烏倫古湖流域徑流對(duì)降水影響的模擬分析

劉 婕

（新疆阿勒泰水文勘測(cè)局，新疆 阿勒泰 836500）

1 流域概況與研究數(shù)據(jù)

1.1 流域概況

烏倫古湖流域地處新疆阿勒泰區(qū)域。流域主要包括大青河、基什克奈青格里河、查干郭勒河、強(qiáng)罕河、布爾根河等主要河流，最后匯流入新疆烏倫古湖，烏倫古湖流域源頭是海拔3683 m的都新烏拉山脈，山脈主要分布著1.25 km2的永久性冰川，烏倫古湖流域總面積38872 km2，其中我國境內(nèi)流域面積約28562 km2，流域全長832 km。烏倫古湖流域境內(nèi)部分具有我國干旱區(qū)的顯著特征，地處歐亞大陸腹地，距離海洋較遠(yuǎn)，流域四周高山纏繞，海洋水汽難以進(jìn)入的同時(shí)，山區(qū)便成為典型的產(chǎn)匯流區(qū)域，冬季嚴(yán)寒而漫長，每年11月～次年3月的降水主要以季節(jié)性積雪型式存在，在冬季冰封期內(nèi)，主要由凍土層以下的地下水進(jìn)行流域水量補(bǔ)給，水量較為穩(wěn)定；5月～6月隨著區(qū)域溫度的上升，冰雪消融后匯入流域河槽引發(fā)春汛。

1.2 研究數(shù)據(jù)

選取烏倫古湖流域內(nèi)布爾根河塔克什肯、青河、二臺(tái)、福海四個(gè)國家基本水文站、富蘊(yùn)、福海、頂山三個(gè)氣象測(cè)站以及1989年～2010年降水、蒸發(fā)、徑流、冰清、水質(zhì)等實(shí)測(cè)資料，進(jìn)行流域降水對(duì)徑流的影響分析。1989年～2010年氣象因子的日值數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)所提供的新疆地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集以及中國地面降水日值0.5°×0.5°格點(diǎn)數(shù)據(jù)集。

2 研究方法與研究過程

2.1 流域產(chǎn)匯流模型

由美國環(huán)保署所開發(fā)的HSPF水文模擬模型適用于空間差異較大的大型流域自然與人工條件下水文水質(zhì)過程的連續(xù)模擬以及氣候變化、土地開發(fā)對(duì)流域水文水質(zhì)時(shí)空變異的影響預(yù)測(cè)。降水變化將對(duì)流域徑流模擬結(jié)果產(chǎn)生較大影響，為減小氣象數(shù)據(jù)空間分辨率不同對(duì)烏倫古湖流域水文模型建模的影響，筆者采取中國地面降水日值0.5°×0.5°格點(diǎn)數(shù)據(jù)集[1]作為研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)偏差法以及相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行模型模擬效果評(píng)估，具體模型如下。當(dāng)ENS越接近1時(shí)，則Dv越接近0，且Dv在觀測(cè)值10%范圍內(nèi)則認(rèn)為模擬效果非常好；ENS的取值應(yīng)在(0,1)范圍內(nèi)，當(dāng) ENS∈[0.9,∞)，則為甲等；ENS∈[0.7,0.9)，為乙等；ENS∈[0.5,0.7)則為丙等。

式中：Dv為標(biāo)準(zhǔn)偏差；ENS為相關(guān)系數(shù)；Qi為第i次的觀測(cè)流量，m3/s；Qi'為第 i次的模擬流量，m3/s為觀測(cè)流量均值，m3/s；n為觀測(cè)數(shù)量。

2.2 流域日降雨模擬模型

統(tǒng)計(jì)樣本選取月降水?dāng)?shù)據(jù)，將1989年～2010年降水系列劃分為12個(gè)樣本，依據(jù)馬爾科夫鏈原理[2]，某一天的降水情況僅受前天降水的影響，所以將各個(gè)降水樣本劃分為“晴天～雨天”、“雨天～雨天”樣本，并分別計(jì)算上述兩類樣本的轉(zhuǎn)移概率：

式中：P01為第i-1天為晴天，第i天為雨天的概率；P11為第i-1天為雨天，第i天也為雨天的概率；D01為晴天～雨天的天數(shù)，d；D11為雨天 ～ 雨天的天數(shù)，d；D0為晴天天數(shù)，d；D1為雨天天數(shù)，d。

