云南省徑流年內(nèi)變化特性研究

谷桂華，李學(xué)輝，余守龍，段路松

(1.云南省水文水資源局玉溪分局，云南 玉溪 653100；2.云南省水文水資源局，云南 昆明 650106；3.云南省水文水資源局臨滄分局，云南 臨滄 677000)

受季節(jié)影響，云南徑流的年內(nèi)分配不均勻，一般呈現(xiàn)單峰變化，部分地區(qū)有雙峰過程。徑流的年內(nèi)分配不均對人類的生產(chǎn)生活影響很大，特別是對防汛抗旱、水利工程建設(shè)、水資源調(diào)度、水資源配置等均有直接影響。隨著水資源開發(fā)利用程度不斷提高，人類活動對徑流的影響日益顯著，徑流的不確定性更突出；在氣候變化與人類活動的雙重驅(qū)動下，流域徑流特性也隨之發(fā)生相應(yīng)變化。因此,開展變化環(huán)境下的徑流年內(nèi)變化特性研究,是水文特性研究的一項必要工作。劉學(xué)鋒等[1]應(yīng)用有序聚類法等和HBV模型研究了氣候變化和人類活動對灤河流域人類活動影響期間徑流的定量影響程度，認為隨著人類活動影響的加劇,氣候變化對灤河流域徑流的影響在逐漸減弱,人類活動對該流域的影響在增強；谷桂華等[2]應(yīng)用分離評判法定量評價了氣候變化和人類活動對南盤江上游徑流的變化影響，人類活動對徑流的年內(nèi)分配影響主要表現(xiàn)在月徑流的均勻化和峰值的坦化現(xiàn)象上；鐘華昱等[3]采用多方法、多維度綜合分析了變化環(huán)境下漢江流域徑流的時空演變規(guī)律。以上研究大都偏重于從年的尺度去分析和揭示徑流演變規(guī)律，雖然能夠很好的反映徑流的漸進變化，但對于河流生態(tài)需水要求、水資源利用與保護以及美麗河湖建設(shè)等工作，還需對徑流的年內(nèi)變化特點進行具體分析。

目前，水資源評價中常用最大4個月徑流占年徑流總量的比例、汛期和非汛期比例、年內(nèi)分配過程線等表示徑流年內(nèi)分配狀況。也有不少學(xué)者利用集中度等相關(guān)指標(biāo)研究徑流在年內(nèi)的不均勻性：李艷等[4]利用徑流年內(nèi)分配不均勻性、集中程度等指標(biāo)研究了北江流域徑流年內(nèi)分配變化規(guī)律；王金星等[5]對中國六大流域徑流的年內(nèi)分配不均勻性和集中度進行了變化趨勢分析；田黎明等[6]利用徑流年內(nèi)分配不均勻性、集中度等指標(biāo)分析了白龍江流域上游徑流年內(nèi)分配變化規(guī)律；張曉曉等[7]應(yīng)用年內(nèi)分配比例、年內(nèi)不均勻系數(shù)、集中度和集中期、變化幅度等指標(biāo)，分析了疏勒河上游徑流年內(nèi)變化規(guī)律；馬正耀[8]以徑流的年內(nèi)百分比、不均勻系數(shù)、集中度等不同指標(biāo)，具體分析了黑河徑流年內(nèi)分配的變化規(guī)律。由于徑流集中度、集中期能夠充分定量地表征徑流在年內(nèi)分配的非均勻性[9]，本文利用年內(nèi)不均勻系數(shù)、集中度和相對變化幅度等指標(biāo)，對云南60多年實測徑流資料進行分析，研究徑流年內(nèi)分配變化特性，可為省內(nèi)水旱災(zāi)害研究、流域水資源管理、水生態(tài)保護和水資源開發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

