中图分类号: P333. 1 文献标识码: A 文章编号: 1003 - 7578 (2009) 06 - 085 - 06
Study on the annual runoff distr ibution in UPStream watershed of the Fenhe Reservoir
Abstract: The scale of the hydraulic engineeringworks and its operation were decided by the annual runoff distribution. The annual runoff distribution in the up stream of the Fenhe Reservoirwas analyzed based on the analysis of the Non - uNIformity indexes adap ted decadal and monthly data during 1970～2005. The results showed that non - uniformity could be reflected well by the decadal concentration degree. The non - uniformity of the Jingle station was larger than that of the Shangjingyou station, and its change scale in J ingle station was also larger than that in Shangjingyou station. The annual runoff distribution was quite similar between the J ingle station and Shangjingyou station before 1998, and they were different after 1998.
Key words: runoff; non - uniformity; lndex, Fenhe Reservoir
汾河是黄河流域的第二大支流,是山西省经济最发达、人口密度最高、城镇最集中的区域,由于工农业的快速发展和城市取水量的不断增加,汾河水量大部分被引用消耗,河道实际流量逐年减少。汾河流域属于中纬度大陆性季风气候,为半干旱、半湿润型气候过渡区。汾河水库位于汾河干流的上游段, 1961年6月正式投入使用,是山西省最大的水库。水库控制流域面积5268km2 ,坝址处多年平均流量21. 9m3 / s,总库容7. 21亿m3 ,设计灌溉面积149. 2万亩。汾河水库建成40多年来发挥了巨大的防洪、灌溉发电效益[ 1 ] 。
作为水库防洪、水力发电和灌溉等兴利的基础,径流的年内分配直接影响着水库水资源的利用程度,及其水资源的合理配置。受大气系统和流域下垫面系统综合作用的影响,河川径流序列是一非线性、弱相依高度复杂的动态系统[ 2 ],受到外界周期或非周期因子的强迫作用,从而使径流年内变化具有极强的不均匀性。径流的年内分配不均匀程度反映了对径流调控的难易程度,不均匀程度越大,表明径流的年内分配越不均匀,调控的难度也大,不均匀程度直接决定着水利工程的规模及水库的运行及管理方式。常见的分析径流年内分配不均匀性的定量指标,多为年内丰、枯水期或季节或某些特定时段的径流量占年径流量的比例,而且多以月为时段[ 3, 4 ]。汤奇成等[ 5 ]曾将年内时段平均流量大于年平均流量的部分之和与各月流量之和的比值作为描述径流年内分配不均匀性的定量指标。张录军和钱永甫(2004)[ 6 ]采用汤奇成和李红云(1982)[ 7 ]研究河川月径流集中度和集中期的思路,分析了长江流域汛期降水集中度和集中期。Xie等(2005)[ 8 ]分析了中国不同强度降水事件的集中度和集中期。冯国章等[ 9 ]以年内各时段径流量的均方差与年平均流量的比值作为径流年内分配的不均匀系数,用标准的统计定量描述了径流年内分配的不均匀性。燕华云等[ 10 ]采用年内分配不均匀系数、集中程度以及变化幅度分析了长江源区径流年内分配的时程变化规律。郑红星和刘昌明[ 11 ]采用径流年内分配完全调节系数分析黄河源区径流年内分配变化规律。王纪军等[ 12 ]采用标准统计量—集中度、不均匀系数和调节系数分析了降水的不均匀性,反映了降水的年内分配不均匀性。综合反映河川径流年内分配不均匀性的特征值有许多不同的计算方法。文中在描述表达不均匀程度的集中度、不均匀性系数和调节系数的基础上,采用旬和月序列资料从应用上进行了系统地分析和对比,并选择合理的表达不均匀程度的指标对汾河水库上游流域主要控制站的径流不均匀性进行分析,为水库水资源的管理提供科学的依据,也为系统分析径流年内分配不均匀性提供思路。
