中图分类号: TV121 文献标识码: A 文章编号: 1672-1683(2010) 04-0091-04
Trend Characteristics and Evolution Law of Runoff during Dry Season of the Ye he River Basin
ZHU Xue-si1 , CHEN Cui-qin1 , QIAO Guang-jian
Abstract: This article analyzes various factors that influenced on runoff during dry season, such as climate, underline surfaces, geology and precipitation. The correlation testing method is adopted to analyze change trend of runoff . The result show s that the tendency of run off is distinct with decreasing tendency. The ordinal cluster method is adopted to analyze the change law of runoff, and the result show s that the series of runoff is divided into two periods, the year of 1978 being the abrupt change point . Through correlation analysis of runoffs during flood and dry season, the regressions are apparent . The main influencing fact or on change of run off during dry season is human activity. So analysis and research on the change law and trend about runoff during dry season of Yehe River area can provide the scientific basis for the distribution and rational use of water resources in the area.
Key words: runoff during dry season; influencing factor; change trend; Yehe River basin
枯水径流是指当地面径流减少、河水主要接受地下水补给时的河川流量[1]。它是河川径流特殊情势的一种。枯水经历的时间为枯水期。以雨雪补给的北方河流, 除雨少的冬季为枯水期以外, 每年春末夏初的积雪融水由河网排泄后, 在夏季雨季到来之前, 还会经历一次枯水期。一旦流域前期蓄水量耗尽或地下水位降至不能再补给河流时, 就会引起严重干旱, 甚至河流断流。本文通过对冶河流域平山水文站枯季径流变化特征分析, 为该区域水资源分配与合理利用提供科学依据。
1 流域概况与降水径流特性
1. 1 流域概况
冶河为滹沱河流域最大一条支流, 分西、南两支。西支为绵河, 发源于山西省寿阳县土经岭, 全长187 km, 流域面积2736 km2, 其径流主要是娘子关泉群溢出水量。南支为甘陶河, 发源于山西省昔阳县沾土岭, 全长150 km, 流域面积2 564 km2。两支流于井陉县秀林镇北横口汇合后成为冶河,并在微水镇附近接纳金良河, 流域面积102 km2, 在北防口镇附近接纳小作河, 流域面积329 km2。冶河流域最下游的水量控制站为平山水文站, 集水面积6 420 km2。冶河自岩峰至北防口是岩溶裂隙地下水的溢出段, 地下水以泉的形式成群或成片出露, 统称威州泉群。
1. 2 降雨特征
该区多年平均气温12.8℃, 极端最高气温42.8℃, 极端最低气温- 17.9℃。多年平均降水量550.0 mm, 而且年内分配极不均匀, 年降水量的70%~80% 集中在汛期, 并多以暴雨的形式出现。武家窑站最大年降水量1705.55 mm, 发生在1956 年, 最小年降水量243.73 mm, 发生在1972 年, 极值比为7.0。流域降水量特征值计算成果见表1。