根據(jù)一階馬爾科夫轉(zhuǎn)移概率及隨機(jī)變量概率分布進(jìn)行未來天氣情況的模擬與生成，假設(shè)降雨發(fā)生的概率符合0-1隨機(jī)均勻分布，通過比較隨機(jī)生成數(shù)p和當(dāng)月有雨轉(zhuǎn)移概率進(jìn)而生成天氣狀況，重復(fù)進(jìn)行p的生成便可順次進(jìn)行隨后一天的天氣情況的模擬，如果日降水量為0，則為晴天，否則為雨天，隨機(jī)生成的p值便是降水發(fā)生的概率。雨天的降水樣本則滿足皮爾遜-Ⅲ型分布，結(jié)合日降水量樣本序列便可求得降水量分布函數(shù)及變差系數(shù)、偏態(tài)系數(shù)、均值等參數(shù)取值，同時(shí)根據(jù)分布函數(shù)還可求得所對(duì)應(yīng)的日降水量值。

3 研究結(jié)果

3.1 徑流模擬結(jié)果

模型校正期與驗(yàn)證期內(nèi)的月徑流過程及結(jié)果模擬精度均較高，具體如表1，烏倫古湖流域布爾根河塔克什肯測(cè)站徑流校正與驗(yàn)證過程中的標(biāo)準(zhǔn)偏差Dv分別為0.519%和4.898%，均不足10%，模擬效果較好；ENS分別為0.934和0.887，均大于0.7，模擬等級(jí)（乙等）較高。

表1 布爾根河塔克什肯測(cè)站徑流模擬結(jié)果

3.2 降雨變化特征及隨機(jī)模擬結(jié)果

1985年～2015年烏倫古湖流域青河、二臺(tái)、福海、頂山測(cè)站年降水量呈不斷下降趨勢(shì)，而富蘊(yùn)站則呈緩慢上升趨勢(shì)（表2），根據(jù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果，僅福海站數(shù)據(jù)通過了90%的顯著性檢驗(yàn)，其余測(cè)站年降水量變動(dòng)并不明顯。對(duì)烏倫古湖流域年降水量變化特征進(jìn)行Mann-Kendall突變檢驗(yàn)與分析發(fā)現(xiàn)，青河、二臺(tái)站年降水量的突變點(diǎn)主要在1989年，從1989年開始青河、二臺(tái)降水量呈現(xiàn)明顯的減少趨勢(shì)；而頂山站年降水量突變點(diǎn)則可能在1988年，從1988年開始，頂山降水量逐漸減少，之后又有小幅上升；福海站突變點(diǎn)在1990年，從該年開始福海降水量開始減少。采用Mann-Kendall進(jìn)行烏倫古湖流域月降水量年際變化特征的統(tǒng)計(jì)分析[3]，充分表明，烏倫古湖流域典型測(cè)站月降水量變動(dòng)趨勢(shì)與其年際變化基本一致。

表2 烏倫古湖流域典型測(cè)站年降水量Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果

在分析流域降水特征的基礎(chǔ)上根據(jù)皮爾遜-Ⅲ型分布曲線構(gòu)建流域日降水隨機(jī)模型，烏倫古湖流域1989年～2010年日降水隨機(jī)模擬結(jié)果見表3，各月降水天數(shù)與實(shí)測(cè)資料之間最多相差2 d，全年最多相差12 d，各月降水量模擬值和實(shí)測(cè)值之間的相對(duì)誤差在23.91 mm～6.04 mm以內(nèi)，相對(duì)誤差在-15.31%～19.53%之間，降水模擬序列與實(shí)測(cè)序列吻合度極高[4]，模擬結(jié)果具有很高的精度，根據(jù)皮爾遜-Ⅲ型分布曲線所創(chuàng)建的日降水隨機(jī)模擬模型適合烏倫古湖流域降水變化情景模擬及其影響分析。

