清江流域降水径流年内分配特征及其同步性分析

黄济琛 陆宝宏 范仲丽 郭修志 刘振宇 石立群

(1.宁波市水利水电规划设计研究院,浙江宁波 315192;2.河海大学水文水资源学院,南京 210098;3.水利部海委引滦工程管理局,天津 300393;4.中国葛洲坝集团第三工程有限公司,西安 710007;5.南京市水务集团有限公司,南京 210002)

随着气候变化及人类活动等因素的影响越来越强烈,流域水文循环过程也发生着相应的变化[1-3].众多研究表明,我国各流域的径流都存在着年内分布不均匀的特点[4-6],降水作为水文循环中重要的一环,是流域径流的主要供给者之一,流域内径流与降水年内分配特征保持着一定的同步性[7-8].2003年,郑红星等[9]根据黄河源区主要测站1952～1997年的月天然径流资料对其径流年内分配特点进行了分析.2006年,燕华云等[10]根据长江源区1956～2000年河流月径流资料,分析其径流年内分配特点.2007年,李艳等[11]以石角站45a的实测月径流资料为基础,研究了北江流域径流年内分配变化规律.2013年,张颖等[12]基于赣江外洲站近49年月径流量及42年月输沙量实测资料,对赣江水沙年内分配变化进行分析.

清江流域地处湖北省西南部副热带地区,位于东经108°35'～111°35',北纬29°33'～30°50'.流域东邻江汉平原,南与澧水流域相接,西与乌江流域接界,北与长江三峡地区相邻.流域形状南北窄而东西长,流域面积16700 km2.发源于利川市齐岳山龙洞沟,自西向东流经湖北省10个县市,最终在宜都市汇入长江,清江干流河道全长423 km,地势西高东低,全流域山地面积占比高达80%.流域地处中亚热带季风气候区,雨量丰沛,为长江流域多雨地带.近年来,学者们针对清江流域水文气象要素的年际变化特征作了一系列研究[13-14],而在年内分配特征方面鲜有成果发表.鉴于此,本文采用多种分析手段对清江流域的降水、径流的年内分配特征以及两者变化存在的同步性进行研究分析,以期为清江流域水资源的合理开发利用提供科学的参考.

1 研究资料与方法

1.1 研究资料

采用恩施、巴东、来凤以及五峰四站的月降水量资料以及隔河岩站月径流量资料,资料序列时间1951～2009年.隔河岩水电站坝址控制流域面积为15 080 km2,坝址处隔河岩水文站为隔河岩水电站入库代表站.

1.2 研究方法

1.2.1 集中度与集中期[15-16]

年内集中度(RCD)与集中期(RCP)分别用以反映年内降水/径流的集中程度和最大值出现的时间.两个指标的计算公式如下:

1.2.2 不均匀系数与完全调节系数

选用分配不均匀系数及分配完全调节系数[17]来表征降水/径流年年内分配的不均匀性.计算公式为:

1.2.3 变化幅度

变化幅度[4,17]用极大值(Smax)和极小值(Smin)来表征年内降水量/径流量变化的剧烈程度,分为绝对变化幅度(Sa)和相对变化幅度(Sr).计算公式如下:

1.2.4 标准化

进行数据标准化处理[7]的目的在于消除降水量和径流量的量纲差异的影响,在同一坐标系下绘制降水、径流标准化曲线,从而更加清晰的分析降水和径流年内分配的变化特征及二者的同步性.

式中,Xi为月降水量/径流量,X 为多年平均月降水量/径流量均值,S为多年月平均降水量/径流量标准差.

2 结果与分析

2.1 降水年内分配变化特征

图1绘出了清江流域1951～2009年各个年代以及多年平均的降水年内分配特征曲线.由图1可知,1970～1979年平均曲线为双峰曲线,存在206.2 mm(6月)和179.1 mm(9月)两个峰值,主要由于20世纪70年代7月、8月平均降水偏少,均低于59a平均值,而同时6月、9月平均降水均高于59a平均值,从而出现了“双峰”的这一特点.除1970～1979年外其他6条曲线皆为单峰曲线,峰值均出现在7月.59a中各年代及多年平均年内降水集中分布在夏季(6月～8月),相对的冬季(12月～次年2月)降水量为最少.从多年平均曲线来看,夏季降水量占全年比例高达47.2%,冬季降水量占比仅为7.4%,二者比值高达6.38,也印证了降水量的年内分配极为不均这一特征.