表1 冶河流域不同保证率降水量计算成果
Table 1 The calculation result s of precipitation of Yehe River basin under the different in surance rates
1. 3 径流时空分布
该流域地表径流量, 主要受降水量及降水强度的影响。利用1956 年- 2004 年该区降雨量资料系列分析计算, 多年平均水量1.74 亿m3。在实际水文统计应用中, 常用相对量即变差系数Cv , 以便于综合、比较。对于变差系数Cv 值的确定, 在适线中, 对系列中出现的特大特小值, 一般不做处理。偏差系数Cs 的取值一般用Cv / Cs 值来反映。冶河流域不同频率年径流量计算成果见表2。
表2 冶河流域不同保证率径流量计算成果
Table 2 The calculation results of runoff of Yehe River basin under the different insurance rates
该区径流量与降水量变化趋势基本一致, 年际变化很大。以历年年径流量最大值与最小值之间的比值K 来表示年际变化, 通过对该站1976年-2003年径流量资料分析, 最大值与最小值比值为7. 1。径流量的年际变化大于降水量的年际变化。
2 枯季径流影响因素分析
枯季径流来源主要是汛末滞留于流域内的蓄水量和枯季降水量, 以地下蓄水量补给为主。其影响因素主要有气候因素、下垫面因素、地质因素和降水强度等[2] 。
2. 1 气候因素
气候条件包括降雨、蒸发、温度、湿度、风等, 其中以降雨、蒸发最为重要, 直接影响流域内径流量与损失量[3]。降雨是径流的源泉, 蒸发对一次降水过程的作用不大, 而平时流域内地面水分主要消耗于蒸发。冶河流域多年降水量为550.0mm, 而多年平均水面蒸发量在1100~1200 mm。
该区域降水比较集中,一般集中在汛期, 因此, 汛期降雨对枯季径流影响较大。若汛期降水量较大, 流域蓄水量增大,枯水期径流也大。若枯水期降水量大, 枯水径流得到直接补给也大。
2. 2 下垫面因素
降水落至地面后, 在形成径流的过程中受到地面上流域自然地理特征(包括地形、植被、土壤、地质) 和河系特征(河长、河网密度、水系形状等) 的影响, 这些影响因素统称下垫面因素。它也是制约河川其它水文现象的重要因素[4]。
流域面积较大, 地下蓄水量就相对较大。此外, 河流较大, 槽道下切较深, 得到地下水的补给较多, 枯水期径流量也较大。久旱不雨时,流域面积较小的河流常会干涸断流, 而流域面积较大的河流仍有一定的流量。冶河域流域面积6 420km2 , 流域面积较大, 使枯季径流占总径流量的60.7%。植被可延缓地表径流, 使水分有更长的时间停留以利于下渗, 植被还可以减弱雨滴的溅击效果以增强下渗, 植物根系也可增加土壤孔隙进而有利于下渗。根据河北省土地利用现状调查资料, 流域内井陉县林地面积占总土地面积的17.78%, 园林面积占1. 95%。
森林对枯水径流的影响复杂, 一方面可阻滞地表径流, 有利于下渗, 故可增大地下蓄水量, 消减洪峰, 增大枯水径流, 另一方面, 森林的蒸腾消耗地下水, 故减小地下蓄水量, 从而使枯水径流得到补给减少。但研究表明, 森林拦截的水量远远大于吸收的水量, 因而消减洪峰、增大枯季径流的作用明显。
2. 3 地质因素
流域的地质状况和地质构造, 对枯季径流有明显的作用。如土壤和岩石的特性、地质构造以及岩溶等都会影响地下水储量及其对河流的补给[5]。若土壤松散, 岩石裂隙发育, 断层及其破碎带密集, 则有利于地下水储存, 枯水时, 地下水可对径流补给。
冶河流域地下水受地形地貌、底层岩性、地质构造、地下水补给条件限制, 按地下水的赋存条件可分为松散岩类孔隙水和碳酸盐类岩溶裂隙水。
松散岩类孔隙水, 系第四系全新统冲洪积砂卵砾石层孔隙潜水, 主要分布于冶河两岸, 沿河谷分布, 与下伏岩溶裂隙水水力联系密切。
碳酸盐类岩溶裂隙水, 主要分布于井陉盆地内。含水层为中奥陶统中厚层灰岩裂隙岩含水组, 下奥陶统亮甲山组结晶白云岩裂隙岩溶含水组, 下奥陶统冶里组、上寒武统白云岩、条带状灰岩, 中寒武统张下组灰岩裂隙岩含水组。地下水通过可溶岩地层中的溶孔、溶洞、溶蚀裂隙向排泄区径流, 并以泉水的形式溢出地表。冶河岩峰- 北防口之间的河道是盆地中的最低侵蚀排泄基准面, 大量的岩溶裂隙水沿此河段溢出, 形成泉群出露。
