西苕溪徑流變化特性及影響因素分析

蔡 娟,許有鵬,石 怡

(南京大學地理與海洋科學學院,江蘇南京 210093)

西苕溪徑流變化特性及影響因素分析

蔡 娟,許有鵬,石 怡

(南京大學地理與海洋科學學院,江蘇南京 210093)

以西苕溪橫塘村站以上流域為研究對象,基于長期水文氣象實測資料,運用多種數值分析方法、累積距平法以及Mann-Kendall非參數檢驗法,分析了1972—2009年西苕溪徑流年內和年際變化特征、變化趨勢及其影響因素。結果表明:西苕溪徑流年內分配不均勻程度自20世紀80年代初逐漸減弱;相比年降水,徑流的年際波動幅度普遍較大,2000年后流域基本處于枯水或偏枯狀態;年徑流量總體上呈顯著的減少趨勢,而年降水量減少趨勢微弱,且兩者相關性逐年代遞減;西苕溪徑流大幅度減少除降水驅動外,還與流域內水利工程、水土保持以及水資源利用等人類活動因素有關。

徑流;變化特征;降水;人類活動;西苕溪流域

隨著經濟社會的發展、人類活動的增強,水資源在自然形成的固有規律下,表現出新的特征[1]。近些年來,眾多研究人員對氣候變化和人類活動影響下的水資源演化規律做了大量研究[2-6],這些研究成果不僅有利于人們重新認識變化環境下的徑流演變特征,了解區域水資源變化的特性和趨勢,還有利于流域水資源的科學管理與合理開發。

西苕溪是太湖上游的重要支流,年均注入太湖水量為26.8億m3,約占太湖年均入湖水量的27.7%,其徑流演變特征直接關系太湖流域的來水情況,進而影響太湖流域水資源的開發利用和水環境保護。筆者選取西苕溪主要控制性水文站——橫塘村站以上的流域為研究區,運用多種分析方法,系統分析1972—2009年西苕溪橫塘村站徑流的年內和年際變化特征、變化趨勢及其影響因素。研究成果有利于更好地掌握西苕溪及太湖流域的水文情勢,具有一定的實際指導意義。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

西苕溪位于浙江省北部,流域集水面積(橫塘村以上)1316km2,地勢西南高,東北低,依次呈山地、丘陵、平原的梯度分布。流域屬亞熱帶季風性氣候區,年平均氣溫為 15.5℃。多年平均降水量為1465.8mm,徑流年內變化與降水基本一致,呈雙峰型,峰值主要出現在5—6月和9月,5—9月徑流量占全年徑流量的45%～54%。流域內土地利用類型以林地和耕地為主,地帶性土壤主要為紅壤和黃紅壤。

1.2 數據來源

為了分析研究區多年來的降水和徑流變化,筆者收集了1972—2009年流域內13個雨量站逐日降水數據以及同時期流量控制站橫塘村的逐日流量數據,這些數據來源于安吉縣水利局。研究區水系水文站、雨量站的分布如圖1所示。

圖1 研究區水系水文站、雨量站分布

2 徑流的年內變化

降水是西苕溪流域徑流的主要補給來源,受降水時空分布不均的影響,徑流年內變化明顯。大部分徑流主要集中在3—9月,占多年平均徑流量的77.12%,其中徑流量最大的3個月(6—8月)所占比例為38.84%;在季節分配上,橫塘村站徑流量夏季最豐,其次為春季、秋季,冬季因降水量明顯減少而相應減少,僅占多年平均徑流量的12.65%,為流域內的枯水時間。

為了更好地描述徑流年內變化特征,筆者對研究區徑流年內分配不均勻系數和集中度這2個特征值進行對比分析[7-8]。結果表明,橫塘村站徑流年內分配具有一定的不均勻性;集中度和不均勻系數表現出較好的同步性變化規律,除個別年份外,集中度高的年份,不均勻系數也大(圖2)。從各個年代變化看(表1),徑流集中度和不均勻系數變化規律一致,20世紀70年代到80年代,集中度和不均勻系數均有所上升,80年代后2指標開始下降。導致這種變化的原因可能有:70年代西苕溪上游賦石、老石坎2座大型水庫仍處于保壩擴建中,水庫調蓄功能不明顯;經歷60年代“大辦鋼鐵”、“三年困難時期”的嚴重毀林后,水土流失的綜合治理、小型水庫和蓄水塘壩的興建于70年代初才剛剛起步;而進入80年代后,隨著2個大型水庫的正式交付使用、其他水利設施的配套完善以及流域內停墾還林、封山育林、山地造林等水保措施的深入推進,流域調蓄功能增強,徑流年內分配集中程度開始減弱。