云南省地處中國西南邊陲，位于青藏高原東南側(cè)，地勢高聳，山高谷深，地形地貌極為復(fù)雜。全省1956—2016年平均自產(chǎn)水資源量2 141億m3，多年平均徑流深558.8 mm。徑流總的分布規(guī)律是：西多東少、南多北少；同時由于幾條近似南北走向的大山脈對氣流的阻隔，徑流深地帶分布呈現(xiàn)出明顯的高低相間特點，主要表現(xiàn)為河谷小、山區(qū)大。云南徑流深超過800 mm的區(qū)域主要分布在碧羅雪山以西、伊洛瓦底江等區(qū)域，無量山、哀牢山南段和中越、中老國境線一帶和滇東北的高山地區(qū)也有分布；200～800 mm范圍主要分布在瀾滄江流域的絕大部分地區(qū)及金沙江下段、珠江、紅河等地區(qū)；滇中壩子和河谷地區(qū)徑流深不足200 mm，是云南水資源最匱乏地區(qū)。由于復(fù)雜的自然地理及“立體氣候”的影響，年徑流垂直變化也十分明顯[10]。

根據(jù)流域代表性，在長江、珠江、紅河、瀾滄江、怒江和伊洛瓦底江六大流域共選用 9個代表站進行分析，各站均具有56年以上實測月年徑流資料，代表站基本情況見表1。

表1 各流域水文代表站基本情況

1.2 方法

1.2.1不均勻性

徑流不均勻系數(shù)Cu是分析徑流年內(nèi)變化的一個重要指標(biāo)，Cu值越大,各月徑流量與月平均徑流量差異越大,說明徑流的年內(nèi)分配越不均勻[11]。

徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cu的表達式為：

Cu=σ/R

(1)

式中Ri——各月徑流量,萬m3；R——月平均徑流量，萬m3。

1.2.2集中程度

徑流集中程度Cn是河川徑流年內(nèi)分配集中程度的一種統(tǒng)計指標(biāo)，即表示徑流量年內(nèi)分配集中的程度[12]。本文按月為時間尺度分析年內(nèi)分配的集中程度，以月徑流量大小為向量長度，所處的月份為向量方向，以每個月的中間日期(約為15°)作為該月向量的方向。各月代表的角度1月為15°、2月為45°、3月為75°,其余各月角度均按30°累加。集中度表示徑流年內(nèi)不均勻分布的狀況，Cn越接近1表示徑流越集中在某幾個月，為0則表示年徑流平均分配在12個月。

集中度Cn表達式為：

(2)

式中Ri——各月徑流量；R——合成量。

12個月的分量和構(gòu)成合成量的水平、垂直分量為：

1.2.3相對變化幅度

徑流年內(nèi)變化幅度對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水影響很大，本文用極大比Cmax和極小比Cmin表示,分別為最大月平均流量Qmax和最小月平均流量Qmin與年內(nèi)月平均流量Q(單位均為m3/s)之比，計算公式為:

Cmax=Qmax/Q,Cmin=Qmin/Q

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 年內(nèi)變化分析

2.1.1指標(biāo)分析

根據(jù)式(1)、(2)、(3)計算各水文代表站不同年段的年內(nèi)徑流分配不均勻系數(shù)Cu、集中度Cn、極大比Cmax和極小比Cmin，各指標(biāo)分析結(jié)果見表2。

表2 各代表站不同年段徑流年內(nèi)變化指標(biāo)

2.1.2年內(nèi)變化特性

a)從多年平均徑流年內(nèi)分配過程看，以塘上站為代表的滇西北地區(qū)的多年平均Cu為0.55，為全省Cu較小區(qū)域，說明該區(qū)域徑流年內(nèi)分配較為均勻；以地索站和小龍?zhí)墩緸榇淼牡嶂械貐^(qū)多年平均Cu大于1.0，說明該區(qū)域徑流年內(nèi)分配極不均勻；其他流域區(qū)域多年平均Cu在0.67～0.76之間。從多年平均集中度Cn看，集中程度較高的區(qū)域也是滇中缺水地區(qū)(以小龍?zhí)?、地索站為代表的區(qū)域)，集中度Cn值超過0.6。

b)從1956—1980年、1981—2000年、2001—2016年3個不同時段徑流平均年內(nèi)分配過程看，全省各階段Cu總體為下降趨勢，下降幅度在0.01～0.18之間，其中道街壩站Cu下降幅度最小，為0.01；江邊街、允景洪和豆沙關(guān)Cu下降幅度較大，分別為0.18、0.17和0.13；說明全省徑流年內(nèi)分配在逐漸向均勻化演變，其中滇西片怒江流域均勻化演變不明顯，滇東珠江流域、滇南瀾滄江流域和滇東北長江流域均勻化較為明顯。從不同年代階段Cn看，均勻化較明顯的是滇南瀾滄江允景洪和滇東珠江江邊街站，2001—2016年比1980年以前Cn下降幅度分別為0.13和0.11。

