碧流河流域繭場水文站徑流變化分析

韓穎異

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

碧流河發(fā)源于遼寧省蓋州市棋盤嶺山南麓，干流全長156km，彎度系數(shù)1.12，平均比降1.89‰，是大連地區(qū)最大的河流。流域面積2814km2，多年平均徑流量8.6×108m3。碧流河中游于1986年建成碧流河水庫，主要任務(wù)是城市供水，兼有防洪、發(fā)電、灌溉、養(yǎng)殖、旅游等，水庫最大庫容9.34×108m3，是大連市最大的水源地，日供水能力120×104m3。

繭場水文站位于大連市莊河市桂云花鄉(xiāng)頭道嶺村，東經(jīng)122°32′38″，北緯40°01′52″，集水面積1170km2，距河口98km，是碧流河水庫上游唯一入庫控制站。始建于1958年5月，是國家基本水文站、區(qū)域代表站，歷史最大洪峰3470m3/s(1994年8月16日)。觀測項(xiàng)目有水位、流量、泥沙、降水、蒸發(fā)、冰情、水質(zhì)、土壤墑情、地下水、水文調(diào)查等。該站徑流變化對(duì)碧流河水庫中長期來水量預(yù)報(bào)、洪水預(yù)報(bào)、供水調(diào)度及大連城市供水安全都有重要影響，因此，分析繭場水文站徑流特征和變化規(guī)律可為區(qū)域水資源開發(fā)利用和大連城市供水安全提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料來源和分析方法

1.1 資料來源

本文選取的繭場水文站1971—2017年逐日平均流量及最大最小流量等，來源于《遼寧省水文年鑒》，所有資料已經(jīng)遼寧省水文水資源勘測局審查并整編，資料來源可靠。因該站1963—1970年停測，徑流序列長度為1971—2017年的47年。

1.2 分析方法

1.2.1變差系數(shù)和年際極值比

河川徑流是隨時(shí)間變化的水文現(xiàn)象，由于受天文、地理、氣象及人類活動(dòng)等多種因素影響，變化十分復(fù)雜。研究徑流的年際變化，常用的方法有變差系數(shù)、年際極值比等。當(dāng)變差系數(shù)和年際極值比大時(shí)，表示徑流的年際豐枯變化劇烈，易發(fā)生洪澇災(zāi)害，對(duì)水資源開發(fā)利用有不利的一面；當(dāng)變差系數(shù)和年際極值比小時(shí)，表示徑流的年際變化平緩，有利于徑流資源的利用。

變差系數(shù)Cv的計(jì)算式為：

(1)

式中，Ki—模比系數(shù)，即第i年的年徑流量與平均年徑流量的比值；n—系列長度。

年際極值比的計(jì)算公式為：

(2)

式中，Wmax、Wmin—最大、最小年徑流量。

1.2.2距平百分率及累積距平曲線

河川徑流年際變化有豐平枯的規(guī)律，可用距平百分率及累積距平曲線來判斷。

依據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》劃分豐平枯，劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 年徑流豐平枯水年劃分標(biāo)準(zhǔn)

距平百分率計(jì)算公式為：

(1)

河川徑流年際變化具有階段性特征，可用累積距平曲線來表示。即計(jì)算出每年的徑流量距平，然后逐年累加，得到一個(gè)累積序列，繪制曲線。當(dāng)曲線上升表示偏豐水年，下降表示偏枯水年，曲線坡度反映徑流的豐枯強(qiáng)度。

1.2.3 滑動(dòng)平均法

滑動(dòng)平均法又稱移動(dòng)平均法，是根據(jù)時(shí)間序列資料，逐項(xiàng)推移，依次計(jì)算包含一定項(xiàng)數(shù)的序時(shí)平均值，以反映長期趨勢的方法。利用滑動(dòng)平均分析河川徑流年際整體趨勢特征，能消除研究序列的波動(dòng)影響，較直觀的分析徑流序列在某一時(shí)段內(nèi)變化的整體趨勢和局部特征。滑動(dòng)平均表達(dá)式為：

(2)

式中，k—滑動(dòng)長度，本文取10年；j=1，2，，n-k+1。

2 徑流變化分析

2.1 徑流年際變化

2.1.1 變化幅度

對(duì)繭場水文站1971—2017年徑流進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其年徑流特征值見表2。

繭場水文站最大年徑流為7.98×108m3，最小年徑流為0.43×108m3，最大年徑流與最小年徑流比Cm為18.73，變差系數(shù)Cv為0.70。由此可見，繭場水文站年徑流變幅較大，變化劇烈。尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以后，豐枯變化更為劇烈，最大年徑流出現(xiàn)在2012年，最小年徑流出現(xiàn)在2000年。按年徑流量大小排序，后5位中有4年是發(fā)生在2000年及以后。

2.1.2 整體變化趨勢

繭場水文站徑流序列在1971—2017年期間的變化整體趨勢如圖1所示的10年滑動(dòng)平均過程圖?？梢娔陱搅髯兓恼w趨勢是20世紀(jì)70年代中期至21世紀(jì)2000年代中期為下降趨勢，2004年之后進(jìn)入5年的上升階段，2010年之后進(jìn)入下降期。

圖1 繭場水文站年徑流量與相應(yīng)10年滑動(dòng)平均過程圖

2.1.3 豐枯變化

依據(jù)距平百分率劃分豐水年、平水年及枯水年的標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)繭場水文站徑流系列豐、平、枯水年次數(shù)，豐水年和偏豐水年統(tǒng)計(jì)為豐水年，枯水年和偏枯水年統(tǒng)計(jì)為枯水年，見表3。