1 资料及方法
1. 1 基础资料
水库流域内有静乐、上静游和娄烦水文站,其中静乐和上静游水文站分别控制流域面积2799km2 和1140km2 ,占控制流域面积的75%,娄烦水文站控制流域面积和无站控制面积占25% ,因此汾河水库主要的水量来源在于静乐站和上静游站,因此,选择静乐水文站和上静游站整编的1970～2005年共36年逐日流量资料,分旬和月径流资料进行分析,得到静乐和上静游水文站径流的集中度、不均匀系数和调节系数以及相互之间的关系。
1. 2 计算方法
设某水文站径流量序列Rt (t = 1, 2…,…,N-1,N)中任意一个区间的径流量分配在n个时段内,记为Rt, i (t = 1, 2…, …,N-1,N; i = 1, 2…, …, n-1, n)[ 5 ] 。如果计算年径流量在旬内的分配, Rt 表示第t年的年径流量; Rt, i表示t年第i旬的降水量;N为序列的长度; n = 36,为一年包括的旬数。对应以上的表示,各个指标的计算方法具体为:
(1)集中度
利用向量分析的原理定义单站径流量时间分配特征的参数。一个时段径流量的数值看作向量的长度,而对应的时段则当作向量的方向,由此定义径流集中度(Drc)和集中期(Ppc)[ 7, 8 ] :
(1)
(2)
式中:θi 为第i个时段对应的方向,以区间作为一个圆周,按时段平均分配。
(2)不均匀系数
根据变差系数定义,可以表示径流量年内分配不均匀性的系数,即:
(3)
式中符号意义同前。式(3)是一个无量纲量,介于0～1之间,因为可以证明:
(4)
因此,式(3)定义的不均匀系数与径流量的变差系数保持一个恒定的比例,可以表示径流量年内分配的不均匀性。
(3)调节系数
直接采用径流年内分配完全调节系数[ 10 ] :
(5)
不难证明,当径流量平均分配在每个时段时,三个指标将出现最小值,均为0,即: Drc = Cut = Cnt = 0. 0;当径流量集中于某一个时段时,三个指标达到最大值,均等于1,即: Drc =Cut =Cnt = 1. 0。三个指标的值域一致,从不同的侧面反映了径流量年内的分配,所以三个指标间可以进行比较。
为了对各分析指标进行对比,采用相关分析分析各指标之间的关系。
2 结果分析
2. 1 年径流统计特征值
图1为静乐和上静游水文站1970～2005年年径流量及均方差变化图。1970～2005年静乐和上静游水文站多年平均径流量分别为6. 364m3 / s和1. 320m3 / s,静乐站约为上静游水文站的4. 82倍。静乐站年径流量平均在1. 95m3 / s～16. 4 m3 / s,上静游站年径流量平均在0. 6m3 / s～3. 06m3 / s。两站的年径流量最大值分别出现在1996年和1973年,最小值均出现在2001年。静乐水文站年际径流量变化较大,均方差在0. 9767～39. 2626m3 / s之间变化,而上静游水文站年际径流量变化较小,均方差在0. 2035～6. 0454 m3 /s之间变化。静乐水文站极端丰水年和枯水年均发生在20世纪90年代后,上静游水文站进入90年代后径流在逐年减小,因此, 90年代后汾河水库主要的水源来源为静乐控制站。
图1 静乐站和上静游站年径流及均方差变化图(1970～2005)
Fig. 1 Changes of annual runoff and standard deviation in Jingle and Shangjingoyou stations
2. 2 指标对比分析
三个指标从不同侧面反映了径流年内分配的不同程度,表示径流的集中期反映了时段径流合成后的总效应,即表示一年中最大时段径流指示出现的时段,集中度则反映了集中期径流值占年总径流的比例。因此,集中度与通常采用的汛期径流占全年总径流的比例。径流年内分配不均匀系数Cnt越大即表明年内各旬或月径流量相差悬殊,径流年内分配越不均匀。
将两水文站径流的逐旬和逐月的径流集中度、不均匀系数和调节系数作为序列进行排列得到各序列之间的两两相关关系,静乐站是汾河干流的主要控制站, 控制面积2799km2 ,径流的不均匀程度明显高于上静游站(图1),以静乐站的径流对比分析各指标,三指标间的相关程度及特征值计算统计结果分别(表1和表2) 。
表1 静乐站不均匀性指标之间的相关关系表
Tab. 1 Correlation of decadal non - uniformity indexes in the J ingle station
