西北半干旱地区河流径流量变化特征研究

李春玲,杨彩霞

(中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津 300222)

1 概 述

在我国西北半干旱地区,生态环境较为脆弱,自然因素和人类活动对河流径流有着重要影响,河流径流的变化会引起严重的生态安全问题。当河流径流量变大时,形成不同程度的洪涝灾害;当河流径流量变小时,在高温条件下会造成严重灾情,影响农田灌溉。

为此,许多学者对河流径流的特征进行了多方面研究。刘柏君等[1]对干旱区河流径流演变及成因进行了分析,结果表明,清水河径流变化主要受流域气候变化与水土保持治理的影响。倪明霞等[2]对气候变化下南疆主要河流径流变化及水资源风险进行了研究,结果表明,在降水极端少的干旱年份,冰川融水径流量在总径流量中的占比远高于流域平均水平。郭晓娜等[3]对山东省主要河流近60年径流变化及其归因进行了分析,结果表明,河流径流变化受气候变化和人类活动的共同影响。王万祯[4]对石羊河流域主要河流径流演变特征及趋势进行了分析,结果表明,流域内主要河流年径流量变化受大气降水与冰雪消融影响明显。崔豪等[5]对气候变化与人类活动影响下大清河流域上游河流径流响应进行了研究,结果表明,在河流径流量的变化中,人类活动为影响径流的主导因子,气候变化较人类活动影响径流稍小。徐俏等[6]研究了气候因素对白洋淀上游主要河流径流的影响,结果表明,气温变化影响径流量的大小,而降雨周期变化对径流周期影响更显著。

以上文献以多个水域为例,对河流的径流变化进行了研究,对影响径流的因素进行了分析。本文参考上述文献,以神木市境内乌兰木伦河和牛河为例,对西北半干旱地区的河流径流量变化特征进行研究,研究成果可为水资源开发利用提供参考。

2 研究区概况

研究区为陕西北部的神木市,该市地处黄河中游,长城沿线,为陕北黄土丘陵向沙漠的过渡地带。地形西北高而东南低,最高点海拔为1 448.7m,最低点海拔738.7m;年平均降水量440.8mm,降水主要集中在7-9月份;年平均水面蒸发量1 336.6mm,为降水量的3倍。研究区地貌主要分为土石山区、丘陵沟壑区和沙漠草滩区,区内有大型煤矿13个,小型煤矿100多个;河流主要由黄河、窟野河、乌兰木伦河和牛河以及部分支流组成内陆水系。

本文选取乌兰木伦河和牛河作为研究对象,采用神木气象站和水文站1970-2022年逐月水文资料作为研究的基础数据,根据对水文数据的分析,对乌兰木伦河和牛河的径流量变化特征进行研究。

3 研究方法

河川径流的形成、分布和变化,主要受气候、地形和人类改造自然活动的影响,影响径流量的因素有河流补给、地形、流域面积及蒸发量等。本研究采用径流量历时曲线法、降雨历时曲线法、累积曲线法等分析方法,对乌兰木伦河和牛河的径流量和降雨量变化趋势进行研究,并对径流量的变化特征进行分析。

4 研究结果与分析

4.1 河流径流量年内变化特征

根据神木气象站和水文站1970-2022年逐月水文资料,乌兰木伦河和牛河径流量年内逐月分布情况见图1。

图1 河流年内径流量分布图

由图1可知,河流的径流量随着月份的不同均呈上下波动趋势,并且具有两个波峰的特点。由图1(a)可知,在1970-1989年时,乌兰木伦河在3、4月份的径流量分别为14.64和10.74m3/s;在1990-2009年时,河流3、4月份的径流量分别为11.35和9.37m3/s;在2010-2022年时,河流3、4月份的径流量分别为7.35和5.89m3/s。由图1(b)可知,在1970-1989年时,牛河在3、4月份的径流量分别为13.22和6.28m3/s;在1990-2009年时,河流3、4月份的径流量分别为9.95和4.32m3/s;在2010-2022年时,河流3、4月份的径流量分别为3.82和1.94m3/s。由于该时期雪水融化,雨量增多,河流处于丰水期,径流量相较于1和2月份明显增加。

在5、6月份时,由于河流处于枯水期,在该时期降水量减少,河流补水量不足,且表面水份蒸发较大,河流径流量减少。由图1(a)可知,在1970-1989年时,乌兰木伦河7、8月份的径流量分别为15.63和20.18m3/s;在1990-2009年时,河流7、8月份的径流量分别为10.25和11.53m3/s;在2010-2022年时,河流7、8月份的径流量分别为5.55和7.09m3/s。由图1(b)可知,在1970-1989年时,牛河在7、8月份的径流量分别为11.71和23.4m3/s;在1990-2009年时,河流7、8月份的径流量分别为10.29和13.42m3/s;在2010-2022年时,河流7、8月份的径流量分别为2.61和3.39m3/s。由于该时期处于降雨季节,降水较大,各支流汇入河流,在此阶段河流径流量最大。

乌兰木伦河3、4月份的径流量在1970-1989年占全年比例的17.3%;在1990-2009年占全年比例的18.5%;在2010-2022年占全年比例的17.6%,河流径流量变化较小。乌兰木伦河7、8月份的径流量在1970-1989年占全年比例的24.4%;在1990-2009年占全年比例的20.5%;在2010-2022年占全年比例的16.8%。河流径流量逐渐减小,减小速度有明显变化。