c)除了滇西怒江流域的道街壩站不同年代月徑流極大比Cmax微增0.03外，其他站均為減小，減小幅度在0.03～0.46之間，其中江邊街、允景洪和豆沙關(guān)站下降幅度較大，分別為0.46、0.43和0.24。不同年代徑流年內(nèi)極小比Cmin基本呈逐漸增大趨勢，其中允景洪、江邊街和豆沙關(guān)增長幅度較大。因此，滇東珠江流域、滇南瀾滄江流域和滇東北長江流域的徑流年內(nèi)分配極大比Cmax總體在減小，極小比Cmin總體在增大。

d)全省多年平均年內(nèi)徑流主要集中在7、8、9月，其中以拉賀練、道街壩站為代表的滇西片伊洛瓦底江、怒江流域年內(nèi)最大徑流出現(xiàn)在7月，其他區(qū)域年內(nèi)最大徑流基本出現(xiàn)在8月；以塘上站為代表的滇西北瀾滄江流域年內(nèi)徑流出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象，即除了8月出現(xiàn)最大峰值外，在4月也有一個徑流次峰；以地索站和小龍?zhí)墩緸榇淼牡嶂虚L江流域、紅河流域片，徑流集中程度較高，8月徑流占全年徑流的24.6%～27.2%，其他區(qū)域8月(7月)徑流占全年徑流的15.2%～19.7%,見圖1。

圖1 代表站徑流多年平均年內(nèi)分配過程

e)全省不同年段徑流年內(nèi)分配過程特點表現(xiàn)為：1980年以后分配過程比1980年以前過程平緩，其中江邊街和允景洪站變化(坦化)最明顯，見圖2、3。

圖2 江邊街站不同年段年內(nèi)徑流年內(nèi)分配過程

圖3 允景洪站不同年段年內(nèi)徑流年內(nèi)分配過程

2.2 年內(nèi)變化影響因素

2.2.1人類活動影響

對瀾滄江流域和珠江流域主汛期(7—9月)的降水、徑流占全年百分比的變化情況進行分析，見表3。2000年后，瀾滄江流域的水電建設(shè)逐步加大，目前干流水電站總庫容達500多億m3，占流域水資源量的70%以上；珠江流域一直是云南人口密集、經(jīng)濟社會較發(fā)達的地區(qū)，經(jīng)濟社會用水需求較大，水資源開發(fā)利用率是云南最高的流域。從表3中可以看出，2001—2016年段與1956—1980年段相比，瀾滄江流域和珠江流域主汛期降水占全年比的變化率都不大，如瀾滄江流域的降水變化率2.3%，遠小于徑流變化率-17.5%，說明徑流年內(nèi)均勻化主要是被水電工程調(diào)蓄。珠江流域的降水變化率-7.7%，也小于徑流的變化率-12.9%；這除了2000年以后兩次大旱對徑流的影響外，經(jīng)濟社會用水對徑流年內(nèi)變化也有較大影響。因此，人類活動是徑流年內(nèi)分配均勻化和削峰填谷的主要影響因素。

表3 流域主汛期(7—9月)降水和徑流占全年比變化率 單位：%

2.2.2氣候變化影響

為分析氣候變化對徑流的影響程度，選用降水因子對瀾滄江流域和珠江流域的不均勻系數(shù)的一致性和差異性進行對比分析。在瀾滄江流域和珠江流域分別選擇28、39個具有1956—2016年系列的降水代表站以及流域控制站允景洪和江邊街水文站，分析降水和徑流的年內(nèi)分配變化情況，見表4。從中可以發(fā)現(xiàn)，2001—2016年段與1956—1980年段相比，瀾滄江流域和珠江流域的降水年內(nèi)不均勻系數(shù)在不同年段變化都不明顯，Cu僅上升了0.02；但徑流不同年段的不均勻系數(shù)變化卻很大，Cu分別下降了0.17和0.18。這在一定程度上說明，以降水為代表的氣候因素影響對徑流的年內(nèi)分配均勻化作用不明顯。

