值面逐漸向北擴(kuò)展至新城溝上游太石山和羊沙河上游的娃娃山附近一帶，區(qū)域內(nèi)的年蒸發(fā)量有減少的趨勢(shì)。

3.4 徑流[7-9]

繪制多年平均、1980～1989年、1990～1999年和2000～2015年徑流深等值線空間分布見圖13～圖16，繪圖時(shí)采用年代區(qū)間系列年平均徑流深值，分析如下：

1)由于下墊面不同，特別在下游黃土區(qū)，徑流與降水分布有明顯差異。高山區(qū)徑流大，丘陵平原河谷區(qū)徑流??；石山林區(qū)徑流大，黃土區(qū)徑流小。上游甘南高原年徑流深一般在100～300 mm，迭山區(qū)在400～500 mm，洮河流經(jīng)岷縣境內(nèi)北折拐彎帶是一山間谷地，年徑流深150～200 mm，太子山區(qū)500～600 mm，下游黃土區(qū)90～300 mm。相同降水條件下，不同下墊面流域，其徑流量相差懸殊。

2)出現(xiàn)幾個(gè)特殊變化區(qū)域如下：(1)大峪溝、車巴溝、卡車溝流域上游植被相對(duì)較好，徑流深大致在400～500 mm之間；(2)廣通河上游牙塘河屬于太子山石林區(qū)，徑流深在300～400 mm之間；(3)中下游地區(qū)由于河流下墊面組成情況不一樣，徑流深也成明顯分成幾個(gè)不同區(qū)域特征，東峪溝徑流深大致在20～50 mm之間；(4)不同年代下巴溝(洮)徑流深等值線變化趨勢(shì)較明顯，主要是測(cè)驗(yàn)河段上游1 km和5 km處，分別建有安果、峽村水電站。致使河段經(jīng)常斷流、河干，導(dǎo)致徑流量減少趨勢(shì)明顯；(5)李家村以上流域徑流深變化出現(xiàn)特殊區(qū)域，由于2008年7月份在李家村水文站斷面左岸新修一條電站退水渠，又因受上游160 m處肖家河二期電站退水，另主河道下游166 m處洮惠渠進(jìn)水口修建攔水壩一座，受閘門升降，導(dǎo)致河道徑流非自然狀態(tài)。

圖13 多年平均徑流深等值線空間分布圖 圖14 1980～1989年平均徑流深等值線空間分布圖

圖15 1990～1999年平均徑流深等值線空間分布圖 圖16 2000～2015年平均徑流深等值線空間分布圖

3.5 泥沙[10-12]

按不同年代區(qū)間對(duì)洮河干流5個(gè)泥沙代表站近36a資料系列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制多年平均、1980～1989年、1990～1999年和2000～2015年輸沙模數(shù)等值線空間分布見圖17～圖20。繪圖時(shí)加入了下巴溝(博)、冶力關(guān)、王家磨、康樂、堯甸、臨洮及三甲集水文站多年平均輸沙模數(shù)數(shù)據(jù)，分析如下：

1)從圖17-圖20明顯看出，不同年代輸沙模數(shù)等值線時(shí)空變化不太明顯。另外，從圖分析發(fā)現(xiàn)洮河泥沙主要來源于李家村水文站以下區(qū)域。該區(qū)域處于甘肅中部干旱黃土山丘區(qū)，水土流失特別嚴(yán)重。李家村以下的泥沙含量常常達(dá)到500 kg/m3以上，成為洮河的主要產(chǎn)沙區(qū)域，年輸沙量占洮河總輸沙量的78%以上。在這些高含沙的支流上，東峪溝臨洮站多年平均輸沙模數(shù)4 540 t/km2，占洮河總輸沙量的12.6%，水土流失極為嚴(yán)重。廣通河三甲集站多年平均年輸沙模數(shù)1 740 t/km2，占洮河總輸沙量的10.9%。東峪溝和廣通河年輸沙總量占到了洮河總量的近25%。

