中图分类号: P333 文献标识码: A文章编号: 1007-2284(2011) 02-0043- 03
Trend Analysis of Runoff Generation and Convergence Characteristics and Influencing Factors in DaqingheWatershed
CHEN Fu-long1 , LI Jian-zhu2
Abstract: To st udy the tr end of runoff generation and convergence characteristics and the influencing factors, Zijingguan and Fuping sub-water sheds are selected. Mann-Kendall Rank Correlation Test is used to analyze the storm-runoff data during 1956-2005 in the two sub-watersheds. The results show that runoff volume and coefficients have a decreasing trend, and lag time of peak flow and time of peak are increasing . The decrease in precipitation has a direct effect on runoff generation and convergence, but t he underlying surface change also contributes to runoff generation and convergence in Daqinghe Watershed.
Key words: Daqinghe Watershed; char acteristics of runoff generation and convergence; trend analysis
0 引言
气候变化和人类活动的影响导致流域的水文要素发生了一定的变化, 从而引起流域产汇流的变化。水文序列趋势分析是揭示水文要素变化的主要方法。刘昌明等采用M ann-Ken-dall 方法, 对黄河流域的兰州站和花园口站的水循环要素进行了分析, 研究了用水量的增加、降水减少以及径流系数减小与黄河流域水循环变化的关系[1] 。水文参数的趋势变化受到气候因素和人类活动的共同影响[2- 6] , 郝芳华等分析了黄河小花间石山林区产汇流特征, 结果表明, 年径流量的变化主要受控于降水特性, 下垫面的改变和人类活动对年降水径流关系影响并不显著[7] 。冯平等研究了潘家口水库入库水资源的变化趋势, 并指出降雨量的减少及下垫面的变化是导致入库水资源呈减少趋势的原因[8] 。
从近年来的实测资料分析看, 环境变化已对大清河水系的水资源及洪水产生了巨大影响。在变化环境下重新认识径流的变化规律, 对大清河流域暴雨洪水预报、水资源规划以及水资源统一管理调度等方面有着重要的意义。本文选取流域内紫荆关和阜平典型山区的实测暴雨洪水资料, 分析了其产汇流特性变化趋势及其影响因素。
1 研究区域和方法
1. 1 研究区域
大清河系地处海河流域的中部, 位于东经113°39′~ 117°34′, 北纬38°10′~ 40°102′, 西起太行山区, 东至渤海湾, 北界永定河, 南临子牙河, 长10 km以上的山区河道有9 条, 呈扇形分布。流域面积43 060 km2 (其中山区面积18 659 km2 , 占43. 3%, 平原面积24 401 km2 , 占56. 7%) , 流经山西、河北、北京和天津4 省(市) 。见图1。
图1 大清河水系及研究流域
Fig. 1 Daqinghe watershed and the study area
紫荆关位于大清河流域北支拒马河上游, 流域内设有12处雨量站, 本次分析采用了斜山、艾河、涞源、石门、东团堡、插箭岭、王安镇、紫荆关8 个雨量资料系列长、在流域上分布较均匀的站。紫荆关以上流域面积1 760 km2, 实测最高水位523. 20 m, 最大洪峰流量为4 490 m3 / s(1963 年) ; 最大年雨量 463. 6 mm(1956 年) , 多年平均雨量约650 mm。
阜平位于大清河南支沙河支流上, 阜平以上流域控制面积2 210 km2 , 流域多年平均降雨量约600 mm。阜平水文站实测最高水位254. 10 m, 最大洪峰流量3 380 m3 / s(1963 年) ; 本次分析了庄旺、下庄、冉庄、不老台、沙窝、龙泉关、桥南沟、阜平8个雨量资料系列长、在流域上分布较均匀的站。