由表3可知，繭場水文站47年徑流系列中，豐水年出現(xiàn)19次，占40.4%；平水年出現(xiàn)4次，占8.5%；枯水年出現(xiàn)24次，占51.1%。連續(xù)2年以上豐水年組出現(xiàn)4次，最大連豐年數(shù)5年；連續(xù)2年以上枯水年組出現(xiàn)5次，最大連枯年數(shù)6年。

表2 繭場水文站徑流變化特征值(1971—2017年)

表3 繭場水文站豐、平、枯水年次數(shù)統(tǒng)計(jì)

總體是枯水年出現(xiàn)的概率大于豐水年，且連續(xù)枯水4年以上的占60%。

繭場水文站年際徑流變化的階段性用累積距平曲線表示，如圖2所示。

圖2 繭場水文站年徑流量累積距平曲線

圖2曲線清晰反映了繭場水文站徑流豐枯交替變化的階段性。1980—1988年積累曲線出現(xiàn)交替上升或下降，說明這一時(shí)段內(nèi)豐水和枯水交替出現(xiàn)，且持續(xù)時(shí)間不長，一般不超過2年；1973—1979年、1994—1996年、2010—2013年連續(xù)上升，為連續(xù)豐水期，最短持續(xù)3年，最長7年；1989—1993年、1997—2009年、2014—2017年連續(xù)下降，為連續(xù)枯水期，最短持續(xù)4年，最長13年。由此說明，繭場水文站徑流年際變化具有較顯著的豐枯交替特征。

2.2 徑流年代變化

繭場水文站年代徑流特征值統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表4。分析其年代徑流變化，可見20世紀(jì)70年代為豐水，枯水年出現(xiàn)2次，豐枯變化不劇烈；20世紀(jì)80年代為平水，枯水及偏枯水年出現(xiàn)4次，平水年出現(xiàn)2次，豐枯變化較劇烈；20世紀(jì)90年代為平水，枯水及偏枯水年出現(xiàn)5次，平水年出現(xiàn)2次，豐枯變化不劇烈；2000—2009年為枯水，只有1年為偏豐水，其余均為枯水及偏枯水年，處于1997—2009年長達(dá)13年的枯水期；2010年—現(xiàn)在為豐水，8年中豐枯水年數(shù)各占一半，豐枯變化最劇烈。

2.3 徑流年內(nèi)變化

圖3 繭場水文站徑流年內(nèi)分配過程線

繭場水文站徑流年內(nèi)變化主要采用各月徑流量占年徑流量的百分比、變化幅度、各月徑流變差系數(shù)及徑流過程線來分析。繭場水文站多年平均徑流量年內(nèi)分配見表5、各月徑流量Cv見表6，徑流年內(nèi)分配過程線如圖3。由表5和圖3可以看出，繭場水文站徑流年內(nèi)分配不均，月徑流量最大的是8月份，占年徑流量的44.01%，其次是7月份，占23.61%，月徑流量最小的是2月份，占年徑流量的0.73%；汛期(6—9月)徑流量占年徑流量的81.90%，7—8月徑流量占年徑流量的67.62%。多年平均徑流年內(nèi)分配過程線呈單峰型，陡漲陡落，峰值出現(xiàn)在每年的8月份，谷值出現(xiàn)在每年的2月份；各年代平均徑流年內(nèi)分配過程線峰型非常相似，均呈單峰型，除20世紀(jì)70年代峰值出現(xiàn)在7月份外，其它年代峰值均出現(xiàn)在8月份，谷值均出現(xiàn)2月份；20世紀(jì)70年代峰值最大，2000—2009年峰值最小，其它年代在多年均值上下，這與徑流年代豐枯規(guī)律吻合。

表5 繭場水文站多年平均徑流量年內(nèi)分配(1971—2017年) 單位：108m3

表6 繭場水文站各月徑流量Cv

從表6的各月變差系數(shù)Cv值來分析，6月份Cv值最大，為1.74，徑流年際變化最為劇烈，2月份Cv值最小，為0.33，徑流年際變化相對(duì)穩(wěn)定；4—7月及11月的Cv值都大于1.0，3月、8—10月及12月接近或略大于年徑流Cv值0.70，1—2月份略小于年Cv值的一半。由此可見，各月徑流年際變化差異較大，1—2月較平穩(wěn)，4—7月及11月較劇烈，其它月份相對(duì)平穩(wěn)，有個(gè)別年份變化劇烈。

采用相對(duì)變化幅度和絕對(duì)變化幅度分析繭場水文站徑流年內(nèi)變化，計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 繭場水文站年內(nèi)月平均徑流量變化幅度

從多年均值的相對(duì)變化幅度為60.11來看，繭場水文站徑流年內(nèi)各月變化較劇烈。從各年代變幅來看，20世紀(jì)90年代相對(duì)變化幅度最大，20世紀(jì)70年代次之，2000—2009年最?。唤^對(duì)變化幅度則是70年代和2010—現(xiàn)在并列第一，2000—2009年最小。

3 結(jié)語

(1)繭場水文站年徑流變化的整體趨勢是2004年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，之前為下降趨勢，之后為小幅升降趨勢。

(2)徑流年際變化較大，具有較顯著的豐枯交替特征，豐水年組最長持續(xù)7年，枯水年組最長持續(xù)13年，說明繭場水文站徑流量易發(fā)生長期枯水現(xiàn)象，對(duì)水資源利用不利。

(3)徑流年內(nèi)分配極不均勻，季節(jié)性明顯，冬季枯，夏季豐，7—8月份易發(fā)生洪澇災(zāi)害。

(4)繭場水文站徑流變化分析結(jié)果可為碧流河流域水資源開發(fā)利用和大連城市供水安全提供科學(xué)依據(jù)。