清江流域降水徑流年內(nèi)分配特征及其同步性分析

黃濟(jì)琛 陸寶宏 范仲麗 郭修志 劉振宇 石立群

(1.寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,浙江寧波 315192;2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,南京 210098;3.水利部海委引灤工程管理局,天津 300393;4.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)第三工程有限公司,西安 710007;5.南京市水務(wù)集團(tuán)有限公司,南京 210002)

隨著氣候變化及人類(lèi)活動(dòng)等因素的影響越來(lái)越強(qiáng)烈,流域水文循環(huán)過(guò)程也發(fā)生著相應(yīng)的變化[1-3].眾多研究表明,我國(guó)各流域的徑流都存在著年內(nèi)分布不均勻的特點(diǎn)[4-6],降水作為水文循環(huán)中重要的一環(huán),是流域徑流的主要供給者之一,流域內(nèi)徑流與降水年內(nèi)分配特征保持著一定的同步性[7-8].2003年,鄭紅星等[9]根據(jù)黃河源區(qū)主要測(cè)站1952～1997年的月天然徑流資料對(duì)其徑流年內(nèi)分配特點(diǎn)進(jìn)行了分析.2006年,燕華云等[10]根據(jù)長(zhǎng)江源區(qū)1956～2000年河流月徑流資料,分析其徑流年內(nèi)分配特點(diǎn).2007年,李艷等[11]以石角站45a的實(shí)測(cè)月徑流資料為基礎(chǔ),研究了北江流域徑流年內(nèi)分配變化規(guī)律.2013年,張穎等[12]基于贛江外洲站近49年月徑流量及42年月輸沙量實(shí)測(cè)資料,對(duì)贛江水沙年內(nèi)分配變化進(jìn)行分析.

清江流域地處湖北省西南部副熱帶地區(qū),位于東經(jīng)108°35'～111°35',北緯29°33'～30°50'.流域東鄰江漢平原,南與澧水流域相接,西與烏江流域接界,北與長(zhǎng)江三峽地區(qū)相鄰.流域形狀南北窄而東西長(zhǎng),流域面積16700 km2.發(fā)源于利川市齊岳山龍洞溝,自西向東流經(jīng)湖北省10個(gè)縣市,最終在宜都市匯入長(zhǎng)江,清江干流河道全長(zhǎng)423 km,地勢(shì)西高東低,全流域山地面積占比高達(dá)80%.流域地處中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),雨量豐沛,為長(zhǎng)江流域多雨地帶.近年來(lái),學(xué)者們針對(duì)清江流域水文氣象要素的年際變化特征作了一系列研究[13-14],而在年內(nèi)分配特征方面鮮有成果發(fā)表.鑒于此,本文采用多種分析手段對(duì)清江流域的降水、徑流的年內(nèi)分配特征以及兩者變化存在的同步性進(jìn)行研究分析,以期為清江流域水資源的合理開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)的參考.

1 研究資料與方法

1.1 研究資料

采用恩施、巴東、來(lái)鳳以及五峰四站的月降水量資料以及隔河巖站月徑流量資料,資料序列時(shí)間1951～2009年.隔河巖水電站壩址控制流域面積為15 080 km2,壩址處隔河巖水文站為隔河巖水電站入庫(kù)代表站.

1.2 研究方法

1.2.1 集中度與集中期[15-16]

年內(nèi)集中度(RCD)與集中期(RCP)分別用以反映年內(nèi)降水/徑流的集中程度和最大值出現(xiàn)的時(shí)間.兩個(gè)指標(biāo)的計(jì)算公式如下:

1.2.2 不均勻系數(shù)與完全調(diào)節(jié)系數(shù)

選用分配不均勻系數(shù)及分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)[17]來(lái)表征降水/徑流年年內(nèi)分配的不均勻性.計(jì)算公式為:

1.2.3 變化幅度

變化幅度[4,17]用極大值(Smax)和極小值(Smin)來(lái)表征年內(nèi)降水量/徑流量變化的劇烈程度,分為絕對(duì)變化幅度(Sa)和相對(duì)變化幅度(Sr).計(jì)算公式如下:

1.2.4 標(biāo)準(zhǔn)化

進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理[7]的目的在于消除降水量和徑流量的量綱差異的影響,在同一坐標(biāo)系下繪制降水、徑流標(biāo)準(zhǔn)化曲線(xiàn),從而更加清晰的分析降水和徑流年內(nèi)分配的變化特征及二者的同步性.

