嘉陵江談家莊站徑流空間分布及演變規(guī)律研究

崔延芳

(甘肅省隴南水文水資源勘測(cè)局，甘肅 成縣 742500)

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展離不開(kāi)水資源，水資源已經(jīng)成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素，水資源的空間分布制約著區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。在一些水資源匱乏的地區(qū)，這種現(xiàn)象更加明顯。特定的水源具有特定的水資源分布空間[1-4]，李怡穎、范繼輝、廖瑩[5]利用Spearman相關(guān)分析、Mann-Kendall對(duì)嘉陵江北碚水文站的徑流、泥沙進(jìn)行了分析，李姝玙[6]基于GIS軟件DEM法對(duì)嘉陵江下游的徑流量及水資源空間分布進(jìn)行了成因分析，孟鋮鋮[7]構(gòu)建了SWT水文模型，通過(guò)主成分分析、聚類分析法及線性回歸法對(duì)嘉陵江徑流量模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)年內(nèi)分配極不均勻。但是，對(duì)于嘉陵江上游的徑流空間分布和演變規(guī)律研究相對(duì)較少，本文使用嘉陵江干流談家莊水文站的長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)資料對(duì)徑流的空間分布及變化規(guī)律進(jìn)行研究，為區(qū)域內(nèi)水資源合理利用提供依據(jù)。

1 流域概況

嘉陵江古稱西漢水，屬長(zhǎng)江第二大支流，流域面積15.98萬(wàn) km2，干流全長(zhǎng)1 120 km，高差2 300 m，河道平均比降2.05‰，嘉陵江上游主要包括甘肅省天水、隴南、甘南3市(州)，干流主要是甘肅境內(nèi)徽縣、兩當(dāng)縣，流域面積6 925 km2，全長(zhǎng)86.2 km。

圖1 嘉陵江流域水系圖

嘉陵江干流自陜西鳳縣西南流入兩當(dāng)，經(jīng)西坡兩河口入境，至站兒巷西界區(qū)出境入徽縣，沿河屬地鄉(xiāng)鎮(zhèn)有西坡鎮(zhèn)、站兒巷鎮(zhèn)、顯龍鄉(xiāng)，境內(nèi)流長(zhǎng)46 km，落差160 m，平均河寬160 m。兩當(dāng)段嘉陵江干流流域內(nèi)海拔高程在780～1 035 m之間，河床為砂礫結(jié)構(gòu)。境內(nèi)嘉陵江主要支流有紅崖河、兩當(dāng)河、云屏河、三渡水等，共計(jì)137.6 km。

嘉陵江出兩當(dāng)縣后進(jìn)入徽縣，是徽縣境內(nèi)最大的河流，縱貫縣境東部，沿河屬地鄉(xiāng)鎮(zhèn)有嘉陵鎮(zhèn)、虞關(guān)鄉(xiāng)，境內(nèi)自嘉陵鎮(zhèn)大山村明洞口至虞關(guān)鄉(xiāng)吳王城長(zhǎng)40.2 km?；湛h境內(nèi)嘉陵江一級(jí)支流21條，長(zhǎng)317.9 km；二級(jí)支流177條，長(zhǎng)792.3 km；三級(jí)支流279條，長(zhǎng)758.2 km；四級(jí)支流136條，長(zhǎng)298.6 km；五級(jí)支流29條，長(zhǎng)51.7 km。

研究表明[8]，嘉陵江上游多年平均自產(chǎn)水量0.403 11億 m3，占全縣多年平均自產(chǎn)水資源量的11.3%；多年平均過(guò)境水量4.023 53億 m3，占全縣過(guò)境水資源量的49.9%；干流區(qū)地表水量為4.426 64億 m3，占全縣地表水資源量的38.1%?；湛h境內(nèi)嘉陵江干流面積289 km2，年徑流總量14.632 7億 m3，自產(chǎn)水量0.687 5億 m3，占全縣多年平均自產(chǎn)水資源量的10.7%；入境水量8.449億 m3，占全縣入境水資源量的68.7%；出境水量14.366億 m3，占全縣出境水資源量的78.5%；干流區(qū)地表水量為9.136 5億 m3，占全縣地表水資源量的48.8%。本文通過(guò)對(duì)嘉陵江談家莊站的徑流演變進(jìn)行分析，對(duì)該區(qū)域水資源合理利用有效保障技術(shù)支撐。

