桃林口水庫(kù)降水徑流變化特征分析

鄔 龍 ，何長(zhǎng)寬，王艷艷 ，徐世賓 ，李博超，王 佳

（1．水利部河北水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250；2.天津普澤工程咨詢(xún)有限責(zé)任公司，天津 300204）

1 引言

桃林口水庫(kù)位于灤河主要支流青龍河上，控制流域面積5 060 km2，總庫(kù)容8.59億m3。水庫(kù)主體工程于1998年建設(shè)完工，于2000年8月通過(guò)竣工驗(yàn)收。桃林口水庫(kù)為多年調(diào)節(jié)運(yùn)用水庫(kù)，主要以城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電、旅游，是秦皇島城市用水的主要水源地。截至2009年，已累計(jì)向下游供水近24億m3，發(fā)電1.60億kW·h，對(duì)冀東地區(qū)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)發(fā)展及生態(tài)改善起到了重要的保障作用。

近年來(lái)，受氣候條件變化及人類(lèi)活動(dòng)的影響，桃林口水庫(kù)水資源狀況發(fā)生了顯著的變化，入庫(kù)徑流量大幅度衰減，相同量級(jí)的降水過(guò)程徑流顯著減少。因此，非常有必要對(duì)桃林口水庫(kù)的降水徑流變化特征、變化成因進(jìn)行分析研究，從而為水庫(kù)水資源開(kāi)發(fā)、利用、優(yōu)化配置和運(yùn)行管理提供有力支撐。

2 降水變化特征分析

2.1 降水豐枯變化特征分析

降水豐枯變化特征選用差積曲線(xiàn)法。選用流域降水中心典型雨量站——叼爾登站1954—2009年降水量系列資料繪制了年降水量的差積曲線(xiàn)，如圖1所示。

圖1 典型雨量站年降水量差積曲線(xiàn)

從圖1中可以看出，1954—1979和1985—1998年降水量總體上偏豐，屬于大豐水年；1979—1985年降水量總體上偏枯，屬于大枯水年；1998—2009年降水量又總體上偏枯；豐枯變化交替出現(xiàn)。大的豐、枯、平水期中又存在小的豐、枯、平水期，例如1985—1998年大豐水年中存在1989、1992年等枯水年份以及1987、1993年等平水年份。

2.2 降水時(shí)間變化特征分析

降水時(shí)間變化特征分析采用Mann-Kendall非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗(yàn)方法。與參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法相比，Mann-Kendall檢驗(yàn)法更適用于非正態(tài)分布的時(shí)間序列。

從流域上游至下游，分別選用楊樹(shù)嶺、叼爾登、土門(mén)子、雙山子等典型雨量站1959—2009年汛期及年降水量系列進(jìn)行趨勢(shì)性分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 典型雨量站Kendall檢驗(yàn)結(jié)果

從分析結(jié)果可知，桃林口水庫(kù)中下游流域降水量具有顯著的下降趨勢(shì)；而中上游流域降水量雖具有一定下降趨勢(shì)，但不顯著；且汛期較年降水量下降趨勢(shì)更明顯。這可能與中下游流域受人類(lèi)活動(dòng)影響較為顯著，導(dǎo)致下墊面條件的劇烈變化，以及本流域及周邊流域水利工程興建蓄水，造成中下游流域局部氣候條件變化等因素有關(guān)。典型雨量站年、汛期降水量過(guò)程及線(xiàn)性變化趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 桃林口典型雨量站汛期、年降水量過(guò)程

2.3 降水空間變化特征分析

降水的空間分布是影響洪水徑流的主要因素之一。同一量級(jí)降水，如果降水中心在流域上游，則匯流過(guò)程中下滲損失較大，致使徑流洪水較小。可根據(jù)流域內(nèi)各雨量站實(shí)測(cè)降水量占流域平均降水量的比例大小，并分析其在長(zhǎng)時(shí)間序列中的變化趨勢(shì)，來(lái)研究降水中心的變化情況，進(jìn)而對(duì)流域降水的空間變化進(jìn)行分析。