式中,Xi為月降水量/徑流量,X 為多年平均月降水量/徑流量均值,S為多年月平均降水量/徑流量標(biāo)準(zhǔn)差.

2 結(jié)果與分析

2.1 降水年內(nèi)分配變化特征

圖1繪出了清江流域1951～2009年各個(gè)年代以及多年平均的降水年內(nèi)分配特征曲線(xiàn).由圖1可知,1970～1979年平均曲線(xiàn)為雙峰曲線(xiàn),存在206.2 mm(6月)和179.1 mm(9月)兩個(gè)峰值,主要由于20世紀(jì)70年代7月、8月平均降水偏少,均低于59a平均值,而同時(shí)6月、9月平均降水均高于59a平均值,從而出現(xiàn)了“雙峰”的這一特點(diǎn).除1970～1979年外其他6條曲線(xiàn)皆為單峰曲線(xiàn),峰值均出現(xiàn)在7月.59a中各年代及多年平均年內(nèi)降水集中分布在夏季(6月～8月),相對(duì)的冬季(12月～次年2月)降水量為最少.從多年平均曲線(xiàn)來(lái)看,夏季降水量占全年比例高達(dá)47.2%,冬季降水量占比僅為7.4%,二者比值高達(dá)6.38,也印證了降水量的年內(nèi)分配極為不均這一特征.

圖1 降水年內(nèi)分配特征

由圖2可知,降水集中度和集中期曲線(xiàn)分別圍繞42.3%和199.5°作上下波動(dòng),集中度在1980年取得最大值60.0%,在1951年取得最小值21.6%,極差為38.4%,接近最小集中度的2倍,說(shuō)明降水集中度年際變化劇烈;由線(xiàn)性擬合趨勢(shì)線(xiàn)可知,降水集中度以0.62%/10a為傾向率呈不顯著的增大趨勢(shì)(顯著性水平α=0.05).降水集中期最大值為229.6°(1965年),最小值為160.5°(2002年),二者相距37a,降水集中期傾向率為-1.2°/10a,說(shuō)明降水集中期呈緩慢的減小趨勢(shì),趨勢(shì)不顯著(顯著性水平α=0.05),年內(nèi)集中降水存在自7月向6月轉(zhuǎn)移的趨勢(shì).

圖2 降水集中度及集中期年際變化

降水不均勻系數(shù)及完全調(diào)節(jié)系數(shù)年際變化曲線(xiàn)如圖3所示.

圖3 降水不均勻系數(shù)及完全調(diào)節(jié)系數(shù)年際變化

由圖3可知,Cv和Cr曲線(xiàn)的年際變化基本上保持良好的相關(guān)性,波動(dòng)規(guī)律存在一致性.Cv曲線(xiàn)的線(xiàn)性?xún)A向率為-0.005/10a,Cr曲線(xiàn)為0.0005/10a,就研究期59a來(lái)看兩者年際變化趨勢(shì)皆不顯著(顯著性水平α=0.05),僅圍繞各自的均值附近分布;以最值和次最值進(jìn)行分析,59a以來(lái)Cv的最大值為1.04(1955年),次最大值為0.97(1963年),最小值為0.48(2006年),次最小值為0.49(1961年);Cr的最大值為0.41(1979年),次最大值為0.40(1980年),最小值為0.19(2006年),次最小值0.20(1961年),可得:Cv和Cr的兩個(gè)最小取值出現(xiàn)的年份保持一致;Cv、Cr的極值比分別為2.17、2.16;最值與次最值之間均只相差0.01(除Cv的最大值與次最大值相差0.07).由此可進(jìn)一步得到結(jié)論:59a以來(lái),此兩種指標(biāo)分析下年內(nèi)分配相對(duì)較均勻的年份一致性更好;雖然年內(nèi)分配不均勻性在年際間波動(dòng)較大,但并未出現(xiàn)極端均勻或者極端不均的情況.

