碧流河流域繭場水文站徑流變化分析

韓穎異

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

碧流河發源于遼寧省蓋州市棋盤嶺山南麓，干流全長156km，彎度系數1.12，平均比降1.89‰，是大連地區最大的河流。流域面積2814km2，多年平均徑流量8.6×108m3。碧流河中游于1986年建成碧流河水庫，主要任務是城市供水，兼有防洪、發電、灌溉、養殖、旅游等，水庫最大庫容9.34×108m3，是大連市最大的水源地，日供水能力120×104m3。

繭場水文站位于大連市莊河市桂云花鄉頭道嶺村，東經122°32′38″，北緯40°01′52″，集水面積1170km2，距河口98km，是碧流河水庫上游唯一入庫控制站。始建于1958年5月，是國家基本水文站、區域代表站，歷史最大洪峰3470m3/s(1994年8月16日)。觀測項目有水位、流量、泥沙、降水、蒸發、冰情、水質、土壤墑情、地下水、水文調查等。該站徑流變化對碧流河水庫中長期來水量預報、洪水預報、供水調度及大連城市供水安全都有重要影響，因此，分析繭場水文站徑流特征和變化規律可為區域水資源開發利用和大連城市供水安全提供科學依據。

1 資料來源和分析方法

1.1 資料來源

本文選取的繭場水文站1971—2017年逐日平均流量及最大最小流量等，來源于《遼寧省水文年鑒》，所有資料已經遼寧省水文水資源勘測局審查并整編，資料來源可靠。因該站1963—1970年停測，徑流序列長度為1971—2017年的47年。

1.2 分析方法

1.2.1變差系數和年際極值比

河川徑流是隨時間變化的水文現象，由于受天文、地理、氣象及人類活動等多種因素影響，變化十分復雜。研究徑流的年際變化，常用的方法有變差系數、年際極值比等。當變差系數和年際極值比大時，表示徑流的年際豐枯變化劇烈，易發生洪澇災害，對水資源開發利用有不利的一面；當變差系數和年際極值比小時，表示徑流的年際變化平緩，有利于徑流資源的利用。

變差系數Cv的計算式為：

(1)

式中，Ki—模比系數，即第i年的年徑流量與平均年徑流量的比值；n—系列長度。

年際極值比的計算公式為：

(2)

式中，Wmax、Wmin—最大、最小年徑流量。

1.2.2距平百分率及累積距平曲線

河川徑流年際變化有豐平枯的規律，可用距平百分率及累積距平曲線來判斷。

依據《水文情報預報規范》劃分豐平枯，劃分標準見表1。

表1 年徑流豐平枯水年劃分標準

距平百分率計算公式為：

(1)

河川徑流年際變化具有階段性特征，可用累積距平曲線來表示。即計算出每年的徑流量距平，然后逐年累加，得到一個累積序列，繪制曲線。當曲線上升表示偏豐水年，下降表示偏枯水年，曲線坡度反映徑流的豐枯強度。

1.2.3 滑動平均法

滑動平均法又稱移動平均法，是根據時間序列資料，逐項推移，依次計算包含一定項數的序時平均值，以反映長期趨勢的方法。利用滑動平均分析河川徑流年際整體趨勢特征，能消除研究序列的波動影響，較直觀的分析徑流序列在某一時段內變化的整體趨勢和局部特征。滑動平均表達式為：

(2)

式中，k—滑動長度，本文取10年；j=1，2，，n-k+1。

2 徑流變化分析

2.1 徑流年際變化

2.1.1 變化幅度

對繭場水文站1971—2017年徑流進行統計分析，其年徑流特征值見表2。

繭場水文站最大年徑流為7.98×108m3，最小年徑流為0.43×108m3，最大年徑流與最小年徑流比Cm為18.73，變差系數Cv為0.70。由此可見，繭場水文站年徑流變幅較大，變化劇烈。尤其是進入21世紀以后，豐枯變化更為劇烈，最大年徑流出現在2012年，最小年徑流出現在2000年。按年徑流量大小排序，后5位中有4年是發生在2000年及以后。

2.1.2 整體變化趨勢

繭場水文站徑流序列在1971—2017年期間的變化整體趨勢如圖1所示的10年滑動平均過程圖。可見年徑流變化的整體趨勢是20世紀70年代中期至21世紀2000年代中期為下降趨勢，2004年之后進入5年的上升階段，2010年之后進入下降期。

圖1 繭場水文站年徑流量與相應10年滑動平均過程圖

2.1.3 豐枯變化

依據距平百分率劃分豐水年、平水年及枯水年的標準，統計繭場水文站徑流系列豐、平、枯水年次數，豐水年和偏豐水年統計為豐水年，枯水年和偏枯水年統計為枯水年，見表3。

由表3可知，繭場水文站47年徑流系列中，豐水年出現19次，占40.4%；平水年出現4次，占8.5%；枯水年出現24次，占51.1%。連續2年以上豐水年組出現4次，最大連豐年數5年；連續2年以上枯水年組出現5次，最大連枯年數6年。

