近30年来清水河上游西沟降水径流变化及原因分析

张克阳，陈沫宇

（河北省张家口水文水资源勘测局，河北　张家口　075000）



近30年来清水河上游西沟降水径流变化及原因分析

张克阳，陈沫宇

（河北省张家口水文水资源勘测局，河北张家口075000）

摘 要：现阶段气候变化以及剧烈的人类活动，导致降雨-径流形成机理及规律发生了变化。合理分析降雨-径流变化规律及其影响因素，是水文学以及生态环境学中重要的研究领域。以西沟流域为例，采用统计学方法，在上下游历史洪水的对比分析和年际降雨、径流变化曲线趋势分析的基础上，建立降水-径流双累积曲线以及单次降雨-径流相关图，定量分析降雨-径流的变化规律，进而分析总结出其影响因素。研究结果表明，西沟流域降雨呈年际波动变化，径流呈现逐步减少的趋势，2000年为径流突变年份，这是由于降水、地下水资源开发利用、水利工程以及其他人为活动因素共同作用影响造成的。

关键词：西沟流域；降雨；径流；降雨-径流变化

近年来，永定河上游官厅水库入库流量呈逐年递减趋势，致使官厅水库水量减少。为改善官厅水库面临的水资源紧张现状，海委每年都要组织上游各大水库向官厅水库调水。张家口地处官厅水库上游，是其主要的供水城市，随着张家口市经济的不断

1　流域概况

西沟属于永定河水系清水河的支流，流域面积706 km2，属于山溪性（季节性）河流，流域狭长，呈长方形，形状系数0.28，主流由东北流向西南，河道两侧有一些小支流交错汇入，主河道长50.3 km，河道纵坡13.5‰，流域平均宽度14.1 km，分水岭海拔高度在1 970 m左右。该流域位于坝上高原与坝下交界处，冷暖空气交汇，属于降水多发地段，降水多集中在6—9月，尤以7、8月为多，多年平均年降水量428 mm。流域属于坝上高原气候，年平均气温6℃。

2　流域降雨-径流关系分析

2.1上下游历史洪水调查对比分析

啕来庙水文站于1983年建立，是西沟流域出口控制站，距下游清水河控制站——张家口水文站10 km。西沟流域面积占清水河流域总面积的30.7%。西沟流域含沙量较大，啕来庙站监测到最大含沙量为915 kg/L，主要由于20世纪70、80年代过度垦荒放牧导致的水土流失严重、植被覆盖率差。通过啕来庙站和张家口站历年洪峰流量（见表1）对比发现，啕来庙站的洪峰总量约占下游张家口站洪量的73%。因此，分析啕来庙站的降水-径流关系，对张家口市的城市防洪和水资源合理利用有很大意义。

表1　啕来庙站与张家口站历年洪峰流量m3/s

2.2流域降水-径流变化趋势分析

笔者采用滑动平均法［3，4］检验实测降雨和径流的变化趋势，降水系列为西沟流域内10个雨量站的1984—2013年年降水量加权平均后得到的流域面雨量，年降水量变化曲线如图1所示。径流量采用流域出口啕来庙站1984—2013年实测年径流量，年径流量变化曲线如图2所示。经计算，流域多年平均年降水量为398.9 mm，多年平均年径流量为0.105 5×108m3。从图1—2可以明显看出，降水序列在不同年际间呈波动变化，降水量最大的年际是1994—1996年间，降水量达594.6 mm；最小的年际是1999—2001年间，为316.9 mm；年径流量整体呈现递减趋势，2000年前呈波动变化趋势，2000年后呈明显减少趋势，1984—1999年际间径流量均值为0.159 2×108m3，而2000—2013年际间径流量均值为0.044 2×108m3，同时年际间的最大值和最小值均呈减少趋势。