2.2 徑流年內(nèi)分配變化特征

圖4繪制了清江流域隔河巖站1951～2009年各個(gè)年代以及多年平均的徑流年內(nèi)分配特征曲線(xiàn).由圖4可知,各條曲線(xiàn)與相應(yīng)年代的降水年內(nèi)分配特征曲線(xiàn)(圖1)保持著良好的同步性,受到降水量分布特點(diǎn)的影響,1970～1979年平均曲線(xiàn)也為雙峰曲線(xiàn),存在21.44億m3(6月)和17.02億m3(9月)兩個(gè)峰值,主要可能受到20世紀(jì)70年代7月、8月平均降水偏少,而同時(shí)6月、9月平均降水均高于59a平均值的影響,從而出現(xiàn)了“雙峰”的這一特點(diǎn).除1970～1979年外其他6條曲線(xiàn)皆為單峰曲線(xiàn),峰值均出現(xiàn)在7月.59a中各年代及多年平均年內(nèi)徑流集中分布在夏季(6月～8月),而冬季(12月～次年2月)徑流量最少.從多年平均曲線(xiàn)來(lái)看,夏季徑流量占全年比例高達(dá)44.4%,冬季降水量占比僅為6.9%,二者比值達(dá)到6.43,三項(xiàng)數(shù)據(jù)均與降水多年平均曲線(xiàn)保持一致,說(shuō)明了徑流量一定程度上受到了降水量的影響,年內(nèi)分配也極為不均.

圖4 徑流年內(nèi)分配特征

據(jù)圖5,徑流集中度和集中期曲線(xiàn)分別圍繞43.5%和165.7°作上下波動(dòng),集中度在1980年取得最大值61.5%,在1961年取得最小值10.5%,極差為51%,接近最小集中度的5倍,說(shuō)明徑流集中度年際變化劇烈;由線(xiàn)性擬合趨勢(shì)線(xiàn)可知,徑流集中度以-0.22%/10a為傾向率呈不顯著的減小趨勢(shì).徑流集中期最大值為210.6°(2000年),最小值為104.4°(1959年),二者相距41a,徑流集中期傾向率為-2.5°/10a,說(shuō)明徑流集中期呈緩慢的減小趨勢(shì),年內(nèi)集中徑流存在自7月向6月轉(zhuǎn)移的趨勢(shì),與年內(nèi)集中降水的轉(zhuǎn)移趨勢(shì)一致.

圖5 徑流集中度及集中期年際變化

徑流不均勻系數(shù)及完全調(diào)節(jié)系數(shù)年際變化曲線(xiàn)如圖6所示.

圖6 徑流不均勻系數(shù)及完全調(diào)節(jié)系數(shù)年際變化

由圖6可知,Cv和Cr曲線(xiàn)的年際變化基本上保持良好的相關(guān)性,波動(dòng)規(guī)律存在一致性.Cv曲線(xiàn)的線(xiàn)性?xún)A向率為-0.01/10a,Cr曲線(xiàn)為-0.004/10a,就研究期59a來(lái)看兩者年際變化趨勢(shì)皆不明顯,僅圍繞各自的均值附近分布;以最值和次最值進(jìn)行分析,59a以來(lái)Cv的最大值為1.32(1997年),次最大值為1.18(1969年),最小值為0.48(1961年),次最小值為0.50(2006年);Cr的最大值為0.48(1979年),次最大值為0.43(1980年),最小值為0.19(1961年),次最小值0.21(1953年),可得:徑流Cv曲線(xiàn)取得最大值、最小值、次最小值的年份與降水保持一致,Cr次最大值與降水Cr次最大值所在年份保持一致;Cv、Cr的極值比分別為2.75、2.53;最值與次最值之間最多相差0.14,最少相差0.02.由此可進(jìn)一步得到結(jié)論:59a以來(lái),此兩種指標(biāo)分析下徑流年內(nèi)分配特征與降水具有較好的一致性;徑流年內(nèi)分配不均勻性年際間變化相比降水來(lái)說(shuō)波動(dòng)更大,但并未出現(xiàn)極端均勻或者極端不均的情況.