图1 降水年内分配特征

由图2可知,降水集中度和集中期曲线分别围绕42.3%和199.5°作上下波动,集中度在1980年取得最大值60.0%,在1951年取得最小值21.6%,极差为38.4%,接近最小集中度的2倍,说明降水集中度年际变化剧烈;由线性拟合趋势线可知,降水集中度以0.62%/10a为倾向率呈不显著的增大趋势(显著性水平α=0.05).降水集中期最大值为229.6°(1965年),最小值为160.5°(2002年),二者相距37a,降水集中期倾向率为-1.2°/10a,说明降水集中期呈缓慢的减小趋势,趋势不显著(显著性水平α=0.05),年内集中降水存在自7月向6月转移的趋势.

图2 降水集中度及集中期年际变化

降水不均匀系数及完全调节系数年际变化曲线如图3所示.

图3 降水不均匀系数及完全调节系数年际变化

由图3可知,Cv和Cr曲线的年际变化基本上保持良好的相关性,波动规律存在一致性.Cv曲线的线性倾向率为-0.005/10a,Cr曲线为0.0005/10a,就研究期59a来看两者年际变化趋势皆不显著(显著性水平α=0.05),仅围绕各自的均值附近分布;以最值和次最值进行分析,59a以来Cv的最大值为1.04(1955年),次最大值为0.97(1963年),最小值为0.48(2006年),次最小值为0.49(1961年);Cr的最大值为0.41(1979年),次最大值为0.40(1980年),最小值为0.19(2006年),次最小值0.20(1961年),可得:Cv和Cr的两个最小取值出现的年份保持一致;Cv、Cr的极值比分别为2.17、2.16;最值与次最值之间均只相差0.01(除Cv的最大值与次最大值相差0.07).由此可进一步得到结论:59a以来,此两种指标分析下年内分配相对较均匀的年份一致性更好;虽然年内分配不均匀性在年际间波动较大,但并未出现极端均匀或者极端不均的情况.

2.2 径流年内分配变化特征

图4绘制了清江流域隔河岩站1951～2009年各个年代以及多年平均的径流年内分配特征曲线.由图4可知,各条曲线与相应年代的降水年内分配特征曲线(图1)保持着良好的同步性,受到降水量分布特点的影响,1970～1979年平均曲线也为双峰曲线,存在21.44亿m3(6月)和17.02亿m3(9月)两个峰值,主要可能受到20世纪70年代7月、8月平均降水偏少,而同时6月、9月平均降水均高于59a平均值的影响,从而出现了“双峰”的这一特点.除1970～1979年外其他6条曲线皆为单峰曲线,峰值均出现在7月.59a中各年代及多年平均年内径流集中分布在夏季(6月～8月),而冬季(12月～次年2月)径流量最少.从多年平均曲线来看,夏季径流量占全年比例高达44.4%,冬季降水量占比仅为6.9%,二者比值达到6.43,三项数据均与降水多年平均曲线保持一致,说明了径流量一定程度上受到了降水量的影响,年内分配也极为不均.

图4 径流年内分配特征

据图5,径流集中度和集中期曲线分别围绕43.5%和165.7°作上下波动,集中度在1980年取得最大值61.5%,在1961年取得最小值10.5%,极差为51%,接近最小集中度的5倍,说明径流集中度年际变化剧烈;由线性拟合趋势线可知,径流集中度以-0.22%/10a为倾向率呈不显著的减小趋势.径流集中期最大值为210.6°(2000年),最小值为104.4°(1959年),二者相距41a,径流集中期倾向率为-2.5°/10a,说明径流集中期呈缓慢的减小趋势,年内集中径流存在自7月向6月转移的趋势,与年内集中降水的转移趋势一致.

图5 径流集中度及集中期年际变化

径流不均匀系数及完全调节系数年际变化曲线如图6所示.