從流域上游至下游分別選擇楊樹(shù)嶺、叼爾登、土門(mén)子、雙山子等典型雨量站，根據(jù)汛期6—9月降水量占流域面平均雨量比例的變化趨勢(shì)，分析流域降水空間變化特征，結(jié)果如圖3所示。

依據(jù)Mann-Kendall檢驗(yàn)法分析可發(fā)現(xiàn)，桃林口水庫(kù)上游楊樹(shù)嶺站汛期降水量占流域面降水量比例有顯著上升的趨勢(shì)；中上游叼爾登站所占比例有上升趨勢(shì)，但不顯著；中下游土門(mén)子站所占比例基本保持平穩(wěn)；下游雙山子站所占比例有下降趨勢(shì)。結(jié)果表明，本流域降水空間分布隨著時(shí)間的推移有了一定變化，降水空間分布有向中上游轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，可能將導(dǎo)致入庫(kù)徑流洪水減少。但降水中心仍然主要位于中上游的叼爾登站。

3 徑流變化特征分析

徑流是降水在土壤-植被-大氣間進(jìn)行重新分配時(shí)，在滿(mǎn)足土壤滲透能力或蓄水能力、植被截留攔蓄能力及大氣蒸散發(fā)能力后的剩余量。徑流過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜多變的過(guò)程，與水資源的開(kāi)發(fā)利用和水環(huán)境保護(hù)等生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密切相關(guān)。

利用Mann-Kendall檢驗(yàn)法，對(duì)桃林口水庫(kù)1929—2009年經(jīng)插補(bǔ)延長(zhǎng)后的入庫(kù)年徑流過(guò)程分析，發(fā)現(xiàn)入庫(kù)徑流序列具有高度顯著的下降趨勢(shì)，尤其進(jìn)入20世紀(jì)70年代以來(lái)，下降趨勢(shì)尤為顯著；而20世紀(jì)70年代之前的入庫(kù)徑流過(guò)程基本無(wú)明顯的變化趨勢(shì)。桃林口水庫(kù)入庫(kù)年徑流線(xiàn)性變化過(guò)程如圖4所示。

圖3 桃林口典型雨量站汛期降水量占流域降水量比例變化趨勢(shì)

圖4 桃林口水庫(kù)入庫(kù)徑流線(xiàn)性變化過(guò)程

根據(jù)上述分析，桃林口水庫(kù)控制流域降水、徑流系列的顯著下降主要發(fā)生在20世紀(jì)70年代后期以來(lái)，這與人類(lèi)活動(dòng)對(duì)本流域的規(guī)模化影響起始時(shí)間基本一致。以1978年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，1959—1977年多年平均降水、 徑流量分別為 643.5 mm、9.264億 m3；而1978—2009年多年平均降水、徑流量分別為568.8mm、5.010億 m3。后者較前者降水量減少了12%，而入庫(kù)徑流量減少幅度卻達(dá)到了46%。這表明人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的下墊面劇烈變化對(duì)入庫(kù)徑流過(guò)程影響較大。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）桃林口水庫(kù)入庫(kù)水資源量呈下降趨勢(shì)，尤其進(jìn)入20世紀(jì)70年代后期以來(lái)，入庫(kù)水資源量呈高度顯著的下降趨勢(shì)。

（2）流域降水過(guò)程的時(shí)空變化，是導(dǎo)致入庫(kù)水資源量減少的直接原因。此外，近10年來(lái)為本流域較大的枯水期，流域降水量較其他時(shí)期明顯減少，也是導(dǎo)致入庫(kù)徑流量減少的原因之一。

（3）本流域降水過(guò)程具有顯著的下降趨勢(shì)，而入庫(kù)徑流過(guò)程達(dá)到高度顯著的下降趨勢(shì)，說(shuō)明人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的下墊面劇烈變化對(duì)桃林口水庫(kù)入庫(kù)徑流過(guò)程影響較大。

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