1. 2 研究方法
水文序列的分析方法主要有Mann-Kenda ll 秩次相关检验法、滑动平均法和线性回归法等。本文采用M ann-Kendall 秩次相关检验法对产汇流特征值变化趋势进行分析。Mann-Kendall 检验由Mann 和Kendall 提出[9, 10] , 已广泛应用于分析降水、径流和水质等要素时间序列的趋势变化[11, 12] 。
对于具有n 个样本量的时间序列x , 确定所有对偶值(x i ,x j ) (j > i) 中x i < x j 的出现个数k , 构造统计量:
给定显著性水平α, 查Uα/2 , 当| U| < Uα/2 时, 趋势不显著;反之, 趋势显著。
2 产流特性变化趋势分析
在紫荆关流域和阜平流域分别选取了1956- 2005 和1958- 2005 年的实测暴雨洪水资料, 并从中选取每年量级最大的洪水及其对应的降雨进行分析, 计算其次洪径流系数。取显著性水平α= 0. 05情况下, 临界值为±1.96。表1 为紫荆关流域和阜平流域产流特性参数Mann-Kendall 秩次检验的统计变化情况。
2. 1 降雨量
紫荆关流域和阜平流域的次降雨量Kendall 秩次相关检验值的绝对值均小于1. 96, 说明在显著性水平α= 0. 05 情况下,次降雨量变化趋势不显著, 因为检验值均为负值, 这说明呈下降趋势。其中, 紫荆关变化相对较大, 达到- 1. 75, 阜平检验值为- 0. 19, 具有微弱的下降趋势。
表1 大清河流域典型区产流特征参数检验统计值
Tab. 1 Test values of runoff generation parameters in study area of Daqinghe Watershed
2. 2 径流量
同样可以给出紫荆关站和阜平站次洪量Mann-Kendall 秩次检验的统计变化情况。与次降雨量相比, 次洪量整体具有更为明显的下降趋势, 其中紫荆关流域达到了-3.16, 说明在显著性水平α=0.05 情况下, 紫荆关流域次洪量具有明显的下降趋势。阜平流域次洪量虽有下降趋势, 但不明显, 没有达到95%的显著性水平。
2. 3 径流系数
紫荆关流域和阜平流域的径流系数Kendall 秩次相关检验值均为负值, 这说明呈下降趋势。紫荆关流域统计检验值为- 2. 58, 在显著性水平α= 0. 05 情况下, 具有明显的下降趋势。阜平流域为- 1. 77, 说明下降趋势不显著。
3 汇流特性变化趋势分析
根据每年量级最大的洪水及其对应的降雨过程, 统计了洪峰滞时, 推导了每次洪水的地表汇流单位线, 并分析了它们的变化趋势, 表2为紫荆关流域和阜平流域汇流特性参数Mann-Kendall 秩次检验的统计变化情况。
表2 大清河流域典型区洪峰滞时、单位线峰值及单位线峰现时间检验统计值
Tab. 2 Test values of runoff convergence parameters in study area of Daqinghe watershed
3. 1 洪峰滞时
紫荆关流域和阜平流域的洪峰滞时Kendall 秩次相关检验值的绝对值均小于1. 96, 说明在显著性水平α= 0. 05 情况下,次降雨量变化趋势不显著, 因为检验值均为正值, 这说明呈上升趋势。其中, 阜平流域变化相对较大, 为0. 91。
3. 2 单位线峰值
紫荆关流域和阜平流域的单位线峰值Kendall 秩次相关检验值的绝对值均小于1. 96, 说明在显著性水平?= 0. 05 情况下, 单位线峰值变化趋势不显著, 因为检验值均为负值, 这说明呈下降趋势。
3. 3 单位线峰现时间
从单位净雨的中心到单位线洪峰的时距称为单位线峰现时间。紫荆关流域和阜平流域的单位线峰值Kendall 秩次相关检验值的绝对值均小于1. 96, 说明在显著性水平α= 0. 05 情况下, 单位线峰现时间变化趋势不显著, 因为检验值均为正值, 这说明呈上升趋势。
4 影响产汇流特性变化的因素
4. 1 降雨因素
降雨量是影响径流量的直接因素, 从而影响径流系数。由前面分析可知, 紫荆关流域和阜平流域降雨量都呈现下降趋势, 因此导致洪量和次洪径流系数的减少。
4. 2 下垫面因素
4. 2. 1 土地利用和覆被变化
紫荆关流域和阜平流域的土地利用情况在发生着很大的变化, 分析2 个流域的1980 年和2000 年遥感资料, 可得到流域的土地利用变化情况(见表3) 。
表3 1980- 2000 年土地利用结构变化