2 資料與方法

2.1 資料收集

干流設(shè)有水文站兩座，茨壩水文站和談家莊水文站，均屬省界斷面。茨壩站位于兩當(dāng)縣西坡鎮(zhèn)，談家莊站位于徽縣嘉陵鎮(zhèn)，屬嘉陵江上游控制站，兩站之間相距100 km左右。本次共收集到談家莊站降水資料42站年、徑流42站年。為了資料能達(dá)到使用要求，使用相關(guān)分析法，對(duì)漏測(cè)資料進(jìn)行插補(bǔ)，經(jīng)分析，系列一致，精度能滿足要求。

2.2 研究方法

研究過(guò)程中主要采用常用的分析方法進(jìn)行分析，徑流年內(nèi)分配采用集中度、集中期分析法[9]；采用輪次分析法[10]對(duì)談家莊站徑流量豐、平、枯程度分析；用線性回歸法對(duì)徑流變化趨勢(shì)進(jìn)行分析[11]，趨勢(shì)檢驗(yàn)采用Mann-Kendal非參數(shù)檢驗(yàn)。

3 徑流年內(nèi)變化規(guī)律研究

3.1 研究方法

集中度、集中期是反映年內(nèi)徑流量集中程度的重要指標(biāo)[13-14]，集中度主要是指徑流量在年內(nèi)的集中程度，集中期主要是指集中的時(shí)間和方位，按照徑流量的的水平、垂直分量的所占的比例來(lái)衡量徑流量的程度。對(duì)每年中每月的徑流量按照和兩個(gè)方向，計(jì)算出方位角分別是0°、30°、60°、......330°[15]，按照下列計(jì)算公式對(duì)嘉陵江上游兩站的徑流量年內(nèi)分配集中度、集中期及徑流年內(nèi)分配不均勻性進(jìn)行估算。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：R為年徑流量，Rx、Ry為水平、垂直分量，Cv為不均勻系數(shù)。

3.2 年內(nèi)分配

將該站徑流實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分組，按照5 a為一組的方法，談家莊站可以分成8組，算出每組的平均年徑流量，點(diǎn)繪該站不同時(shí)代逐月平均流量關(guān)系曲線(圖2)，從圖2 可以看出，平均流量呈階梯狀增加趨勢(shì)。1-3月份，平均流量趨于緩和，變化不明顯，流量趨于穩(wěn)定，4-6月份，流量逐漸增大，7-10月，屬全年流量最大期，主要受上游降水影響，由于降水主要集中在6-10月，尤其是7-9月，在這一帶，多發(fā)性暴雨持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致流量增大；1980-1984年間，平均流量屬最大，主要是在1981年，流域內(nèi)發(fā)生歷史最大洪水導(dǎo)致。

圖2 談家莊站不同時(shí)代逐月平均流量變化趨勢(shì)

對(duì)該站多年平均流量計(jì)算，得出該站流量年內(nèi)分配表(表1)，從表1看出，徑流量主要集中在7-10月，期間徑流量占全年的68.6%，非汛期11-4月占全年徑流量的26.65%，在11-12月，水量相對(duì)穩(wěn)定，隨后進(jìn)入三個(gè)月不等的枯水期，直到4月及河流逐漸增多。

表1 談家莊站徑流量年內(nèi)分配表

3.3 集中度及不均勻性計(jì)算

按照分組及前面給出的計(jì)量公式計(jì)算，該站徑流量集中程度最大值在0.72，最小值0.23，平均值為0.47，極值比為3.1，從而證明該站徑流年內(nèi)變化較集中。徑流年內(nèi)變化平均Cv值為0.93，最大值為1.65，最小值為0.41，倍比為4.0,年內(nèi)變化較大，點(diǎn)繪年內(nèi)不均勻系數(shù)隨年際的變化曲線如圖3，Cv值變化及其明顯，說(shuō)明徑流年內(nèi)變化大，年內(nèi)分配不均。