表3 烏倫古湖流域1989年～2010年日降水隨機(jī)模擬結(jié)果

3.3 降雨對(duì)流域徑流影響的模擬

3.3.1 對(duì)年徑流的影響模擬

不同降水情景所對(duì)應(yīng)的年徑流模擬及變化情況不同，情景一年徑流量均值變動(dòng)率為69.8%，降水量均值增加41%；情景二年徑流量均值變動(dòng)率為33.89%，降水量均值增加19.8%；情景三年徑流量均值變動(dòng)率為-31.7%，降水量均值減少19.8%；情景四年徑流量均值變動(dòng)率-62.03%，降水量均值減少40%；情景五年徑流量均值變動(dòng)率23.94%，降水量變差系數(shù)Cv增加41%；情景六年徑流量均值變動(dòng)率14.80%，降水量變差系數(shù)Cv增加19.8%；情景七年徑流量均值變動(dòng)率-4.38%，降水量變差系數(shù)Cv降低19.8%；情景八年徑流量均值變動(dòng)率-3.53%，降水量變差系數(shù)Cv降低41%。

根據(jù)日降水量和烏倫古湖流域HSPF水文模型隨機(jī)模擬結(jié)果可知，其余條件相同的情況下，降水量均值每增加20%，則年總徑流量均值將增加34.98%，而當(dāng)降水量均值每降低20%，則年總徑流量均值將降低31.82%，降水對(duì)徑流存在較為顯著的影響，即其余條件相同時(shí)，年總徑流量與降水量均值呈正向變動(dòng)趨勢(shì)，在降水量均值20%的變動(dòng)幅度以內(nèi)，烏倫古湖流域年總徑流量均值增加和降低的幅度非常接近，降水量均值增大20%所引起的年總徑流量均值增大的幅度略大于降水量均值降低20%所引起年總徑流量均值降低的幅度。

對(duì)降水量變差系數(shù)進(jìn)行情景模擬的結(jié)果顯示，烏倫古湖流域年徑流量與降水變差系數(shù)也呈正向變動(dòng)趨勢(shì)，降水變差系數(shù)是對(duì)降水量變化程度的反映，且降水變差系數(shù)增大對(duì)年徑流量變動(dòng)幅度的影響大于降水變差系數(shù)減小對(duì)年徑流量變動(dòng)幅度的影響；隨降水變差系數(shù)不斷降低，年總徑流量均值的變化幅度逐漸減小。通過對(duì)日降水量和烏倫古湖流域HSPF水文隨機(jī)模擬可知，降水變差系數(shù)每增大20%，則年總徑流量均值將增大14.80%，降水變差系數(shù)每降低20%，則年總徑流量均值將降低4.83%，降水變動(dòng)越劇烈，則徑流量越大。

3.3.2 對(duì)月徑流的影響模擬

不同降水情景所對(duì)應(yīng)的月徑流變動(dòng)情況見圖1和圖2，月徑流量與降水均值和降水變差系數(shù)Cv呈同向變動(dòng)趨勢(shì)，而且降水均值變化所引起的月徑流均值變化幅度大于降水變差系數(shù)Cv變化所引起的月徑流均值變化，這仍表明降水不均勻?qū)搅鞔嬖谳^大影響，而且降水不均勻變動(dòng)幅度的增大也將導(dǎo)致徑流量增大。

根據(jù)月徑流量分布及變化趨勢(shì)來看，降水均值和降水變差系數(shù)Cv變化在豐水期對(duì)月徑流量的影響程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于枯水期，降水均值和降水變差系數(shù)Cv情景變化對(duì)月徑流量變動(dòng)的影響在5月～9月最為顯著。

圖1 降水均值變化情景所對(duì)應(yīng)的月徑流均值模擬結(jié)果（塔克什肯站）

圖2 降水變差系數(shù)Cv變化情景所對(duì)應(yīng)的月徑流均值模擬結(jié)果（塔克什肯站）

4 結(jié)論

上述對(duì)烏倫古湖流域不同降水情景所對(duì)應(yīng)的徑流量變動(dòng)情況的分析表明，降水對(duì)流域徑流存在較為顯著的影響，隨降水均值及降水變差系數(shù)的增減月徑流量也發(fā)生相應(yīng)的增減。在所設(shè)定的情景之中，降水量均值變動(dòng)幅度相同則徑流變動(dòng)幅度也大致相近，降水變差系數(shù)增大對(duì)徑流的影響比其減小對(duì)徑流的影響更加顯著，這表明降水強(qiáng)度也對(duì)徑流變化存在較大影響；在降水變動(dòng)幅度相同時(shí)，降水均值變化對(duì)徑流的影響比降水變差系數(shù)影響更大，上述降水情景對(duì)徑流的影響程度在每年5月～9月最為明顯。