圖2 橫塘村站徑流集中度和不均勻系數年際變化

表1 橫塘村站不同時段徑流年內分配統計特征

3 徑流的年際變化及趨勢

3.1 徑流年際變化的特征值

徑流年際變化的特征通常采用年徑流變差系數和年際極值比來衡量。經計算,西苕溪橫塘村站多年平均徑流量為10.23億m3,實測最大流量(1999年)為17.01億m3,最小(1978年)為4.32億m3,變差系數和年際極值較大,分別為0.34和3.94,說明該流域徑流年際變化的起伏程度比較明顯。

3.2 徑流年際變化的長持續性

根據徑流豐枯等級的劃分標準[9],按距平百分率P來劃分徑流的豐枯等級。計算結果(圖3)顯示,西苕溪橫塘村站徑流豐枯變化明顯,1972—1999年間豐水年份所占比例約為46.4%,主要集中于20世紀80年代初至90年代末,豐水時段歷時最長為3年,相比之下,枯水年份所占比例僅為17.9%。而進入2000年后,流域尚未出現豐水年份,基本處于枯水或偏枯狀態。引發這種狀態的原因有:①流域內2000年后降水量明顯減少,僅占80年代多年平均降水量的86%;②隨著人口增長,農業灌溉以及工業生活用水消耗了大量的地表水。20世紀80年代安吉縣多年平均耗水量為0.95億m3,其中農業灌溉耗水0.833億m3,工業生活耗水0.149億m3,總耗水量占全縣多年平均徑流量的5.2%;2000年以后,農業灌溉和工業生活耗水量分別為0.946億m3和0.336億m3(2000、2002和2010年數據的算術平均),約是80年代相應耗水量的1.1倍和2.6倍,其中工業生活耗水量增加迅猛,總耗水量占多年平均徑流量的17.6%。

圖3 1972—2009年橫塘村站年際徑流豐枯變化

3.3 年徑流的變化趨勢分析

年徑流量的變化趨勢反映了徑流演變的總體規律。采用線性趨勢法和Mann-Kendall檢驗法[10],對年徑流系列趨勢性進行統計檢驗和分析。線性趨勢法定性地反映徑流系列的變化趨勢,Mann-Kendall檢驗法(以下簡稱M-K檢驗法)則對徑流系列的變化趨勢做出定量說明。分析結果表明,西苕溪橫塘村站年徑流系列的線性趨勢線傾向率為-0.10,呈下降趨勢;其M-K統計量Z值為-2.07(顯著水平α取0.1),說明38年來橫塘村站年徑流整體上呈現出顯著的負變化趨勢,通過95%顯著性檢驗。

4 影響因素分析

河川徑流量變化是自然條件和人類活動綜合作用的結果。以降水為徑流主要補給源的西苕溪流域,自然因素方面主要考慮降水對徑流的影響。人類活動因素方面,主要考慮包括流域內水利工程建設、水土保持措施引起的流域下墊面變化以及在經濟社會發展過程中水資源的利用3個因素。

4.1 降水因素

降水是徑流的主要來源,其量的多少直接影響徑流的變化。對西苕溪橫塘村站徑流量和研究區內年降水量做累積距平分析(圖4),可以看出,研究區內徑流量和降水量密切相關,兩者的曲線波動基本一致。降水量在20世紀80年代初到90年代末期間呈現出波動增長,2000年后則減少趨勢明顯,且普遍低于多年平均降水量,受此影響,徑流量表現出大致相同的變化過程。這與前文徑流年際變化的長持續性分析結果是一致的。值得注意的是,2007年以后降水量開始增加,而對應的徑流量仍持續減少。通過計算 1972—2009年降水、徑流距平百分率(圖5)可知,年徑流在年間的波動幅度普遍大于年降水的波動幅度。相比年徑流,降水系列經M-K檢驗后,其統計量Z為-1.08,下降趨勢不顯著。此外,不同年代的降水、徑流相關系數的分析結果表明,兩者相關性表現為逐年代遞減,由20世紀70年代的0.97減小到2000年以后的0.79。

圖4 降水—徑流累積距平

圖5 年降水、年徑流距平百分率變化

以上各種分析結果在一定程度上說明:西苕溪年徑流的變化主要是流域降水造成的,但降水并非是影響徑流演變的唯一因素。隨著經濟社會的發展,人類活動因素所導致的徑流減少量占徑流總減少量的比例會越來越大。

4.2 人類活動因素

4.2.1 流域水利工程建設

西苕溪流域水利工程數量眾多。蓄水工程方面,西苕溪橫塘村站以上流域內共有大型水庫2座,總集水面積為589km2,總庫容3.33億m3,正常庫容1.565億m3,都是以防洪為主,結合供水、發電、灌溉、養魚的綜合性水庫;小型水庫45座,總庫容達1509萬m3。引水工程方面,共有堰壩146座,其中灌溉面積為666hm2以上的堰壩3座,66～666hm2的17座,6～66 hm2以下的 126座,總灌溉面積達1.4萬hm2左右;流域內還有中型引水工程1座(賦石渠道),其水源為賦石水庫,設計供水能力為9235萬m3,設計灌溉面積8133hm2。此外,還有大量的山塘、塘壩以及小規模的引、提水工程。這些水利工程改變了徑流在時間和空間上的分配,使得河道水量日益減少。