表2 繭場水文站徑流變化特征值(1971—2017年)

表3 繭場水文站豐、平、枯水年次數統計

總體是枯水年出現的概率大于豐水年，且連續枯水4年以上的占60%。

繭場水文站年際徑流變化的階段性用累積距平曲線表示，如圖2所示。

圖2 繭場水文站年徑流量累積距平曲線

圖2曲線清晰反映了繭場水文站徑流豐枯交替變化的階段性。1980—1988年積累曲線出現交替上升或下降，說明這一時段內豐水和枯水交替出現，且持續時間不長，一般不超過2年；1973—1979年、1994—1996年、2010—2013年連續上升，為連續豐水期，最短持續3年，最長7年；1989—1993年、1997—2009年、2014—2017年連續下降，為連續枯水期，最短持續4年，最長13年。由此說明，繭場水文站徑流年際變化具有較顯著的豐枯交替特征。

2.2 徑流年代變化

繭場水文站年代徑流特征值統計數據見表4。分析其年代徑流變化，可見20世紀70年代為豐水，枯水年出現2次，豐枯變化不劇烈；20世紀80年代為平水，枯水及偏枯水年出現4次，平水年出現2次，豐枯變化較劇烈；20世紀90年代為平水，枯水及偏枯水年出現5次，平水年出現2次，豐枯變化不劇烈；2000—2009年為枯水，只有1年為偏豐水，其余均為枯水及偏枯水年，處于1997—2009年長達13年的枯水期；2010年—現在為豐水，8年中豐枯水年數各占一半，豐枯變化最劇烈。

2.3 徑流年內變化

圖3 繭場水文站徑流年內分配過程線

繭場水文站徑流年內變化主要采用各月徑流量占年徑流量的百分比、變化幅度、各月徑流變差系數及徑流過程線來分析。繭場水文站多年平均徑流量年內分配見表5、各月徑流量Cv見表6，徑流年內分配過程線如圖3。由表5和圖3可以看出，繭場水文站徑流年內分配不均，月徑流量最大的是8月份，占年徑流量的44.01%，其次是7月份，占23.61%，月徑流量最小的是2月份，占年徑流量的0.73%；汛期(6—9月)徑流量占年徑流量的81.90%，7—8月徑流量占年徑流量的67.62%。多年平均徑流年內分配過程線呈單峰型，陡漲陡落，峰值出現在每年的8月份，谷值出現在每年的2月份；各年代平均徑流年內分配過程線峰型非常相似，均呈單峰型，除20世紀70年代峰值出現在7月份外，其它年代峰值均出現在8月份，谷值均出現2月份；20世紀70年代峰值最大，2000—2009年峰值最小，其它年代在多年均值上下，這與徑流年代豐枯規律吻合。

表5 繭場水文站多年平均徑流量年內分配(1971—2017年) 單位：108m3

表6 繭場水文站各月徑流量Cv

從表6的各月變差系數Cv值來分析，6月份Cv值最大，為1.74，徑流年際變化最為劇烈，2月份Cv值最小，為0.33，徑流年際變化相對穩定；4—7月及11月的Cv值都大于1.0，3月、8—10月及12月接近或略大于年徑流Cv值0.70，1—2月份略小于年Cv值的一半。由此可見，各月徑流年際變化差異較大，1—2月較平穩，4—7月及11月較劇烈，其它月份相對平穩，有個別年份變化劇烈。

采用相對變化幅度和絕對變化幅度分析繭場水文站徑流年內變化，計算結果見表7。

表7 繭場水文站年內月平均徑流量變化幅度

從多年均值的相對變化幅度為60.11來看，繭場水文站徑流年內各月變化較劇烈。從各年代變幅來看，20世紀90年代相對變化幅度最大，20世紀70年代次之，2000—2009年最小；絕對變化幅度則是70年代和2010—現在并列第一，2000—2009年最小。

3 結語

(1)繭場水文站年徑流變化的整體趨勢是2004年為轉折點，之前為下降趨勢，之后為小幅升降趨勢。

(2)徑流年際變化較大，具有較顯著的豐枯交替特征，豐水年組最長持續7年，枯水年組最長持續13年，說明繭場水文站徑流量易發生長期枯水現象，對水資源利用不利。

(3)徑流年內分配極不均勻，季節性明顯，冬季枯，夏季豐，7—8月份易發生洪澇災害。

(4)繭場水文站徑流變化分析結果可為碧流河流域水資源開發利用和大連城市供水安全提供科學依據。