圖17 多年平均輸沙模數(shù)等值線空間分布圖 圖18 1980～1989年平均輸沙模數(shù)等值線空間分布圖

圖19 1990～1999年平均輸沙模數(shù)等值線空間分布圖 圖20 2000～2015年平均輸沙模數(shù)等值線空間分布圖

2)洮河泥沙年際變化上雖然不太明顯，但不同年代階段性變化突出。就以十年計(jì)的短時(shí)間尺度而言，上世紀(jì)80年代以后，人類活動(dòng)對(duì)流域下墊面的改變不斷加劇，由于盲目地砍伐森林，植被遭到破壞，使地表侵蝕加劇，水土流失嚴(yán)重。90年代后，洮河流域植被破壞與恢復(fù)，水土流失治理，水利工程攔沙和工程建設(shè)增沙。2000年以來，洮河流域加大了對(duì)水能資源的梯級(jí)開發(fā)力度，大量泥沙被攔截是導(dǎo)致近十年輸沙量減少的主要原因。截至2015年流域內(nèi)建有中小水庫30座，總庫容為10.47×108m3；水電站79處，總裝機(jī)容量為1 144.62 MW；電力泵站207處，修壩建庫攔截了水庫上游的大量泥沙，導(dǎo)致通過河道進(jìn)入下游的泥沙減少。

4 結(jié)語

(1)氣溫距平空間分布來看從上至下逐漸升高，但流域不同年代氣溫的升高幅度有所不同，平均上升幅度在0.6℃～1.0℃。

(2)降水系列等值線空間分布綜合分析，發(fā)現(xiàn)中、下游下巴溝～李家村段不同年代區(qū)間降水量基本趨于穩(wěn)定，但整個(gè)流域空間總體變化趨勢(shì)表現(xiàn)為減少。

(3)從蒸發(fā)等值面變化來看年平均蒸發(fā)變化趨勢(shì)不太明顯，但有些區(qū)域蒸發(fā)沒有增加反逐漸減少，究其原因關(guān)系比較復(fù)雜，影響因素較多。

(4)不同年代徑流深等值線明顯看出自岷縣向北、向西兩個(gè)方向流域徑流深逐漸減小，80年代以后徑流深逐漸減小，徑流量也相對(duì)減少趨勢(shì)明顯。

(5)通過不同年代輸沙模數(shù)等值線反映出泥沙年際變化上不太明顯，但不同年代階段性變化突出。90年代后，由于修壩建庫攔截了大量泥沙，導(dǎo)致通過河道進(jìn)入下游的泥沙減少。

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The Study on the Temporal and Spatial Distribution of Main Hydrological Elements in the Tao River Basin in Recent 36 Years

LIU Hong-bing，WANG Han-qing

(Gansu Lintao Hydrology and Water Resources Survey Bureau, Lintao 730500，Gansu )

Tao River is a tributary of the upper reaches of the Yellow River. In the past 36 years, it has been affected by climate change and human activities. Based on the calculation of temperature, precipitation, evaporation, runoff and sediment data of the main hydrological elements in the Tao River Basin from 1980 to 2015, the statistical analysis was carried out according to different age intervals. It is based on the analysis of the anomalies of temperature anomalies, precipitation contours, evaporation isosurface , runoff depth and sediment transport modulus, holding the distribution characteristics and variation regularity of the main hydrological elements in time and space .The results show that the main hydrological elements in the basin are characterized by different temperatures in different ages ,the average increasing in the range of 0.6℃～1.0℃. The overall trend of precipitation in the whole basin is reduced and the change of evaporation is not obvious.

hydrological elements; temporal and spatial distribution; change rule; Tao River Basin

2017-01-13

劉紅兵(1973-)，男，甘肅臨洮人，工程師，主要從事水文資料分析計(jì)算及水資源調(diào)查等工作。

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1004-1184(2017)03-0103-04