表2 静乐和上静游水文站径流年内分配不均匀指标特征值统计表
Tab. 2 Characteristic statistics of annual distribution of non - uniformity indexes of runoff in the J ingle and Shangjingyou stations
由表1和表2可见,静乐站的径流集中度、不均匀系数和调节系数在旬和月时段内显著相关(p < 0. 001),其中,逐旬和月径流集中度、不均匀系数和调节系数的相关性均比较显著,最小相关系数都在0. 90以上;逐旬和月之间的集中度和调节系数均比较高(0. 99以上),不均匀系数相关系数相对较小,为0. 9786;逐旬和逐月的径流集中度、不均匀系数和调节系数各指标间显著相关,且相当,表明指标间可以相互代替。然而,从径流来看,旬径流的不均匀程度明显于月径流,随着时间的加长,不均匀系数减小,不均匀系数的变化幅度也减小,月径流的不均匀指标小于旬径流的不均匀指标值,1989年是静乐站不均匀性最小的一年,图2是1989年月和旬径流图,可见对径流集中度、不均匀系数和调节系数而言,旬时段径流的不均匀性高于月径流的不均匀性,从指导水库的调节运用来说,旬时段的计算结果更能反映径流分配的不均匀性。
图2 1989年静乐站旬月径流变化过程图
Fig. 2 Change of decadal and annual runoff in J ingle station in 1989
各指标反映出1995年是径流分配最不均匀的一年,旬指标中(静乐站)(图3和表2),Drc = 0. 7718,Cnt = 0. 4246,Cut = 0. 5823,Drc与Cnt是静乐站中指标最大值,且变化趋势一致,但集中度的变化幅度最大(0. 1114～0. 7718) ;因此,集中度能更好地反映出径流的不均匀性。从上静游站的计算结果可以看出(图4) ,集中度与调节系数有一致的变化趋势,且集中度的变化幅度最大(0. 0143～0. 7871),其他两个指标均在0. 05～0. 65之间,因此,综合以上分析,可以看出,集中度更能反映出径流的年内分配不均匀性。
图3 静乐站旬径流集中度、不均匀系数和调节系数变化图
Fig. 3 Changes of the decadal concentral degree,non - uniformity and regulation coefficients in Jingle station
图4 上静游站旬径流集中度、不均匀系数和调节系数变化
Fig. 4 Change of the decadal concentral degree, non - uniformity and regulation coefficients in Shangjingyou station
2. 3 汾河水库控制流域径流年内分配不均匀性
以旬集中度分析汾河水库控制流域径流年内分配的不均匀性,从图3、图4和表2可以看出,两站不均匀程度1997年前变化规律相似,静乐站的集中度略高于上静游站,表明静乐站的不均匀程度高于上静游站;而两站集中度最大和最小发生的年份不同,静乐站1995年集中度最大, 1972 年最小,上静游站集中度1988年最大, 1989年最小。说明两站既有相近的特性,也有不同的径流特性。1998年后,两站径流年内分配较1998年前均匀,静乐站的径流年内分配集中度明显大于上静游站,说明,静乐站的年内分配比上静游站径流年内分配更不均匀。汾河水库建成后,由于大量泥沙淤积造成水库库容迅速减小,至2005年总淤积库容3. 7172 亿m3 ,已占到总库容的51. 56%。为了减少水库淤积, 1988 年后分两期(1988～1997, 1998 ～2007 年) 采取了水土保持措施[ 11 ] ,以多沙区为重点,进行了大规模治理,致使水库上游流域下垫面条件发生了变化,岚河流域(上静游控制站)是汾河水库主要泥沙来源,是主要的治理对象,因此导致1998年后上静游站的径流变化不同于静乐站的变化,也导致了径流的不均匀程度不同于静乐站。
2. 4 水库上游径流年内分配变化幅度
径流变化幅度的大小对于水利调节和水生生物的生长繁殖都有重要的影响,变化幅度过大,水资源的开发利用难度响应增加,水利调节的力度就必须相应地加强。分析变化幅度的指标采用相对变化幅度,即最大旬平均径流量(Rmax)与最小旬平均径流量(Rmin)以及与年平均径流量的比值(Cm、Cm,max和Cm,min)来衡量,即:
Cm =Rmax /Rmin Cm,max =Rmax /R Cm,min =Rmin /R (6)