4.2.2 流域水土保持措施

西苕溪上游流域水土保持措施改變了流域下墊面條件,導致入滲、蒸散發等要素發生變化,進而改變了產流條件。通過停墾還林、封山育林、山地造林等生物措施以及谷坊、魚鱗坑等工程措施,僅20世紀90年代初至今,水土流失綜合治理程度達64.3%,森林覆蓋率從55.9%提高到69.4%,25度以上坡耕地的退耕還林比例達96%,林草保存面積占宜林宜草面積的90%。水土保持措施加大了流域植被對天然降水的截留作用,增強了流域蓄水能力,從而對流域徑流造成影響。

4.2.3 水資源利用

一方面,由于工業的發展和城鎮化建設、農村飲用水工程的實施使得工業用水、生活用水量不斷增加。農業用水在總用水量中比重雖不斷下降,但仍占河道外總引用水量的71.0%左右,從而消耗了大量的地表水資源。另一方面,由于地方經濟不發達,節水意識缺乏,用水浪費現象嚴重。工業用水上,以家居、竹制品、造紙、水電等耗水企業為主,很多企業設備陳舊、工藝落后,耗水量大;農業用水上,灌溉工程標準低,大多已老化失修,灌溉管理粗放,灌水技術落后,大水漫灌、跑馬水現象嚴重;城鎮居民用水上,給水管網漏損率高達15%～20%,而發達國家漏損率僅5%左右。水資源的高需求量以及水資源的低利用率勢必造成更多的水資源消耗,進而影響河道徑流量。

5 結果與討論

5.1 結果

a.西苕溪徑流年內分配的不均勻性表現出先增加后減弱的變化過程,相比年降水,年徑流的年際波動幅度普遍較大;20世紀80年代初至90年代為流域豐水期,而2000年后流域基本處于枯水或偏枯狀態。

b.1972—2009年西苕溪年徑流整體上表現出顯著的減少趨勢,而年降水量減少趨勢微弱。年降水與年徑流的相關系數逐年代遞減,由0.97減少到0.79,說明降水與徑流的關系越來越復雜,人類活動對徑流減少的影響逐漸突出。

c.研究時段內西苕溪年徑流表現出的變化特性是降水和人類活動雙重作用的結果。流域內水利工程的調蓄、水土保持措施的實施以及工農業生產生活用水的猛增等人類活動是引發年徑流減少的重要影響因素。

5.2 討論

近十幾年來,西苕溪流域內城鎮化進程加快,大量的耕地和林地轉換為建設用地,但由于土地利用變化后的不透水面積比例僅占研究區總面積的4.6%,由此產生的城鎮化水文效應不明顯。因此,筆者未將人類活動因素中城鎮化對徑流的影響作為解釋西苕溪年徑流大幅度減少的影響因素。此外,受資料限制,筆者針對各項影響因素的定量分析還不夠充分。因此,如何利用現有的各類實測數據,建立科學、準確的徑流驅動力模型,計算并預測各項影響因素對徑流變化的貢獻率,并依此使人類活動對徑流演變的不利影響降到最低,將成為今后重要的研究內容之一。

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Analysis of characteristics and influencing factors of runoff variations in Xitiaoxi Basin

CAI Juan,XU You-peng,SHI Yi
(School of Geographic and Oceanographic Sciences,Nanjing University,Nanjing 210093,China)

Using upstream of Hengtangcun station in Xitiaoxi Basin as a study target,the characteristics,trend and influencing factors of annual runoff variation from 1972 to 2009 was analyzed with various numerical analysis methods,cumulative average deviation method and Mann-Kendall method based on long-term hydrological and meteorological observation data.The results indicated that the distribution of annual runoff was uneven,and the non-uniformity of distribution had weakened since 1980's.Compared to annual precipitation,annual runoff showed a bigger fluctuation,and the basin had been in a state of low flow or dried up since 2000.There was a significant decline in the annual runoff,while the decline trend in precipitation was not significant,and the correlation between precipitation and runoff was decreasing year after year.Precipitation was not the only factor influencing the runoff,and human activities such as hydraulic engineering,soil and water conservation,and water resources utilization were important factors for the large decrease of annual runoff.

runoff;variation characteristics;precipitation;human activities;Xitiaoxi Basin

TV121+.4

A

1004-6933(2011)03-0016-04

10.3969/j.issn.1004-6933.2011.03.004

國家自然科學基金(40730635);水利部公益性行業科研專項(200701024,200901042);國家自然科學基金(40571025)

蔡娟(1984—),女,江蘇鎮江人,碩士研究生,研究方向為水資源水環境。E-mail:zixuan750@163.com

(收稿日期:2010-10-08 編輯:徐 娟)