圖3 談家莊站年內(nèi)徑流不均勻系數(shù)變化曲線

4 徑流年際變化規(guī)律分析

4.1 徑流豐枯分析

輪次長(zhǎng)和輪次和是時(shí)間序列輪次的重要特征量，對(duì)于給定的水文序列和切割水平Y(jié),就可得到M個(gè)輪次長(zhǎng)，即l1、l2、l3、…lm，同樣就有M個(gè)輪次和與之對(duì)應(yīng)，即d1、d2、d3、…dm，按照統(tǒng)計(jì)量：

(6)

(7)

(8)

可以給特定水文序列一個(gè)分割點(diǎn)，對(duì)于年徑流量來(lái)說(shuō)，這里給定多年平均流量為分割點(diǎn)Y,基于上述計(jì)算方法，可以對(duì)談家莊站的徑流的豐枯程度輪次進(jìn)行分析。

通過(guò)計(jì)算該站長(zhǎng)系列徑流資料計(jì)算，得出多年平均年徑流為11.76億 m3，計(jì)算徑流的輪次及負(fù)輪次，點(diǎn)繪輪次變化關(guān)系線如圖4，距平見(jiàn)圖5。

圖4 談家莊站年際徑流輪次變化圖

從圖4，圖5看出，該站年際徑流豐水和枯水年輪次大體相當(dāng)，最大負(fù)輪長(zhǎng)為9 a，發(fā)生在1994-2002年間。大于多年平均流量的年代數(shù)為20 a，小于多年平均流量的年代數(shù)為22 a，二者較接近，說(shuō)明該站年際徑流豐枯程度變化不大，年際徑流變化不大。通過(guò)計(jì)算計(jì)算徑流變差系數(shù)Cv，得Cv值0.55,徑流變化不大，Cv正好驗(yàn)證了的前面所述觀點(diǎn)。從圖4看出，枯水年基本以2～3 a為一個(gè)周期出現(xiàn)，但是水量相對(duì)穩(wěn)定，變化較小。

圖5 談家莊站年際徑流距平分析圖

4.2 徑流年際變化趨勢(shì)分析

點(diǎn)繪該站多年徑流量變化曲線(見(jiàn)圖6)，可得到年徑流量線性回歸方程：y=-0.206 1x+16.191，添加多項(xiàng)式，可以看出，1975-1981年，這個(gè)時(shí)期徑流量呈增大趨勢(shì)；1981-1997年，這個(gè)時(shí)期年徑流呈減少趨勢(shì)；1997-2011年又呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；2012-2019年呈減少趨勢(shì)。

圖6 談家莊站年際徑流整體變化圖

年徑流整體呈減少趨勢(shì)。主要原因是由于降水量的逐年減少，蒸發(fā)量逐年增大造成；近幾年，環(huán)境保護(hù)的力度加大，水量有所上升，目前分析來(lái)看，效果還不明顯，需要一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。利用Mann-Kendal對(duì)該站徑流減少趨勢(shì)檢驗(yàn)，結(jié)果表明：減小趨勢(shì)不顯著。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析談家莊站的徑流資料可以得出：徑流量主要集中每年在7-10月，主要受上游降水量不平衡影響，徑流年內(nèi)變化平均Cv值為0.93，年內(nèi)變化相對(duì)較大，年內(nèi)分配不均勻。在本次分析的系列資料中，豐枯水年數(shù)相當(dāng)，豐水年20 a、枯水年22 a；最大負(fù)輪長(zhǎng)為9 a，發(fā)生在1994-2002年間，這期間，為該站連續(xù)枯水年。由于蒸發(fā)量增大、降水量持續(xù)減少，徑流量呈逐年減少的趨勢(shì)，利用Mann-Kendal法對(duì)徑流減少顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果為不顯著。