2.3 降水徑流年內(nèi)分配變化同步性

各年代降水及徑流變化幅度值見(jiàn)表1,分析可知:降水各年代的絕對(duì)變化幅度在174.9～238.3 mm之間變化,2000～2009年平均絕對(duì)變化幅度最小,1980～1989年最大,相對(duì)變化幅度最小值為8.24(1951～1959年),最大值為12.08(1980～1989年);徑流各年代絕對(duì)變化幅度在2000～2009年取得最小值12.60億m3,在1980～1989年取得最大值28.11億m3,相對(duì)變化幅度最小值為4.86(2000～2009年),最大值為14.10(1980～1989年).由此可見(jiàn)各年代降水、徑流表現(xiàn)出了良好的一致性.

表1 降水及徑流變化幅度

各年代平均及多年平均降水量、徑流量的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表2,由表2中的計(jì)算結(jié)果可知,二者的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了0.97以上,說(shuō)明降水量及徑流量年內(nèi)變化保持著良好的相關(guān)性,增減趨勢(shì)表現(xiàn)一致.

表2 降水徑流年內(nèi)變化相關(guān)系數(shù)

圖7給出了標(biāo)準(zhǔn)化處理后的各年代平均及59a多年平均降水徑流年內(nèi)分配特征.

圖7 降水及徑流年內(nèi)分配特征標(biāo)準(zhǔn)化曲線(xiàn)

就整體而言徑流量與降水量的年內(nèi)分配保持了較強(qiáng)的同步性,二者曲線(xiàn)的峰值和谷值的出現(xiàn)時(shí)段也體現(xiàn)了較好的一致性;就各個(gè)季節(jié)而言春夏兩季(3～8月)的降水量與徑流量的同步性強(qiáng)于秋冬兩季(9～次年2月),秋冬季的不同步在各年代中尤其以20世紀(jì)60年代和21世紀(jì)初期表現(xiàn)的最為明顯.

造成這一現(xiàn)象的主要原因有兩點(diǎn):

1)根據(jù)前文的結(jié)論,由于清江流域秋冬降水量普遍偏少,此時(shí)徑流量的變化除了受到降水量增減的影響之外相較降水豐沛的夏季更容易受到其他各種因素如引提蓄水工程的工作等的干擾;

2)諸多研究表明近年來(lái)冬季溫升的趨勢(shì)最明顯,成為影響區(qū)域年氣溫升高的主要貢獻(xiàn)者,而氣溫的升高必然帶來(lái)蒸發(fā)量的增加,這也在一定程度上弱化了降水和徑流的同步性.

以上分析說(shuō)明了人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化等眾多因素的影響使得降水、徑流的年內(nèi)分配特征具有了較大的不確定性.這無(wú)疑將加大清江流域水資源的合理開(kāi)發(fā)、利用和配置的難度,給水資源安全合理調(diào)配帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn).

3 結(jié) 論

1)1951～2009年清江流域各年代及多年平均降水、徑流年內(nèi)分配極為不均,夏季降水量、徑流量均占全年總量的40%以上;20世紀(jì)70年代平均降水、徑流年內(nèi)分配與其他各年代特征存在顯著區(qū)別,表現(xiàn)出6月、9月兩個(gè)峰值,這與此時(shí)段內(nèi)7月、8月平均降水偏少,而同時(shí)6月、9月平均降水均高于59a平均值相關(guān).

2)近59a以來(lái),降水徑流的年內(nèi)集中度、集中期、不均勻系數(shù)以及完全分配系數(shù)均存在不明顯的年際變化趨勢(shì),4個(gè)度量指標(biāo)的極差與極值都偏大,說(shuō)明降水徑流年內(nèi)分配特征的年際變化劇烈;同時(shí)以Cv和Cr為代表的指標(biāo)的最值與次最值差值較小,表明就分析時(shí)段而言,年內(nèi)分配未出現(xiàn)極端均勻或者極端不均的情況;由降水徑流集中期線(xiàn)性擬合傾向率均小于0可知年內(nèi)集中降水和集中徑流均具有自7月向6月轉(zhuǎn)移的趨勢(shì).

3)受到人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化等眾多因素的影響,標(biāo)準(zhǔn)化處理后的各年代平均及59a多年平均降水徑流年內(nèi)分配特征展現(xiàn)出全年整體的同步性,以及秋冬兩季局部不同步的特點(diǎn).

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