表4 流域年內(nèi)降水和徑流不均勻系數(shù)Cu分析成果 單位：%

從降水和徑流的年內(nèi)分配變化分析結(jié)果可看出，隨著經(jīng)濟社會用水需求的增加和水利工程控制能力的增強，人類活動對徑流的影響將越來越大；從瀾滄江流域上、下游站的徑流年內(nèi)不均勻系數(shù)Cu變化來看，2001—2016年段與1956—1980年段相比，上游塘上站下降了0.06，下游允景洪站下降了0.17，說明上、下游徑流年內(nèi)過程分配均勻化趨勢的發(fā)展與流域內(nèi)水資源開發(fā)利用程度逐漸增強、水利工程對徑流調(diào)節(jié)力度不斷增大有關(guān)。隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展，人類活動對徑流起到了削峰填谷作用，使下游枯期徑流增加，汛期徑流減少[13-14]；這種變化對河道水文天然態(tài)勢有較大影響，同時會改變河流水生生物多樣性發(fā)展?fàn)顩r[15-16]。

3 結(jié)論與討論

a)云南省多年平均徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cu在0.55～1.21。其中，滇西北區(qū)域的徑流年內(nèi)分配較為均勻，滇中長江流域中部和紅河流域上游等缺水地區(qū)的徑流年內(nèi)分配極不均勻。

b)從各年代徑流不均勻系數(shù)Cu和集中度Cn比較，兩系數(shù)總體為下降趨勢；其中，瀾滄江和南盤江下游徑流變化最明顯，瀾滄江允景洪站Cu減少0.17，Cn減少0.13；南盤江江邊街站Cu減少0.18，Cn減少0.11；長江流域豆沙關(guān)Cu減少0.13，Cn減少0.09。從各區(qū)域分布看，滇西怒江流域均勻化演變不明顯，滇南瀾滄江流域、滇東珠江流域和滇東北長江流域的徑流年內(nèi)分配均勻化較為明顯。

c)各月徑流的相對變化幅度顯示，極大比Cmax為減少趨勢，極小比Cmin為增大趨勢；說明各地區(qū)徑流最大月占的比重減少，枯季最小月的徑流增大，徑流年內(nèi)分配過程有坦化現(xiàn)象，最明顯的是滇東珠江流域和滇南瀾滄江流域。

d)云南省徑流主要集中在7、8、9月，其中伊洛瓦底江、怒江年內(nèi)最大徑流出現(xiàn)在7月，其他區(qū)域年內(nèi)最大徑流基本出現(xiàn)在8月。滇中長江流域和紅河流域徑流集中程度較高，8月徑流占全年徑流的24.6%～27.2%，其他區(qū)域8月(7月)徑流占全年徑流的15.2%～19.7%。

本文從實測資料分析徑流年內(nèi)變化的基本特征，揭示人類活動對云南省徑流年內(nèi)分配的影響，各指標(biāo)變化顯示，徑流的年內(nèi)分配有均勻化趨勢。徑流年內(nèi)過程分配均勻化趨勢與流域內(nèi)水資源開發(fā)利用程度逐漸加大、水利工程對徑流調(diào)節(jié)能力不斷增強有關(guān)；水利工程對徑流的調(diào)節(jié)起到削峰填谷作用，是年內(nèi)徑流分配過程坦化的主要因素。徑流年內(nèi)分配的均勻化和年內(nèi)峰值的坦化，一定程度減輕了流域下游的防汛抗旱壓力，并有利于滿足下游地區(qū)經(jīng)濟社會的用水需求。

云南省徑流年內(nèi)分配不均勻，隨著流域水資源開發(fā)利用程度加大，徑流的年內(nèi)分配過程有均勻化趨勢，特別是2000年以后；云南六大流域中，水電開發(fā)影響較大的瀾滄江流域均勻化趨勢最顯著，其次開發(fā)利用程度較高的長江流域和珠江流域均勻化趨勢也較明顯。分析結(jié)果展現(xiàn)了長江、珠江和瀾滄江等流域徑流的現(xiàn)狀和變化趨勢，為流域水資源管理和保護提供參考依據(jù)，對美麗河湖建設(shè)有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。但人類活動對徑流影響及其變化機制較復(fù)雜，未來可加強氣候變化和人類活動對徑流影響的貢獻率、水電群開發(fā)對徑流影響機制等方面的研究。