图1　年降水量变化曲线

图2　年径流量变化曲线

为更好地分析降水-径流变化规律及影响因素，笔者采用双累积曲线法（Double mass analysis）对降水-径流的变化趋势进行分析。双累积曲线法基本思想是两个变量按同一时间长度逐步累加，其中一个变量作为横坐标、另一个变量作为纵坐标，其拐点可作为分析变量阶段性变化的依据。当只有降水发生变化而无其他因素影响时，双累积曲线应为一直线；当受到人类活动等其他因素影响时，曲线就会发生偏移，偏移的大小反映了人类活动影响的剧烈程度，因此降水与径流的双累积曲线可以揭示人类活动影响的阶段性变化。年降水与年径流双累积曲线，如图3所示。从图3可以看出，双累积曲线在1984—2013年间存在一个拐点，将整个降水径流系列划分为2个阶段，即1984—1999和2000—2013年。对以上2个阶段分别进行拟合直线，其拟合直线的斜率逐渐增大，说明以上2个阶段存在明显变化，降水对径流的影响程度在减弱，而其他影响因素在增强。

图3　年降水与年径流双累积曲线

2.3次降水-径流关系分析

通过以上对流域降水-径流变化趋势分析可知，进入21世纪以来降雨-径流关系发生了明显变化。为进一步研究其变化规律，笔者选取了啕来庙站1994—2013年共18次较大洪水过程的降水径流系列，并对每次洪水过程进行基流分割。由于该流流域内没有工矿企业用水大户，也无大的水利拦蓄工程，所以无需进行用水量还原计算。降水系列选取域内10个雨量站观测的产生径流的次降水量进行面雨量加权计算，点绘了次降雨-径流相关图，如图4所示。从图4可以看出，直线上方的点基本上为2000年以后的点据，这也说明从2000年以来可能有其他因素在影响降水-径流机制的变化。

图4　次降雨-径流相关关系

3　降水-径流变化影响因素分析

3.1降水影响

2000年以来，上游年度降水总量无明显变化，汛期单次降水的雨强较小，产流较少，所以下游河道难以形成较大的洪峰。

3.2地下水资源开发利用影响

流域内没有大的工矿企业，地下水开采量主要用于人畜饮水，农田灌溉用水大部分利用河道中的基流或潜流，地下水埋深总体呈下降趋势，对流域内降水入渗也会产生影响。

3.3水利工程影响

自2000年以来张家口市相继实施了京津风沙源治理工程水土保持项目和《21世纪初期首都水资源可持续利用规划》水土保持项目，清水河上游西沟被列为张家口市水土流失重点治理地区。据相关部门统计，2000—2007年西沟小流域共投资4 000多万元，挖鱼鳞坑17万个，修建水平沟1.5万道，全流域内全部实行封山育林禁牧。经过治理，流域内植被覆盖率大大增加，河道内洪水泥沙含量明显下降，洪水发生次数有所减少，2008年以后没有发生较大规模的洪水；同时，山坡植被增加了，降水入渗量增大了，叶面截留的水量和地表截留的水量也相应增加。在土壤含水量未达到饱和的情况下，单次降水雨强如果不是很大，产流也不会太大，不会形成较大的地面径流，这也是近年来啕来庙站径流减少的主要原因之一。

3.4其他人为影响

近年来，张家口城市改造建设力度不断加大，加上附近高速公路的陆续建设，施工原材料的需求逐步增加。西沟河道内淤积了大量的工程所需的沙子，一经采砂，河道内就形成许多大坑，也一定程度上影响了下游的来水量。

4　结语

在西沟流域1984—2013年径流实测资料和降水量资料的基础上，采用统计学方法分析径流和降水变化趋势，分析了其降水-径流变化的影响因素，得到如下结论：

（1）1984—2013年降水序列在不同年际间呈波动变化，降水无明显突变点；年径流量整体呈现递减趋势，2000年为其突变点，同时年际间的最大值和最小值均呈减少趋势。

（2）建立了降水-径流双累积曲线，可以用来检验人类活动对径流的影响。结果表明，在西沟流域径流减少的原因中，降雨对其影响不突出，人类活动在其中扮演着更为重要的作用。为进一步研究降雨-径流变化规律，点绘1994-2013年间18次较大洪水的单次降水-径流相关图，结果表明，2000年以来可能有其他因素在影响降水-径流机制的变化。

（3）基于以上降水-径流关系分析，明确了西沟流域降水-径流变化主要的影响因素有降水、地下水资源开发利用、水利工程影响以及其他人为影响。

笔者的研究分析是对总量影响的初步研究分析，对于降水-径流关系相互作用机理辨识仍存在一定差距，还需要更仔细的数据及深入的研究工作，并采用多种方法进行结果的相应校核。

参考文献

［1］张淑兰，王彦辉，于澎涛，等.定量区分人类活动和降水量变化对泾河上游径流变化的影响［J］.水土保持学报，2010，24（4）：53-58.

