新安江上游流域水文要素分析研究

钟维斌

(黄山水文水资源局,安徽 黄山 245000)

气候变化和人类活动共同影响着流域下垫面,改变着流域产汇流机制,并将深刻影响水循环过程[1-2]。21世纪以来随着经济社会快速发展,人类通过新建水库、农业灌溉、城市扩张和生态恢复等方式日益加深对新安江上游流域水文过程的影响。

1 流域概况

新安江上游流域属亚热带湿润季风气候,四季分明,气温年平均值为15.8～17.9℃;雨量充沛,湿度较大,多年平均年降水量为1869.5mm;总的地形为西高东低,海拔范围为86～1630m,流域跨祁门、黟县、休宁、屯溪三县一区。水系双支:南支正源率水、北支横江,见图1。率水为新安江正源,发源于安徽、江西两省交界的五龙山脉怀玉山主峰六股尖,最高海拔1630m,流域面积1522km2,河道长度138km;横江发源于安徽黟县五溪山脉的白顶山,海拔1130m,流域面积997km2,河道长度75km,至断面上游3500m处汇入率水,率水与横江汇合后始称新安江。

图1 新安江上游流域水系图

新安江上游流域主要控制站屯溪水文站位于黄山市屯溪区阳湖镇黄口社区,建于1950年6月,流域面积2670km2。为皖南山区1000～3000km2区域代表站、一类精度站、国家重要水文站。测验项目有降水、蒸发、水位、流量、泥沙、墒情、水质等。

2 数据选取

本文降水研究选取屯溪、上溪口、黟县、休宁雨量站1956—2020年,岩前雨量站1957—2020年,五城雨量站1958—2020年,呈村雨量站1976—2020年的降水观测数据;流量、蒸发研究采用屯溪水文站1956—2020年的数据;泥沙研究使用屯溪水文站1979—2020年数据;土壤墒情规律研究则用黎阳墒情站2011—2020年资料。

3 水文要素时空分布分析

3.1 降水

降水量年际变化包括年际间的变化幅度和多年变化过程[3]。年际变幅通常用年降水变差系数Cv以及年降水量极值比来表示;多年变化过程主要指降水丰、平、枯及连丰、连枯的特征,其表示方法主要有均值比较法和差积曲线法[4]。

使用7个雨量站1956—2020年降水数据(资料年限不足站点通过插补延长方法补齐),通过泰森多边形法计算流域多年面雨量。本流域多年平均年面降水量为1869.5mm,最大年降水量2698.0mm发生在1999年,而最小年降水量1132.8mm发生在1978年,年际极值比为2.38,年降水变差系数Cv为0.20,年际变化较大。绘制差积曲线(见图2),可知本区年际降水呈丰枯周期性交替变化,交替变化周期在8～13年,平均变化周期为11年,具体变化情况见表1。

表1 流域面降水量不同时间系列均值统计

图2 降水差积曲线

本流域地处亚热带边缘,距海较近,常为冷暖空气交汇处。受季风影响,春暖多雨,梅雨显著,秋伏多旱。

年内各月降水量分配不均,主要集中在3—7月,约占全年降水量的65%,连续最大4个月多年平均降水量在4—7月,约占全年的55%。年内最大月降水量一般出现的6月,约占全年的18%;最小月降水量在12月,约占全年的3%,月极值比为6.2。流域多年平均面降水量月分配见表2。

表2 多年平均面降水量月分配

研究区属山区性流域,山地倾斜、山峰陡峻,面对季风来向的山地有利于低空气流水汽抬升,变为暴雨天气,形成暴雨中心。而在地势较低处,水汽受到周围山体阻滞,不足以抬升形成抬升雨,此区域为降水低值区[5]。

本区域有两个暴雨中心,主暴雨中心在安徽、江西交界的流口—阳台一带,多年平均年降水量在2200mm以上;次暴雨中心在黄山西南的芳田附近,多年平均年降水量近2000mm,一个降水低值区在休宁—屯溪一带,多年平均年降水量约为1800mm。呈现西向东、山地向盆地、上游向下游递减的趋势。流域多年平均年降水量等值线见图3。

图3 流域多年平均年降水等值线 (单位:mm)

将各站点多年平均年降水量与高程建立关系,见图4。可以看出降水量随海拔升高而增大,两者呈相关关系,横江流域相关系数R2较高,达0.89,为强相关关系;率水流域相关系数R2为0.62。因此,可以通过两个流域高程-降水量关系线推求其他无雨量站点地区的降水量。