自20 世纪60 年代以来, 沿河两岸灌溉面积大幅度增加,农业用水量增大。在灌溉季节, 绵河天长镇至冶河微水区间基本断流, 下游径流量主要靠威州泉水补充。
2. 4 降水强度
植物截留量与降水量、降水历时、植被等因素有关。一般情况下, 当降雨量相同时, 降雨历时越长,植被覆盖率越大, 植物截留量也越大。另外, 在一年之中, 若小雨的次数多, 或降雨强度较小的降雨次数多, 每次均有一定的截留, 累积的截留量就大, 对地下水的补充也大。
降雨量扣除损失量即为产流量。降雨损失包括植物截留、下渗、填洼与蒸发, 其中以下渗为主。产流量是指降雨形成径流的那部分水量[6]。由于各流域所处的地理位置不同和各次降雨特性的差异, 一般把产流概化成两种形式: 蓄满产流: 北方多雨季节, 降水量大且强度也大时, 流域蓄水量较大,地下水位较高, 一次降雨后, 流域蓄水很容易达到饱和, 它不仅产生地表径流, 而且下渗水量中不全是损失, 其中一部分成为地下径流, 所以产流包括地面径流和地下径流两部分; 超渗产流: 在北方干旱地区少雨季节, 流域蓄水较少, 地下水埋藏较深, 一次降雨后流域蓄水达不到饱和, 下渗水量不形成地下径流, 只有当降雨强度大于下渗强度时才产生超渗雨, 形成地面径流。就产流形式分析, 蓄满产流形式对枯季径流影响较大, 而超渗产流对枯季径流作用较小。
2002年, 流域面平均雨量为508.6 mm, 在汛期有几场降雨强度较大, 雨量集中的暴雨, 年径流量为4.332 9亿m3。1991 年流域面降水量为511.3 mm, 年径流量为2.556 5 亿m3 。在年降水量基本形同的情况下, 径流量相差69.5%。说明降水强度对径流量影响较大。
3 枯季径流变化特征分析
由于流域产汇流机制在年内不同时段是变化的, 降雨径流关系在不同时段代表的物理意义也不尽相同。枯季径流主要是由于流域的蓄渗水量补给的, 从枯季径流变化间接反映流域蓄渗变化。汛期径流反映流域产汇流特征, 主要与流域下垫面有关。根据冶河流域平山水文站1956 年-2004 年监测资料, 以当年汛期(6月- 9月) 实测径流量作为汛期径流量, 以当年10 月至次年5 月实测径流量为枯季径流量。对枯季径流变化趋势和变化规律进行分析。
3. 1 枯季径流变化趋势分析
Mann-Kendall 非参数秩次相关检验法是一种检验时间资料系列是否具有变化趋势的方法, 这种方法的有点是不需要样本服从一定的分布, 也不受少数异常值的干扰, 常用于对径流、降水等时间序列的趋势检验[7]。
对于一个时间序列Ai , 确定序列所有对偶值(A i , A j ; i=1, 2,…, n- 1, j= i+ 1,…, n) 中的Ai 小于A j 的出现个数P ,检验统计量计算公式为[8] :
其中：, n 为序列长度。当序列长度n 增大时, U 趋于标准正态分布。
假定时间序列没有趋势变化, 在给定的显著水平α下, 可在标准正态分布表中查得临界值Uα/2 , 当|U| < Uα/2 时, 接受假设, 说明原时间序列没有显著趋势, 当|U| > U/2 时, 拒绝假设, 时间序列的趋势性显著。U为正值时, 序列呈现递增趋势, U为负值时, 序列呈现递减趋势。统计量U还可以作为衡量水文序列趋势性大小的标度, |U| 越大, 则在一定程度上可以说明序列的趋势性变化越显著。
对平山水文站年枯季径流系列, 首先计算统计量U, 根据已知条件n=48, P=27, 计算结果为:U=-9.5。在给定显著性水平α= 0.05 的条件下, 对统计量U=-9.5进行检验。Uα/ 2 = 1. 96, 则|U| > Uα/2 , 说明该流域枯季径流趋势显著, 而且U 为负值, 说明变化呈递减趋势。
以1956 年-2004年冶河平山站枯季径流资料分析, 枯季径流递减明显, 按照水量统计, 平均每年减少464万m3。造成枯季径流减少的主要原因:一是随着全球气温升高, 该流域降水量有所减少[9]; 二是流域内人类活动频繁, 开垦土地、提灌引水等。
3. 2 枯季径流变化规律分析
该流域枯季径流受人类活动因素影响, 使枯季径流系列出现明显变异点; 流域下垫面因素影响的作用, 枯季径流对汛期径流有较大的依赖性。
3. 2. 1 枯季径流过程变异点的识别与检验
有序聚类分析法是一种推求时间序列发生可能性突变点的有效方法[10] , 实际上也是推求最优分割点, 使得同类之间的离差平方和最小, 而类与类之间的离差平方和相对较大。对于一个时间序列A i , 首先分段计算时段离差平方和, 计算公式为:
Vτ= ∑ (A i - Aτ) 2 (2)
Vn-τ= ∑(Ai - An-τ) 2 (3)