各年代统计结果见表3,可见旬平均径流量最大极值比静乐站出现在20世纪80年代,上静游站出现在70年代,最小均出现在2000年后,总体来看,静乐站的径流年内变化幅度年代间的变化趋势相差不大,静乐站的变化幅度较上静游站的变化幅度大。且在极大值年份静乐站的年内变化幅度尤大(图6) 。
图5 静乐和上静游站集中度变化过程图
Fig. 5 Changes of concentration degree in Jingle and Shangjingyou stations
图6 径流量年内变化幅度直方图
Fig. 6 Bar chart of annual runoff change scope
表3 径流年内变化幅度统计表
Tab. 3 Statistics of annual runoff change scope
3 结语
由于受降水和气温等气候因素以及流域下垫面条件的影响,导致径流的变化表现出了比降水更复杂的周期性和随机性变化特点,决定了径流年内分配随季节出现的周期性变化和不均匀性特点,也为水资源的开发利用带来了一定的困难。分析河川径流的变化规律,不仅有助于深入了解水资源的特性,为水资源的合理开发利用提供依据。本文通过对汾河水库上游代表水文站静乐和上静游水文站的旬及月实测径流资料对表现不均匀性指标—不均匀性系数、集中度和调节系数从指标和其相关关系方面进行了系统分析的基础上,分析了径流变化的不均匀性,分析结果表明:
(1)三个指标间可以相互代替,然而集中度更能很好地反映流域径流的不均匀程度,对于指导水库调节运用来说,旬集中度指标具有更好的指导性。
(2)由于受集水面积、下垫面条件等因素的影响,汾河水库上游流域主要控制站静乐和上静游两站径流既有相近的一面,也有不同的变化特征。静乐站的径流年内分配不均匀程度高于上静游站,年内变化幅度也大。就旬径流集中度来讲,两站两站差别不大,上静游水文站略高于静乐水文站,同时两站集中度最大值和最小值出现的年份不完全一致。
(3)1998年前,静乐站和上静游站的年内分配程度规律相似,静乐站的年内变化幅度大于上静游站,由于水土保持措施的实施改变了流域的下垫面条件,使1998年上静游站的径流年内分配表现出了不同于静乐站的年内分配不均匀性, 1998年后两站年内变化幅度也小于1998年前。
参考文献
[ 1 ]李英明,潘军峰,主编. 山西河流[M ]. 北京:科学出版社, 2004: 25 - 41.
[ 2 ]蒋晓辉,刘昌明,黄强. 黄河上中游天然径流多时间尺度变化及动因分析[ J ]. 自然资源学报, 2003, 18 (2) : 142 - 147.
[ 3 ]水利电力部水文局. 中国水资源评价[M ]. 北京:水利电力出版社, 1987.
[ 4 ]水利电力部水利电力规划设计院. 中国水资源利用[M ]. 北京:水利电力出版社, 1989.
[ 5 ]汤奇成,曲耀光,周聿超. 中国干旱区水文及水资源利用[M ]. 北京:科学出版社, 1992.
[ 6 ]张录军,钱永甫. 长江流域汛期降水集中程度和洪涝关系研究[ J ]. 地球物理学报, 2004, 47 (4) : 622 - 630.
[ 7 ]汤奇成,李红云. 径流年内分配不均匀系数的计算和讨论[ J ]. 资源科学, 1982, 4 (3) : 59 - 65.
[ 8 ]Xie Z Q, Du Y, J iang A J, et al. , Climate trends of different intensity heavy p recip itation events concentration in China [ J ]. Journal of Geographical Sciences, 2005, 15 (4) : 459 - 466.
[ 9 ]冯国章,李瑛,李佩成. 河川径流年内分配不均匀性的量化研究[ J ]. 西北农业大学学报, 2000, 28 (3) : 50 - 53.
[ 10 ]燕华云,杨贵林,汪青春. 长江源区径流年内分配时程变化规律分析[ J ]. 冰川冻土, 2006, 28 (4) : 526 - 529.
[ 11 ]郑红星,刘昌明. 黄河源区径流年内分配变化规律研究[ J ]. 地理科学进展, 2003, 22 (6) : 585～590.
[ 12 ]王纪军,裴铁璠,顾万龙,等. 降水年内分配不均匀性指标[ J ]. 生态学杂志, 2007, 26 (9) : 1364 - 1368.
[ 13 ]张健. 汾河上游水土保持综合治理工程成绩斐然[ J ]. 中国水土保持, 2005, 10 (Total No. 283) : 9 - 10.
作者简介: 胡彩虹(1968 - ) ,女,山西平遥人,工学博士,副教授,主要从事水文学及水资源方面的研究。
