文峪河流域降水和径流关系初探

郭汉清 洪坚平 张 勇

(1.山西农业大学 资源与环境学院，山西 太谷 030801；2.山西省水土保持科学研究所，山西 吕梁 033000)

文峪河流域位于山西省关帝山腹地，其干流文峪河是汾河的一级支流。关帝山流域现存山西省面积最大、林相较为整齐的天然次生林，对山西省西部乃至汾河中下游地区的水文变化、水资源利用及生态安全起到十分重要的作用。该区域作为山西农业大学的实习基地，长期以来主要开展森林景观[1]、华北落叶松土壤种子库[2]和落叶松细根生物量[3]等方面的研究，而该流域对于山西省水文和水资源显著的调控地位很少有人关注。由此本文试图以文峪河流域较长时期的水文资料为依托，运用水文统计等手段，初步揭示该流域的降水分布、径流特征以及降水和径流之间的关系。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

文峪河流域地理位置介于东经111°25′～112°5′，北纬37°28′～37°54′，总面积1 842.3km2。海拔在780.5～2 838.7m之间，平均坡度17.8°。该流域属暖温带大陆性山地气候，由于地形复杂，各处气温、降水差异较大，全区年均气温3～7℃，多年平均降水量约500mm。多年平均蒸发量1 700mm。文峪河流域的基岩基本为变质岩，这种岩层分化及裂隙发育很浅，透水性很小；该区土壤随海拔呈地带性分布，由高到低分布着亚高山草甸土、山地草原草甸土、山地棕色森林土、褐土及黄绵土等。该流域内分布着华北地区具有典型代表性的石质山地天然次生林，植被类型乔木主要有油松、云杉林、华北落叶松、桦树、辽东栎等，灌木主要有沙棘、忍冬、荆条等，草本植物有鹅冠草、针茅、豹子花等。

文峪河作为汾河上游重要的一级支流，是下游与汾河交汇区大面积农田灌溉的水源地，主要由庞泉沟等6大支流汇集而成，汇入流域出口处的文峪河水库，最后注入汾河。水文特征受大的气候影响，每年的7—10月份为汛期。流域形心处设有岔口水文站，控制流域面积为492km2，该站是一省级水文站，可对岔口以上尤其是庞泉沟流域进行降水、径流、水位、水温和泥沙等水文特征值的观测并具有较长系列资料。

1.2 研究方法

在收集整理岔口水文站近40a降水和径流观测资料基础上，运用水文统计方法分析该流域的降水和径流年内和年际变化特征[4]。

2 结果与分析

2.1 降水特征分析

在计算流域平均水深时，通常采用算术平均法、泰森多边形法和等雨深线图法三种方式[5]，在使用这三种方式由点雨量向面雨量转化时，由于应用条件有所差异，在计算结果上会有所不同。考虑到文峪河流域雨量站在观测期内位置有所变化，导致点-面雨量转化时要么不满足计算条件，要么资料系列长短不一。为了避免这一矛盾，本文在进行分析降水资料时，统一采用算术平均法进行计算。

2.1.1 降水随海拔的分布

文峪河流域海拔高差变化较大，导致云团在运移过程中，由于受到高大山体的阻碍，会形成动力抬升而在迎风坡形成地形雨。通过岔口以上流域内三个雨量站(岔口站、后家庄站和神尾沟站)观测资料(降水资料同为40a)分析，结果如图1所示。

从图1中可以看出，随着海拔高度由1 120m(岔口站)增加到1 830m(神尾沟站)，年降水量由493.19mm增加到617.23mm。增加幅度达到海拔每增加100m，雨量增加17.47mm。可见在该流域内，由于高大山体的作用，降水分布不均匀，降水量大小相差悬殊，且存在由东南向西北递增的趋势。

2.1.2 降水年内分配

根据降水量资料分析可以看出(图2)，该流域年内降水主要集中在7、8、9这三个月，受东南暖湿气流和高大山体的影响，7—9月份多年平均降水量占到全年的58.6%；尤以7、8两个月最多，多年平均比例高达47.5%。根据气候情况，该地区3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12—2月为冬季。统计资料表明：春、夏、秋、冬四季降水量年内分配比例依次为：14.2%，54.1%，24.8%，6.9%。进一步说明随着东南季风的到来，流域内在4月份开始出现降水，并逐渐增加，到7、8月份达到高峰，9月下旬开始逐渐减弱。降水在年内分配不均匀，主要集中在夏半年。

2.1.3 降水年际变化

降水的年际变化特征，往往通过降水平均变率(K1=最大年值/年平均值)和降水变率(K2=最大年值/最小年值)和降水离差系数(Cv=标准差/平均值)来表示。这3个指标均可反映降水量年际变化的程度，相对变率越大，降水则越不稳定。通过以往40a的降水资料分析，得出文峪河流域降水量年际变化的3个指标值分别为：K1=1.55，K2=2.83，Cv=0.24。由此可见，文峪河流域年降水量极值比相差较大，而且年降水量年际之间变化较大。