图4 多年平均年降水量与高程关系

3.2 径流

新安江上游流域多年平均年径流深为1170.1mm,最大年径流深为2031.3mm,发生在1999年;最小年径流深为558.6mm,发生在2005年;年际极值比为3.64,年径流深变差系数Cv为0.33,年际变化较降水量更大。径流深差积值曲线变化趋势与降水基本一致,见图5,径流丰枯水年交替变化周期为9～13年,平均周期为11年,具体变化情况见表3。

表3 流域面降水量不同时间系列均值统计

图5 径流深差积曲线

年内各月径流深分配不均,但与降水量月分配相对应,主要集中在3—7月,约占全年的74%。连续最大4个月多年平均在4—7月,约占全年的64%,年内最大月径流深一般出现的6月,约占全年的21%,最小月径流深在12月,约占全年的2%,月极值比为9.33。月径流深相比于月降水量更加集中,是由于受流域下垫面调蓄影响。流域多年平均径流深月分配见表4。

此时此刻，纪检监察机关对王素英的调查还在进行，具体案情尚未明晰。但是，对关注福利彩票系统的人而言，王素英落马被查并不算一件很令人意外的事情，因为在此之前，已经有两名和她曾担任同一职位的领导干部遭到了调查和处理，某种意义上，这个岗位本身就“问题多多”。而在福彩中心背后，整个民政部都存在系统性的腐败问题。

表4 多年平均径流深月分配

新安江上游流域洪水多由暴雨形成,洪水的季节特点、时空变化与暴雨基本一致。洪水的主要特点是汇流快、流速大、涨落快。洪水一般以单峰为主,而大洪水及特大洪水主要为双峰型或复峰型,其主峰出现的先后受降水时空分布的制约[6]。1956年以来发生超过5年一遇的洪水17次,其中10年一遇的大洪水7次。进入21世纪后,大洪水发生频率较高,5年一遇的洪水有8次,10年一遇的大洪水达4次。屯溪水文站实测历史最大流量为6500m3/s,发生在1996年7月1日,实测年最大流量中约有70%发生在6—7月,尤其集中在6月下旬至7月上旬,8—9月也有洪水发生,其他月份出现洪水的概率极小。实测历史最小流量为0,发生在1978年9月4日,实测年最小流量出现月份相对分散,分布在1月、2月、8—12月,约占全年的82%。将各年最大、最小流量相除得多年流量极值比,点绘流量极值比趋势曲线见图6,曲线缓慢上涨,说明流域出现极端天气概率呈缓慢上涨趋势,年内易同时出现大洪水和极端旱灾,需引起关注。

图6 多年流量极值比趋势

3.3 水面蒸发

新安江上游流域多年平均年水面蒸发量为783.7mm,最大年蒸发量为1020.7mm,发生在1958年;最小年蒸发量为616.6mm,发生在1999年;极值比为1.66,年际蒸发变差系数Cv为0.13,年际变化不大,变化过程与降水成相反关系,整体波动减小趋势,蒸发年际变化见图7。年内分配不均,汛期5—9月约占全年总蒸发量的2/3,其中7月蒸发量最大,约占全年蒸发量的15.6%;1月蒸发量最小,约占全年蒸发量的3.1%。各月水面蒸发量分配情况见表5。

表5 各月水面蒸发量分配

图7 蒸发量年际变化

用干旱指数r反映气候干旱程度,通常定义为年蒸发量与年降水量的比值,即r=E0/P,式中E0为年蒸发量,用E601水面蒸发量乘以折算系数推求[7]。计算出各年的干旱指数为0.21～0.73,多年平均干旱指数为0.39,低于十分湿润带干旱指数0.5,说明新安江上游流域属十分湿润带。

3.4 泥沙

新安江上游流域河流泥沙主要是由降水对流域表面冲刷产生的,因此河流含沙量大小与降水量和降水强度关系密切[8]。丰水年输沙量大,枯水年相对小。同时,流域植被、坡度对含沙量也有较大影响,植被率高、坡度小则含沙量小,反之则含沙量大。

多年平均年输沙量为37.9万t,年最大输沙量为97.9万t,发生在2011年;年最小输沙量为4万t,发生在2005年;极值比为24.5,年际输沙量变差系数Cv为0.62,年际变化大。各年最大含沙量只出现在4—7月,其中6月出现概率最大,为40.5%;其次是7月,出现概率为33.3%。

