祖厲河流域徑流變化規律研究

任 東

(甘肅省定西水文水資源勘測局 甘肅定西 743000)

確定河流徑流量的變化情況、趨勢及其原因是區域水資源評價、水資源演化趨勢預測的重要內容,是區域水資源規劃研究的基礎性工作。近年來,黃河流域年徑流持續偏枯,水資源問題日益突出,氣候變化和人類活動對黃河流域區域水資源的影響因此受到廣泛關注。在此以祖厲河流域為研究對象,分析祖厲河流域徑流變化規律及其原因,定量評價自然因素 (主要是氣候變化)和人類活動對該區域水資源的影響程度。

祖厲河是黃河的一級支流,發源于甘肅省會寧縣南部的華家嶺北麓,干流長度220km,于甘肅省靖遠縣境內匯入黃河。流域屬隴西黃土高原的一部分,面積為10647km2,屬我國水資源三級區。

1 資料系列的確定

1.1 徑流資料的選取及其代表性分析

采用靖遠水文站1956～2005年時段內的實測徑流量資料,作為祖厲河流域徑流資料進行計算和分析。

靖遠水文站是祖厲河的下游控制站,位于祖厲河流域的出口處 (河口地區),集水面積為10647km2。靖遠水文站控制了祖厲河流域的全部來水量。

1.2 降水資料的選取及其代表性分析

選取祖厲河流域實測資料系列較長的華家嶺、黨家峴、紅土等14個雨量站作為流域代表站,這些代表站分布于流域內的不同高程、不同小流域內,具有較高的代表性。將這些代表站 1960～2005年間的降水量系列資料,用各站代表的子流域面積加權平均,獲得流域平均降水量 (面平均降水量)系列資料。

2 影響徑流變化的因素

河道內實測徑流量是自然因素與人類活動雙重作用的結果。一般情況下,自然因素對徑流的影響,主要是指氣候因素對徑流的影響,其中降水是影響徑流的重要因素。人類活動對區域地表水資源量的影響主要表現在兩個方面:一是河道外引用水和向河道內排水,使河道內的徑流量減少或增加;二是改變了下墊面條件,使流域產匯流條件 (即水平衡要素)發生了變化,造成產流量的變化。

2.1 人類活動的影響

眾所周知,由于農業灌溉、工業和城鎮生活用水、鼠害、跨流域引水、河道分洪、水土保持等人類活動的影響,水文站歷年的實測徑流資料往往不能代表當時的天然徑流量情況。在該流域內,影響徑流變化的人類活動主要有水庫工程、人工集雨、采礦、跨流域引水以及水土保持等。

2.1.1 水利工程對徑流的影響

該流域內的主要水利工程是靖會引黃電力提灌工程,該工程于1973年建成通水,跨流域從黃河引水至祖厲河流域內,用于農業灌溉和城鄉生活用水。由于有灌溉等回歸水的加入,可能使流域的實測徑流量有所增大。

點繪該流域1960～1972年、1973～2005年兩個系列的面平均降水量與實測徑流深的相關圖 (見圖1)。從圖1中可以看出,兩系列的點距沒有系統偏離現象,這說明跨流域引水對該流域徑流變化的影響不明顯。

圖1 祖厲河流域降水徑流關系圖

事實上,由于工程管理的不斷科學化,考慮到工程運營的成本問題,灌溉回歸水 (灌溉尾水)量是十分有限的。灌溉水進入土壤后轉化為土壤水分,土壤水分通過滲透、下滲和浸潤等向下運動。在半干旱黃土丘陵溝壑區,水循環的主要方式為土壤和大氣之間的循環過程。地下水基本上不參與水循環過程,土壤貯水量絕大部分消耗于蒸發過程。所以,灌溉水對地下水的補給也是有限的。

2.1.2 徑流系數的變化

計算該流域1960～2005年的徑流系數,發現徑流系數總是在0.01～0.05的范圍內變化,平均值為 0.03。除 1964和 1973年的徑流系數偏大(為0.05),1972、1974、1975和2001年的徑流系數偏小 (為0.01)外,其余40年的徑流系數都很穩定地以0.01的變幅在0.03(均值)上下波動。

研究表明,1964和1973年的降水量年內分配特別不均勻,降水主要集中在7月或8月,降雨強度大,超滲產流和蓄滿產流的現象都有發生的可能,結果導致在同樣的降水條件下徑流量的增大(徑流系數變大),1972、1974、1975和2001年的降水量年內分配明顯地比其它年份均勻,降雨強度減小,出現超滲產流的機會較少,地表徑流多由蓄滿產流形成,下滲損耗量增加,結果導致在同樣的降水條件下徑流量的減小 (徑流系數變小)。另外,從徑流系數變化趨勢圖 (圖略)中可以看出,偏大或偏小的徑流系數點距沒有系統偏離或階段性偏離現象。因此,徑流系數偏大或偏小,主要是自然因素引起的。

用流域平均降水量和徑流深之差除以流域平均降水量,得水量耗損率。計算表明,祖厲河流域水量耗損率在95%～99%之間波動,均值為97%。水量耗損率的數值較穩定,變化趨勢不明顯。這也表明人類活動對水量耗損的影響不明顯。