与此同时，降水资料分析表明，该流域的40a平均年降水量达到507.68mm。若以10年为时段进行划分，可以看出20世纪60年代年降水量为552.53mm，70年代为506.07mm，80年代为497.44mm，90年代为477.68mm。由此可知，20世纪90年代同60年代的降水量均值相比，降水量减少了74.85mm。80年代和90年代的降水量均要小于多年平均值，70年代与平均值基本持平。相比之下，20世纪60年代的降水量是一个相对充沛的时期，而90年代是少水期。在过去的40a里，虽然降水量年际变化较大，但总体仍然表现出持续下降的趋势。

2.2 径流特征分析

径流是指降落到流域表面上的降水，由地面与地下流入河川，流出流域出口断面的水流。文峪河流域的河川径流的水源是大气降水，又以降雨径流为主，冰雪融水径流占有的比例较小。

2.2.1 径流的年内分配

资料表明(图3)，文峪河流域的径流年内分配主要集中在7—10月这四个月份。这四个月份径流量占全年径流量的60.63%，说明径流的年内分布较为集中。与降水在年内的分配相比，降水集中在7—9这三个月，而径流量在10月份仍保持了较高水平，这与该流域森林覆盖率较高，植被对于流域内地下径流和地表径流的调蓄作用巨大有密切关系。而径流年内分配不均匀系数Cvy=0.65，也可以看出该流域的径流年内分配不均匀程度非常大。

2.2.2 径流年际变化

受降水和植被生长的影响，文峪河流域径流的年际变化也较为强烈(图4)。根据年径流量的年际极值比K=10.85和年径流变差系数Cv=0.59表征径流量年际变化，说明中西河流域径流量年际变化较为强烈，极值比悬殊。值得指出的是，在降水量较少的年份，森林的调蓄作用使降雨转化为径流的机会更小，即径流系数较小，河川径流量急剧减少，这是该区域径流年际变化的一个显著特点。另一个特点是年径流量随时间的延长而减少，虽然这种减少从趋势上讲可能受流域内人口增长和人均用水量、农业用水量等方面的增加所致，但根据水量平衡原理分析，流域输入水量即大气降水的减少肯定是引起流域多年平均径流量减少一个必然因素。

2.3 径流和降水量之间的关系

降水和径流是水文循环中的两个必要环节，二者相互影响，不可以单独存在。通过对文峪河流域多年降水量与径流量进行同步比较分析，可以看出径流量与降水量的变化趋势存在同步性，这也说明径流是气候和下垫面共同作用的产物。运用回归分析手段，对该流域的同期年降水量和年径流量进行分析，可以构建数学模型Q=a+bP，

式中：a、b为系数。通过回归分析得出文峪河流域年径流量与同期降水量的数学模型如下：

Q=-2.699+0.013P年(R=0.701)

式中：Q——年径流量，108m3；P年——年降水量，mm

3 结论与思考

3.1 结论

(1)文峪河流域降水变化受海拔影响较为明显，总的趋势为：海拔上升，降水量增大，变率达到17.47mm/100m。受山体走向影响，降水量由东南向西北递增。

(2)降水在年内分配不均匀，主要集中在夏半年。文峪河流域年降水量极值比相差较大，而且降水量年际之间变化较大。

(3)径流年内分配不均匀系数Cvy=0.65，表明该流域的径流年内分配不均匀程度非常大。从径流量的年际极值比K=10.85和年径流变差系数Cv=0.59说明文峪河流域径流量年际变化较为强烈，极值比悬殊。

(4)文峪河流域降水年际变化是影响径流年际变化的主要因素，以降水量、径流量建立数学模型为：Q年=-2.699+0.013P年(R=0.701)。

3.2 思考

在对降水和径流关系的探讨方面，由于资料所限，如缺乏下垫面变化的详细资料，本文只是建立了降水量和径流量二者之间的相关关系，而没有考虑流域内土地利用类型的改变，从而引起径流在时空方面的改变。这在某种程度上也影响到了降水和径流关系的相关程度，如R=0.701相对还是比较低，而这也正是今后需要进一步探索和论证的方面。

[1]郭晋平,张芸香.景观格局分析空间取样方法及其应用[J].地理科学,2005,25(5)：584～589.

[2]石晓东,高润梅，郭晋平,等.庞泉沟自然保护区河岸林群落的天然种子库特征[J].林业科学研究，2010,23(2):157～164.

[3]杨秀云,韩有志,张芸香.关帝山华北落叶松人工林细根生物量空间分布及季节动态[J].植物资源与环境学报,2008,17(4):37～40.

[4]张建春,查良松,史志刚,等.大沙河流域降水变化与输沙关系的研究[J].水土保持学报,2004,18(4):166～169.

[5]黄锡荃.水文学[M].北京：高等教育出版社，2010.