3.5 土壤墒情

不同深度土层土壤含水量的变化程度各不相同,从而形成了土壤水分的垂直变化差异。各层土壤含水量的平均水平和变异性,一般从集中趋势和离散趋势两个方面描述。反映各层土壤含水量集中趋势的指标为平均值,反映离散趋势的指标包括样本最大值、最小值、标准差和变异系数等[9]。从表6可知,10cm深处土壤含水量平均值最大,而40cm深处土壤含水量平均值最小,不同深度土壤按含水量平均值大小排序为10cm土层>20cm土层>40cm土层。土壤含水量变异系数10cm土层最大,40cm土层最小,这是因为表层土壤含水量受降水、蒸发影响显著,变化较为剧烈,而越深处变化相对越缓慢。

表6 新安江上游流域不同深度土层土壤含水量统计

新安江上游流域土壤含水量的年际变化受降水和蒸发因素影响明显。从图8、图9可以看出,降水量多、蒸发量小的年份土壤含水量高,降水量少、蒸发量大的年份土壤含水量相应也低。基本上土壤含水量与降水量成正相关,而与蒸发量成负相关。

图8 新安江上游流域年际土壤含水量和降水量曲线

图9 新安江上游流域年际土壤含水量和蒸发量曲线

图10 多年土壤墒情变化曲线

剧变阶段正值黄山市汛期,降水量、蒸发量及农作物生长所需水量均大于其他两个阶段,降水天气可使土壤含水量迅速上升;而干旱炎热的天气,快速生长的农作物则使土壤含水量急剧下降,因此,这一阶段土壤含水量变化大,变化速度快。稳定阶段主要包括冬季、春季,这一阶段气温比较低,降水量、蒸发量也相对比较小,土壤水分基本保持在一个相对稳定的水平。缓变阶段由于气温逐渐下降,降水量和蒸发量也逐渐减小,故土壤水分缓慢变化,总体上由不稳定趋于稳定。

3.6 蓄水量

闭合流域在时段内输入的水量与输出的水量之差,必等于流域内蓄水量的变化,这就是水量平衡原理[10],故流域内蓄水量方程式为

ΔVn=Px-Rs+Eb

式中:ΔVn为时段内流域蓄水量的变化,mm;Px为时段内流域平均降水量,mm;Rs为出口断面流出的径流深,mm;Eb为时段内流域平均蒸发量,mm,采用《黄山水文手册》流域蒸发与水面蒸发折算系数计算。

绘制新安江上游流域蓄水量差积曲线,见图11,1998年蓄水量差积值为20.7亿m3,之后有明显上升趋势,2020年蓄水量差积值达122.1亿m3,上涨约6倍。这是由于黄山市对于生态环境十分重视,20世纪90年代末及21世纪初的植树造林等森林恢复举措取得了较大成效,植被得到了显著恢复。同时,随着经济快速发展和城市化进程的不断推进,农村大部分青壮年劳动力转移到了城市,农田弃耕后转为草地或灌丛。此外,农村生活方式的改变,如农村能源从薪柴转变为煤炭、电力等,使曾经的薪柴砍伐和坡地耕种等人类活动显著减少,人类对植被的干扰减弱,使得林地面积逐渐增加,流域涵养水源的能力增强[11]。

图11 蓄水量差积曲线

4 结 语

通过对新安江上游流域水文要素的分析研究,发现此流域降水丰沛,水资源丰富,属十分湿润地区。

a.流域降水时空分布不均,年际降水呈丰枯周期性交替变化,变化周期约为11年,年内降水量主要集中在3—7月;平面空间上呈现上游向下游递减的趋势,而垂直空间上降水量随海拔升高而增大。

b.径流、含沙量、土壤墒情与降水成正相关关系,而蒸发与降水成反相关关系;另外,土壤墒情与蒸发成反相关关系。

c.年流量极值比曲线缓慢上升,说明流域出现极端天气概率呈缓慢上升趋势,近年易同时出现大洪水和极端旱灾,需引起关注。

d.20世纪90年代末及21世纪初的植树造林等森林恢复举措取得了较大成效,植被得到了显著恢复,同时人类对植被的干扰减弱,使得林地面积逐渐增加,流域涵养水源的能力增强。