祖厉河流域径流变化规律研究

任 东

(甘肃省定西水文水资源勘测局 甘肃定西 743000)

确定河流径流量的变化情况、趋势及其原因是区域水资源评价、水资源演化趋势预测的重要内容,是区域水资源规划研究的基础性工作。近年来,黄河流域年径流持续偏枯,水资源问题日益突出,气候变化和人类活动对黄河流域区域水资源的影响因此受到广泛关注。在此以祖厉河流域为研究对象,分析祖厉河流域径流变化规律及其原因,定量评价自然因素 (主要是气候变化)和人类活动对该区域水资源的影响程度。

祖厉河是黄河的一级支流,发源于甘肃省会宁县南部的华家岭北麓,干流长度220km,于甘肃省靖远县境内汇入黄河。流域属陇西黄土高原的一部分,面积为10647km2,属我国水资源三级区。

1 资料系列的确定

1.1 径流资料的选取及其代表性分析

采用靖远水文站1956～2005年时段内的实测径流量资料,作为祖厉河流域径流资料进行计算和分析。

靖远水文站是祖厉河的下游控制站,位于祖厉河流域的出口处 (河口地区),集水面积为10647km2。靖远水文站控制了祖厉河流域的全部来水量。

1.2 降水资料的选取及其代表性分析

选取祖厉河流域实测资料系列较长的华家岭、党家岘、红土等14个雨量站作为流域代表站,这些代表站分布于流域内的不同高程、不同小流域内,具有较高的代表性。将这些代表站 1960～2005年间的降水量系列资料,用各站代表的子流域面积加权平均,获得流域平均降水量 (面平均降水量)系列资料。

2 影响径流变化的因素

河道内实测径流量是自然因素与人类活动双重作用的结果。一般情况下,自然因素对径流的影响,主要是指气候因素对径流的影响,其中降水是影响径流的重要因素。人类活动对区域地表水资源量的影响主要表现在两个方面:一是河道外引用水和向河道内排水,使河道内的径流量减少或增加;二是改变了下垫面条件,使流域产汇流条件 (即水平衡要素)发生了变化,造成产流量的变化。

2.1 人类活动的影响

众所周知,由于农业灌溉、工业和城镇生活用水、鼠害、跨流域引水、河道分洪、水土保持等人类活动的影响,水文站历年的实测径流资料往往不能代表当时的天然径流量情况。在该流域内,影响径流变化的人类活动主要有水库工程、人工集雨、采矿、跨流域引水以及水土保持等。

2.1.1 水利工程对径流的影响

该流域内的主要水利工程是靖会引黄电力提灌工程,该工程于1973年建成通水,跨流域从黄河引水至祖厉河流域内,用于农业灌溉和城乡生活用水。由于有灌溉等回归水的加入,可能使流域的实测径流量有所增大。

点绘该流域1960～1972年、1973～2005年两个系列的面平均降水量与实测径流深的相关图 (见图1)。从图1中可以看出,两系列的点距没有系统偏离现象,这说明跨流域引水对该流域径流变化的影响不明显。

图1 祖厉河流域降水径流关系图

事实上,由于工程管理的不断科学化,考虑到工程运营的成本问题,灌溉回归水 (灌溉尾水)量是十分有限的。灌溉水进入土壤后转化为土壤水分,土壤水分通过渗透、下渗和浸润等向下运动。在半干旱黄土丘陵沟壑区,水循环的主要方式为土壤和大气之间的循环过程。地下水基本上不参与水循环过程,土壤贮水量绝大部分消耗于蒸发过程。所以,灌溉水对地下水的补给也是有限的。

2.1.2 径流系数的变化

计算该流域1960～2005年的径流系数,发现径流系数总是在0.01～0.05的范围内变化,平均值为 0.03。除 1964和 1973年的径流系数偏大(为0.05),1972、1974、1975和2001年的径流系数偏小 (为0.01)外,其余40年的径流系数都很稳定地以0.01的变幅在0.03(均值)上下波动。

研究表明,1964和1973年的降水量年内分配特别不均匀,降水主要集中在7月或8月,降雨强度大,超渗产流和蓄满产流的现象都有发生的可能,结果导致在同样的降水条件下径流量的增大(径流系数变大),1972、1974、1975和2001年的降水量年内分配明显地比其它年份均匀,降雨强度减小,出现超渗产流的机会较少,地表径流多由蓄满产流形成,下渗损耗量增加,结果导致在同样的降水条件下径流量的减小 (径流系数变小)。另外,从径流系数变化趋势图 (图略)中可以看出,偏大或偏小的径流系数点距没有系统偏离或阶段性偏离现象。因此,径流系数偏大或偏小,主要是自然因素引起的。

用流域平均降水量和径流深之差除以流域平均降水量,得水量耗损率。计算表明,祖厉河流域水量耗损率在95%～99%之间波动,均值为97%。水量耗损率的数值较稳定,变化趋势不明显。这也表明人类活动对水量耗损的影响不明显。