牛河3、4月份的径流量在1970-1989年占全年比例的21.9%;在1990-2009年占全年比例的24.7%;2010-2022年占全年比例的22.5%,河流径流量变化较小。牛河7、8月份的径流量在1970-1989年占全年比例的39.5%;在1990-2009年占全年比例的41%;在2010-2022年占全年比例的23.5%。河流径流量在1970-2009年变化较小,在2009年后逐渐减小,减小幅度为17.5%,变化极为明显。

4.2 河流径流量年际变化特征

根据神木气象站和水文站1970-2022年水文资料,乌兰木伦河和牛河径流量年际变化特征见图2。

图2 河流年际径流量分布图

由图2可知,乌兰木伦河和牛河的年径流量曲线呈上下波动趋势,根据其拟合曲线,河流的径流量呈线性减小。由图2(a)可知,乌兰木伦河在1970-2020年的年平均径流量为2.83×108m3,其中最大径流量发生在1978年,为4.94×108m3。根据水文资料,在该时期乌兰木伦河地区暴雨较多,降水汇集河流,引起河流径流量快速增加。由图2(b)可知,牛河在1970-2020年的年平均径流量为1.48×108m3,其中在1978年河流径流量快速增大。该时期径流量最大为3.21×108m3,次年河流径流量快速减小,1988年河流达到年际最大径流量为3.64×108m3。根据乌兰木伦河和牛河年径流量拟合曲线,两条河流的径流量变化趋势基本相似。

根据神木气象站和水文站1970-2022年水文资料,乌兰木伦河和牛河的年径流量距平累积曲线见图3。

图3 年径流量距平累积变化特征

由图3可知,径流量的特征为阶段式变化。根据曲线的变化特征,乌兰木伦河在1970-1988年,河流的年径流量距平累积快速增大,变化趋势极为明显;1989-1995年,河流的年径流量距平累积增加趋势逐渐变缓,处于相对稳定状态;1996-2008年,河流的年径流量距平累积处于缓慢下降趋势,曲线较缓;2009-2022年,河流的年径流量距平累积快速下降,表示河流的径流量在该阶段急剧减小。

与乌兰木伦河的年径流量距平累积曲线相似,牛河在1970-1988年,河流的年径流量距平累积快速增大;1989-1994年,河流的年径流量距平累积处于相对平稳状况;但在1995年,河流的年径流量距平累积快速增大,达到最大值16.01×108m3;1997年,开始小幅度下降,然后再上升;在1998-2007年,河流的年径流量距平累积处于缓慢下降趋势,其中2007年时河流的年径流量距平累积有小幅度上升;在2008年后极速下降,变化趋势极为明显,表明该时期河流的径流量快速减小。

由此可知,两条河流的年径流量距平累积变化趋势均先快速增大再逐渐趋于稳定,随着年份的增加,年径流量距平累积再缓慢减小,最后快速减小。

4.3 降雨量变化特征

根据神木气象站和水文站1970-2022年水文资料,神木市降雨量年际变化见图4。

图4 降雨量年际变化

由图4可知,年际降雨量呈无规律上下波动状态。在1975年,年降雨量最小,最小值为138mm;在1976年,年降雨量最大,最大值为726mm。由降雨量的拟合曲线可知,年际降雨量呈缓慢减小趋势。在1970年,年际平均降雨量最大,最大雨量为396.4mm;在2022年,年际平均降雨量最小,最小雨量为343.2mm。由此可知,随着年份的增长,年际降雨量呈逐渐缓慢下降的趋势,且逐年的降雨量上下波动,无明显规律。其中,1976年年降雨量最大;1975年年降雨量最小。

4.4 降雨和人类活动对径流变化的影响

累积降水量和累积径流量的双累积曲线变化特征,可以反映人类活动对河流径流量的影响。根据神木气象站和水文站1970-2022年水文资料,神木市降雨量和径流量双累积曲线见图5。

图5 累积降水量和累积径流量曲线

由图5可知,在人类活动较弱的条件下,降水量的大小对河流径流量影响较大,双累积曲线有小幅度波动现象,其变化趋势基本保持线性状态;随着年份的增加,人类活动增强且活动范围增大的情况下,双累积曲线的增大趋势逐渐下降,由于自然环境的改变,河流的径流也逐渐改变。

乌兰木伦河和牛河的双累积曲线在前期阶段均保持平稳状态,随着累积降水和累积径流量的增加,曲线逐渐变化。根据水文资料,结合双累积拟合曲线,乌兰木伦河在1990年前、牛河在2000年前,影响河流径流量的变化主要为自然降水,雨水充足时,径流量增大,遭遇干旱时,径流量减小。随着年份的增加,人类对河流径流量的影响逐渐增大,河流径流量逐渐减小。

5 结 论

本文以乌兰木伦河和牛河为例,对西北半干旱地区的河流径流量变化特征进行了研究。结论如下:

1)乌兰木伦河和牛河的径流量随着月份的不同均呈上下波动趋势。在3、4月份时,雪水融化,雨量增多,径流量增大;在5、6月份时,河流处于枯水期,河流补水量不足,河流径流量减少;在7、8月份时,该时期处于降雨季节,降水较大,此阶段河流径流量最大。

2)随着年份的增长,乌兰木伦河和牛河的年际降雨量呈逐渐缓慢下降的趋势;乌兰木伦河在1990年前、牛河在2000年前,影响河流的径流量变化主要为自然降水,随着人类对自然环境的改造,人类对河流径流量的影响逐渐增大,河流径流量逐渐减小。