式中: Aτ—突变点τ前的水文序列均值; An-τ—突变点τ后的水文序列均值。则总离差和为:
S n(τ)= Vτ+ Vn-τ (4)
求最优分割τ使S n (τ) 最小:
min&UPSilon;= ∑Sn (τ) ( 5)
利用有序聚类分析法对平山站枯季径流系列进行分析,计算出与τ对应的S n (τ) , 点绘Sn (τ) 曲线。当τ为1978 年时曲线达到最小值, 因此, 1978 年是枯季径流过程发生显著突变点。冶河流域平山站枯季径流变化过程见图1。
图1 冶河流域平山站枯季径流变化过程
Fig. 1 Changing process of runoff duing dryseas on of Pings han sation of the Yehe River basin
检查计算的变异点的显著性, 采用F 检验法进行验证[11] 。设x1 , x2 ,…, x n1 和y1, y 2 , …, yn2 分别代表变异点τ前后两个样本系列。样本均值和方差分别为:
设某一置信水平α, 以V1 、V2 为变量, 查F 分布表, 得出Fα, 与计算的F 值进行比较, 若F> Fα, 则认为两系列存在置信水平为α的显著差异。
根据公式(6) , 计算出1978 年前后系列差异的F 值为3.52, 大于置信水平为0.05 时的临界值F0.05 = 2.45, 由此可以认为冶河枯季径流系列在1978 年发生显著变异。
3. 2. 2 枯季变化规律分析
以1978年为临界点, 将平山站枯季径流量划分为两个时段, 1956年-1978年时段(时段1) 和1979年- 2004年时段(时段2) , 建立汛期径流量与枯季径流量非线性相关关系, 见图2。
图2 冶河流域平山站汛期径流与枯季径流系列时段变化
Fig. 2 The change of series periods of runoff during flood period and runoff during dry season of Pingshan staion of Yehe River basin
以1978 年为突变点, 分别对两个时段汛期径流与枯季径流关系回归效果进行检验。
计算统计参数回归平方和:
计算残差平方和:
计算统计量:
式中: S t—枯季径流量(万m3) ; St —时段平均枯季径流量(万m3 ) ; S^t—回归计算的枯季径流量(万m3 ) ; m—方程未知量个数; n—样本容量。
F 遵从分子自由度为m, 分母自由度为n- m- 1 的F 分布。给定显著性水平a, 若F> Fa, 则认为回归方程在置信水平为a 上具有显著意义。
利用两个时段的枯季径流资料, 第一时段F(1) 为39. 2,第二时段的F(2) 为27. 9。给定显著性水平a= 0. 05, 可得F0. 05 = 7. 82, 满足F> Fa, 则两个时段的枯季径流与汛期径流回归效果在置信水平0. 05 时具有显著意义。
枯季径流形成两个系列的原因, 通过对该流域用水调查,20 世纪80 年代平山水文站以上华能上安电厂建成, 固定用水量明显增加, 还有其他小型企业用水等, 是造成枯季径流减少的原因之一。汛期径流与枯季径流相关关系良好, 也和该流域地质构造关系密切, 汛期降水量大, 产生的径流量也大,在井陉盆地内, 地表水通过可溶岩地层中的溶孔、溶洞、溶蚀裂隙向排泄区径流, 并以泉水的形式溢出地表, 补充枯季径流。冶河岩峰- 北防口之间的河道是盆地中的最低侵蚀排泄基准面, 大量的岩溶裂隙水沿此河段溢出, 形成泉群出露[12] 。
4 结论
冶河流域径流的补给来源主要是大气降水, 径流和降水主要集中在5 月-10 月。由于受地质环境条件、流域下垫面因素作用, 汛期径流与枯季径流存在良好的相关关系。
该流域枯季径流呈持续较少的趋势, 其原因既有全球气温升高的大环境背景下, 该流域降水量减少的影响, 又有流域内用水量不断增加的影响。枯季径流变化受人类活动因素影响, 采用有序聚类法对枯季径流变化规律进行分析, 枯季径流系列发生变异, 形成两个时段, 其原因是沿岸工业用水增加对径流产生影响。
该流域枯季径流, 是沿河工业用水、灌溉用水的主要来源, 分析和研究冶河枯季径流变化规律, 为制定工农业用水方案提供科学依据。
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作者简介: 朱学思(1965-) , 男, 河北正定人, 高级工程师, 从事水文分析计算和水资源保护方面的工作。