Tab. 3 The variations of land use during 1980- 2000
3. 2 单位线峰值
紫荆关流域和阜平流域的单位线峰值Kendall 秩次相关检验值的绝对值均小于1. 96, 说明在显著性水平α= 0. 05 情况下, 单位线峰值变化趋势不显著, 因为检验值均为负值, 这说明呈下降趋势。
3. 3 单位线峰现时间
从单位净雨的中心到单位线洪峰的时距称为单位线峰现时间。紫荆关流域和阜平流域的单位线峰值Kendall 秩次相关检验值的绝对值均小于1. 96, 说明在显著性水平?= 0. 05 情况下, 单位线峰现时间变化趋势不显著, 因为检验值均为正值, 这说明呈上升趋势。
4 影响产汇流特性变化的因素
4. 1 降雨因素
降雨量是影响径流量的直接因素, 从而影响径流系数。由前面分析可知, 紫荆关流域和阜平流域降雨量都呈现下降趋势, 因此导致洪量和次洪径流系数的减少。
4. 2 下垫面因素
4. 2. 1 土地利用和覆被变化
紫荆关流域和阜平流域的土地利用情况在发生着很大的变化, 分析2 个流域的1980 年和2000 年遥感资料, 可得到流域的土地利用变化情况(见表3) 。
表3 1980- 2000 年土地利用结构变化
Tab. 3 The variations of land use during 1980- 2000
从表3 可以看出: 1980 - 2000 年, 紫荆关流域的旱地、林地、建筑用地、水域呈减少趋势, 灌木林、草地、滩地略有增加;阜平以上流域的旱地呈明显的增加趋势, 林地呈减少趋势, 灌木林和草地略有增加。土地利用和覆被变化改变了降雨下渗量及地面径流汇流速度, 对产汇流特性产生了影响。
4. 2. 2 土壤蓄水容量变化
流域最大蓄水容量I m , 即包气带中影响土层的最大蓄水容量, 由实测雨洪资料中选取久旱不雨后较大或全流域产流的一次降雨量资料求得, 因雨前干旱, 故:
I m = P - R - Fc T c - E (2)
式中: P 为流域次平均降雨量; R 为次降雨产生的径流量; Fc 为稳定下渗率; Tc 为稳定历时; E 为蒸发量。
根据式( 4) 可以计算紫荆关流域1980 年前平均流域最大蓄水容量为110 mm, 阜平流域为115 mm; 1980 年后均紫荆关流域最大蓄水容量为130 mm, 阜平流域为128 mm。
这说明, 流域蓄水容量的增大, 导致更多的降雨下渗到土壤中, 补充了土壤含水量, 导致洪水量级的减少, 从而使汇流速度减小, 汇流单位线峰现时间增大, 峰值减小。
4. 2. 3 下垫面变化对产流量的影响
从紫荆关流域和阜平流域实测降雨径流资料中分别选取96 场和87 场暴雨洪水过程, 计算每场洪水对应的洪水总量R以及降雨总量P , 并求出该场洪水的前期影响雨量P a, 将P +Pa 与R 的关系分为20 世纪80 年代前和80 年代后2 个时段,在同一张图上点绘不同时期的(1980 年前、后) P+ Pa ~ R 相关点据, 并根据点据分布趋势建立相应的P + Pa ~ R 相关关系。如图2 所示。
图2 1980 年前后降雨径流关系变化图
Fig. 2 The relationship between precipitation and runoff pre and post 1980
从图2 中可以看出, 20 世纪80 年代后的点据大致分布在20 世纪80 年代前点据的左侧, 从趋势线也可看出, 相同降雨量情况下, 80 年代后的产流量小于80 年代前产流量。这说明, 气候条件稳定的情况下, 流域下垫面条件的变化对产流量产生了影响, 从而影响汇流速度、洪峰滞时等特性。
5 结论
由于气候变化和人类活动的影响, 大清河水系山区产汇流特性发生了变化。选择紫荆关流域和阜平流域为代表区, 根据实测暴雨洪水资料, 分析了产汇流参数的变化趋势, 得出了以下主要结论:
(1) 大清河流域径流量和径流系数呈减少的趋势, 其中紫荆关流域径流量和径流系数减少趋势显著, 阜平流域径流量和径流系数减少趋势不显著。
(2) 大清河流域洪峰滞时和单位线峰现时间均呈不明显的增加趋势; 单位线峰值呈减少的趋势, 但减少趋势不显著。
(3) 产汇流特性变化是气候因素和下垫面因素共同作用的结果。降雨量的减少直接导致了洪量和径流系数的减少。另外, 下垫面的变化导致降雨径流关系发生变化, 相同降雨量产生的次洪量减少, 且洪水量级的减小影响了汇流单位线峰值和峰现时间。
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作者简介: 陈伏龙(1978-) , 男, 讲师, 主要从事水文学及水资源问题的研究。