［2］陈忠升，陈亚宁，徐长春.近50年来塔里木河干流年径流量变化趋势及预测［J］.干旱区地理，2011，31（1）：43-51.

［3］穆兴民，张秀勤，高鹏，等.双累积曲线方法理论及在水文气象领域应用中应注意的问题［J］.水文，2010，30（4）：47-51.

［4］赵云，胡彩虹，胡珊.汾河和沁河流域入黄径流锐减事实分析［J］.水电能源科学，2012，30（3）：31-34.

中图分类号：TV11；P33

文献标识码：A

文章编号：1004-7328（2016）03-0037-04

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.03.013

收稿日期：2016—04—25

作者简介：张克阳（1970—），男，高级工程师，主要从事水文水资源研究工作。发展，该市水资源也处于十分紧张的状况，市区的主河道清水河也逐渐干涸。为了改善张家口市区及清水河的生态环境，张家口市政府加大城市改造力度，投入大量资金对清水河进行河道改造，共修建橡胶坝33道，蓄水水量将达到300多万m3。如今的清水河已建设成为市区的景观河，成为张家口城市规划建设的主线。在对清水河改造的过程中不仅要重视其生态效应，同时也不能忽略河流上游的发源地［1］。清水河发源于崇礼县境内，河长1 000 km，共有3条大的支流即东沟、西沟和正沟，其中西沟是清水河的主要支流。在西沟和正沟两支流上分别建有啕来庙水文站和崇礼水文站，其中啕来庙水文站位于西沟出口处大桥村，是西沟的出口控制站。清水河历史发生的较大规模的洪水基本上都来自西沟，这与西沟特有的地形条件有很大的关系。进入21世纪以来，随着各级主管部门对西沟流域水土保持及河道治理工程的逐步实施，西沟流域近10多年来没有较大洪水发生，啕来庙水文站年径流量出现相对减少趋势。基于啕来庙水文站历史洪水发生情况、近年洪水减少情况以及下游张家口市严峻的防汛形势，笔者根据啕来庙水文站建站以来1984—2013年的实测资料，对降水-径流关系的变化趋势进行了分析［2］，探讨历年降水-径流的演变规律，为下游张家口市的水资源合理开发利用以及城市橡胶坝的防洪调度提供依据。

Analysis on the Change and Reasons for the Change of Rainfall-runoff in Xigou Basin in the Upstream of Qingshui River in the Past Three Decades

ZHANG Ke-yang，CHEN Mo-yu
（Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Zhangjiakou，Hebei Province，Zhangjiakou 075000，China）

Abstract：At the present stage，climatic change and frequent human activities have caused the change of formation mecha⁃nism and rules of rainfall-runoff.It is a significant research field of hydrology and ecological environment study to reason⁃ably analyze the changing pattern of rainfall-runoff and influential factors.This research takes Xigou Basin as an example，adopting statistical method，based on contrastive analysis of the previous bloods in upstream and downstream and of the vari⁃ation tendency of yearly rainfall-runoff，and creates a double mass curve of rainfall-runoff and single rainfall-runoff corre⁃logram.It conducts a quantitative analysis on the changing pattern of rainfall-runoff and further concludes the influential factors.The results indicate that the rainfall of Xigou Basin has annual fluctuation and there is a tendency of gradual de⁃crease in runoff.In 2000 the runoff changed suddenly，which is caused by rainfall，development of groundwater resources，hydraulic engineering and other human activities.

Key words：Xigou Basin；rainfall；runoff；change of rainfall-runoff