以上分析说明,人类活动对径流变化的影响不明显。

2.1.3 产流关系变化趋势分析

人们普遍认为,由于近年来人类活动的影响,引起了流域下垫面的变化,使天然产汇流关系发生了变化,导致在同样降水状况下产流减少。也就是说,如果在同一量级的降水条件下,径流有明显的系统性偏小,则说明径流受人类活动影响较大,否则影响不大。

为了分析人类活动前后径流是否有趋势性变化,点绘面平均降水量与径流深的相关图 (图略)。

从图中可以看出,1986～2005年的点距与1960～1985年的点距没有明显的系统偏离现象,反映了近20年来产汇流形势没有发生比较明显的变化;1996～2005年的点距与1960～1995年的点距也没有明显的偏离迹象,反映出近10年以来产汇流形势也没有发生比较明显的变化。这再一次说明,人类活动的影响并没有较大程度地改变该流域的产流规律。

2.1.4 累积降水量与累积径流深相关分析

点绘该流域面平均降水量与径流深的累积量相关图,并添加线性趋势线 (见图2)。

图2 祖厉河降水～径流累积相关图

图2 中,降水量与径流深的累积量相关关系非常好,相关系数的平方值达0.9973。这说明该流域的产汇流关系比较稳定,也就是说,下垫面的变化﹙人类活动﹚对径流的影响很小。

利用图2建立祖厉河流域降水量与径流深的计算模型:y=37.558x-509.75,式中y为年降水量累积值,x为年径流累积值。

2.1.5 径流变化规律

为了探讨自然 (近似自然)条件下径流的变化规律,必须排除人类活动的影响,对实测径流资料进行还原校正。在该研究区,由于人类活动对径流变化的影响不明显,故靖远水文站的实测径流资料基本上准确地反映了当时的天然径流量情况。

图3 祖厉河流域年径流变化过程图

图3 为1956～2005年靖远站径流量的变化过程。从图中可以看出,径流量的变化过程呈明显的下降趋势 (图中虚线为趋势线);再点绘径流的10年滑动均值过程线 (图略),在这个过程线上,也反映出年径流总的变化趋势呈下降态势;经过肯德尔 (Kendall)秩次相关检验分析,证明年径流量下降趋势显著。

图4为研究区不同年代年径流均值图,图中表明,20世纪50、60、70、80年代,各年代流域年径流均值持续递减,90年代稍有增加,进入新世纪后又大幅递减。50～80年代,各年代流域年径流均值的减少幅度分别为27.3%、15.4%、15.0%,90年代的增幅为5.8%,进入新世纪后,减少幅度达35.7%。

图4 祖厉河流域各年代年径流均值图

2.2 降水量的变化特征

降水是河川径流的补给源,是影响径流的主要因素。点绘该流域年平均降水量变化过程 (图略)。从图中可以看出,降水量的变化过程也呈明显的下降趋势;再点绘年平均降水量的10年滑动均值过程线,在这个过程线上,同样反映出降水量总的变化趋势呈下降态势;经过肯德尔 (Kendall)秩次相关检验分析,再次证明年降水量下降趋势显著。

绘制研究区不同年代年平均降水量均值图,可以看出,20世纪60、70、80年代,流域年平均降水量均值持续递减,90年代稍有增加,进入新世纪后又有所递减。60～80年代,各年代流域年平均降水量均值的减少幅度分别为5.1%、9.7%,90年代的增幅为3.0%,进入新世纪后,减少幅度达7.9%。

3 径流和降水的变化趋势比较

把该流域年径流变化过程图 (图3)和年平均降水量变化过程图、年径流10年滑动均值过程线图和年平均降水量10年滑动均值过程线图对比观察,发现径流和降水的变化趋势很相似 (都呈持续减少趋势),这一现象在该流域各年代年径流均值图 (图4)和各年代年平均降水量均值图中表现得更为明显:20世纪60、70、80、90年代及新世纪初的前6年,各年代流域年平均降水量与年径流均值的变化趋势完全一致,而且径流量的减少 (增加)幅度明显比降水量的减少 (增加)幅度要大。这一方面反映了河流径流量对气候变化的反应敏感,另一方面也说明了降水量的减少是径流量减少的直接原因。

4 结论与讨论

通过对祖厉河流域径流变化过程的分析,得出以下结论:

(1)人类活动的影响并没有较大程度地改变祖厉河流域的产流规律,径流变化受人类活动的影响不明显。可以这样认为:流域内水土保持 (梯田、坝地的建设)、农村人畜饮水工程建设 (如集雨节灌)、矿物开采等人类活动改变了流域下垫面条件,减小了当地的径流系数,可能对当地 (局部地区)的影响是严重的,但对径流总量的影响有限。

(2)从20世纪50年代 (有实测径流资料时)开始,祖厉河径流量的变化过程呈明显的下降趋势。

(3)祖厉河流域的径流量变化对气候 (主要是降水量)变化的反映特别敏感。降水量的持续减少是祖厉河径流量减少的主要原因。

(4)祖厉河流域的径流变化趋势,同近几十年来黄河流域的径流变化趋势相一致。

1 张文胜,蒋蓉.马颊河上游南乐站径流变化分析[J].水文,2004,24(5):37-39.