以上分析說明,人類活動對徑流變化的影響不明顯。

2.1.3 產流關系變化趨勢分析

人們普遍認為,由于近年來人類活動的影響,引起了流域下墊面的變化,使天然產匯流關系發生了變化,導致在同樣降水狀況下產流減少。也就是說,如果在同一量級的降水條件下,徑流有明顯的系統性偏小,則說明徑流受人類活動影響較大,否則影響不大。

為了分析人類活動前后徑流是否有趨勢性變化,點繪面平均降水量與徑流深的相關圖 (圖略)。

從圖中可以看出,1986～2005年的點距與1960～1985年的點距沒有明顯的系統偏離現象,反映了近20年來產匯流形勢沒有發生比較明顯的變化;1996～2005年的點距與1960～1995年的點距也沒有明顯的偏離跡象,反映出近10年以來產匯流形勢也沒有發生比較明顯的變化。這再一次說明,人類活動的影響并沒有較大程度地改變該流域的產流規律。

2.1.4 累積降水量與累積徑流深相關分析

點繪該流域面平均降水量與徑流深的累積量相關圖,并添加線性趨勢線 (見圖2)。

圖2 祖厲河降水～徑流累積相關圖

圖2 中,降水量與徑流深的累積量相關關系非常好,相關系數的平方值達0.9973。這說明該流域的產匯流關系比較穩定,也就是說,下墊面的變化﹙人類活動﹚對徑流的影響很小。

利用圖2建立祖厲河流域降水量與徑流深的計算模型:y=37.558x-509.75,式中y為年降水量累積值,x為年徑流累積值。

2.1.5 徑流變化規律

為了探討自然 (近似自然)條件下徑流的變化規律,必須排除人類活動的影響,對實測徑流資料進行還原校正。在該研究區,由于人類活動對徑流變化的影響不明顯,故靖遠水文站的實測徑流資料基本上準確地反映了當時的天然徑流量情況。

圖3 祖厲河流域年徑流變化過程圖

圖3 為1956～2005年靖遠站徑流量的變化過程。從圖中可以看出,徑流量的變化過程呈明顯的下降趨勢 (圖中虛線為趨勢線);再點繪徑流的10年滑動均值過程線 (圖略),在這個過程線上,也反映出年徑流總的變化趨勢呈下降態勢;經過肯德爾 (Kendall)秩次相關檢驗分析,證明年徑流量下降趨勢顯著。

圖4為研究區不同年代年徑流均值圖,圖中表明,20世紀50、60、70、80年代,各年代流域年徑流均值持續遞減,90年代稍有增加,進入新世紀后又大幅遞減。50～80年代,各年代流域年徑流均值的減少幅度分別為27.3%、15.4%、15.0%,90年代的增幅為5.8%,進入新世紀后,減少幅度達35.7%。

圖4 祖厲河流域各年代年徑流均值圖

2.2 降水量的變化特征

降水是河川徑流的補給源,是影響徑流的主要因素。點繪該流域年平均降水量變化過程 (圖略)。從圖中可以看出,降水量的變化過程也呈明顯的下降趨勢;再點繪年平均降水量的10年滑動均值過程線,在這個過程線上,同樣反映出降水量總的變化趨勢呈下降態勢;經過肯德爾 (Kendall)秩次相關檢驗分析,再次證明年降水量下降趨勢顯著。

繪制研究區不同年代年平均降水量均值圖,可以看出,20世紀60、70、80年代,流域年平均降水量均值持續遞減,90年代稍有增加,進入新世紀后又有所遞減。60～80年代,各年代流域年平均降水量均值的減少幅度分別為5.1%、9.7%,90年代的增幅為3.0%,進入新世紀后,減少幅度達7.9%。

3 徑流和降水的變化趨勢比較

把該流域年徑流變化過程圖 (圖3)和年平均降水量變化過程圖、年徑流10年滑動均值過程線圖和年平均降水量10年滑動均值過程線圖對比觀察,發現徑流和降水的變化趨勢很相似 (都呈持續減少趨勢),這一現象在該流域各年代年徑流均值圖 (圖4)和各年代年平均降水量均值圖中表現得更為明顯:20世紀60、70、80、90年代及新世紀初的前6年,各年代流域年平均降水量與年徑流均值的變化趨勢完全一致,而且徑流量的減少 (增加)幅度明顯比降水量的減少 (增加)幅度要大。這一方面反映了河流徑流量對氣候變化的反應敏感,另一方面也說明了降水量的減少是徑流量減少的直接原因。

4 結論與討論

通過對祖厲河流域徑流變化過程的分析,得出以下結論:

(1)人類活動的影響并沒有較大程度地改變祖厲河流域的產流規律,徑流變化受人類活動的影響不明顯?？梢赃@樣認為:流域內水土保持 (梯田、壩地的建設)、農村人畜飲水工程建設 (如集雨節灌)、礦物開采等人類活動改變了流域下墊面條件,減小了當地的徑流系數,可能對當地 (局部地區)的影響是嚴重的,但對徑流總量的影響有限。

(2)從20世紀50年代 (有實測徑流資料時)開始,祖厲河徑流量的變化過程呈明顯的下降趨勢。

(3)祖厲河流域的徑流量變化對氣候 (主要是降水量)變化的反映特別敏感。降水量的持續減少是祖厲河徑流量減少的主要原因。

(4)祖厲河流域的徑流變化趨勢,同近幾十年來黃河流域的徑流變化趨勢相一致。

1 張文勝,蔣蓉.馬頰河上游南樂站徑流變化分析[J].水文,2004,24(5):37-39.