图6 径流不均匀系数及完全调节系数年际变化

由图6可知,Cv和Cr曲线的年际变化基本上保持良好的相关性,波动规律存在一致性.Cv曲线的线性倾向率为-0.01/10a,Cr曲线为-0.004/10a,就研究期59a来看两者年际变化趋势皆不明显,仅围绕各自的均值附近分布;以最值和次最值进行分析,59a以来Cv的最大值为1.32(1997年),次最大值为1.18(1969年),最小值为0.48(1961年),次最小值为0.50(2006年);Cr的最大值为0.48(1979年),次最大值为0.43(1980年),最小值为0.19(1961年),次最小值0.21(1953年),可得:径流Cv曲线取得最大值、最小值、次最小值的年份与降水保持一致,Cr次最大值与降水Cr次最大值所在年份保持一致;Cv、Cr的极值比分别为2.75、2.53;最值与次最值之间最多相差0.14,最少相差0.02.由此可进一步得到结论:59a以来,此两种指标分析下径流年内分配特征与降水具有较好的一致性;径流年内分配不均匀性年际间变化相比降水来说波动更大,但并未出现极端均匀或者极端不均的情况.

2.3 降水径流年内分配变化同步性

各年代降水及径流变化幅度值见表1,分析可知:降水各年代的绝对变化幅度在174.9～238.3 mm之间变化,2000～2009年平均绝对变化幅度最小,1980～1989年最大,相对变化幅度最小值为8.24(1951～1959年),最大值为12.08(1980～1989年);径流各年代绝对变化幅度在2000～2009年取得最小值12.60亿m3,在1980～1989年取得最大值28.11亿m3,相对变化幅度最小值为4.86(2000～2009年),最大值为14.10(1980～1989年).由此可见各年代降水、径流表现出了良好的一致性.

表1 降水及径流变化幅度

各年代平均及多年平均降水量、径流量的相关系数见表2,由表2中的计算结果可知,二者的相关系数均达到了0.97以上,说明降水量及径流量年内变化保持着良好的相关性,增减趋势表现一致.

表2 降水径流年内变化相关系数

图7给出了标准化处理后的各年代平均及59a多年平均降水径流年内分配特征.

图7 降水及径流年内分配特征标准化曲线

就整体而言径流量与降水量的年内分配保持了较强的同步性,二者曲线的峰值和谷值的出现时段也体现了较好的一致性;就各个季节而言春夏两季(3～8月)的降水量与径流量的同步性强于秋冬两季(9～次年2月),秋冬季的不同步在各年代中尤其以20世纪60年代和21世纪初期表现的最为明显.

造成这一现象的主要原因有两点:

1)根据前文的结论,由于清江流域秋冬降水量普遍偏少,此时径流量的变化除了受到降水量增减的影响之外相较降水丰沛的夏季更容易受到其他各种因素如引提蓄水工程的工作等的干扰;

2)诸多研究表明近年来冬季温升的趋势最明显,成为影响区域年气温升高的主要贡献者,而气温的升高必然带来蒸发量的增加,这也在一定程度上弱化了降水和径流的同步性.

以上分析说明了人类活动和气候变化等众多因素的影响使得降水、径流的年内分配特征具有了较大的不确定性.这无疑将加大清江流域水资源的合理开发、利用和配置的难度,给水资源安全合理调配带来了严峻挑战.

3 结 论

1)1951～2009年清江流域各年代及多年平均降水、径流年内分配极为不均,夏季降水量、径流量均占全年总量的40%以上;20世纪70年代平均降水、径流年内分配与其他各年代特征存在显著区别,表现出6月、9月两个峰值,这与此时段内7月、8月平均降水偏少,而同时6月、9月平均降水均高于59a平均值相关.

2)近59a以来,降水径流的年内集中度、集中期、不均匀系数以及完全分配系数均存在不明显的年际变化趋势,4个度量指标的极差与极值都偏大,说明降水径流年内分配特征的年际变化剧烈;同时以Cv和Cr为代表的指标的最值与次最值差值较小,表明就分析时段而言,年内分配未出现极端均匀或者极端不均的情况;由降水径流集中期线性拟合倾向率均小于0可知年内集中降水和集中径流均具有自7月向6月转移的趋势.

3)受到人类活动和气候变化等众多因素的影响,标准化处理后的各年代平均及59a多年平均降水径流年内分配特征展现出全年整体的同步性,以及秋冬两季局部不同步的特点.

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