開(kāi)都河流域汛期徑流量演變研究

張瑋煊 刁鵬 劉長(zhǎng)庸

摘 要：根據(jù)1982—2017年汛期（5—9月）大山口水電站水文資料及巴音布魯克氣象站降水、氣溫資料，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、累積距平分析等方法研究了開(kāi)都河徑流量與降雨量的變化。結(jié)果表明，汛期開(kāi)都河徑流量與降水、氣溫呈明顯正相關(guān)，且開(kāi)都河徑流量隨時(shí)間呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì);汛期降水量是影響開(kāi)都河徑流量的最主要因子，但降水量對(duì)徑流量的補(bǔ)給在相對(duì)減少，而氣溫的升高導(dǎo)致冰雪融水影響徑流量增多;雖然隨著時(shí)間人為活動(dòng)呈逐漸增加狀態(tài)，但2006—2017年期間對(duì)徑流量的影響程度逐漸減少，說(shuō)明開(kāi)展修復(fù)與保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的措施，已取得了一定成效。

關(guān)鍵詞：開(kāi)都河流域;徑流量;降水;氣溫

中圖分類(lèi)號(hào)：S16 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200430044

20世紀(jì)以來(lái)，全球氣候變化異常，引起水文循環(huán)的變化，已有研究顯示，氣溫與降水的變化對(duì)干旱地區(qū)河流流域徑流的影響很大[1]。而新疆地處中緯度歐亞大陸腹地，其水資源十分緊缺，隨著人口增長(zhǎng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)水需求程度逐漸增加，因此亟待更深入的研究水資源變化，以更好地可持續(xù)發(fā)展利用。開(kāi)都河是天山南坡水量比較豐富的河流之一，全長(zhǎng)530km，平均年徑流量33.62×108m3，其總水量的70%以上產(chǎn)于巴音布魯克山區(qū)，而開(kāi)都河又占巴州地表水量的41%[2]，因此開(kāi)都河又被稱(chēng)呼為巴州的母親河。目前，已有一些有關(guān)開(kāi)都河流域徑流變化的研究，張玉娜等[3]、王倩[4]、韓鑫等[5]、王維霞等[6]先后從不同角度對(duì)開(kāi)都河流域氣候變化對(duì)徑流量變化的影響進(jìn)行了研究。然而考慮到氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)是影響徑流時(shí)間序列變化的2大因素[7]，造成徑流量變化有一定的人為影響因素。因此，本文在上述研究的基礎(chǔ)上，采用較長(zhǎng)徑流時(shí)間序列，結(jié)合開(kāi)都河天然徑流量模擬及流域各時(shí)期人類(lèi)活動(dòng)變化，以期進(jìn)一步揭示開(kāi)都河徑流量的演變特征，以便開(kāi)都河流域水資源能科學(xué)合理開(kāi)發(fā)，有效促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

由于開(kāi)都河每年5—9月的徑流量占年水量的65%以上，而巴音布魯克山區(qū)5—9月的平均雨量占全年雨量的87.38%，與河流徑流量的季節(jié)分布基本一致，因此本文選擇的1982—2017年5—9月的月均徑流量、月均降雨量、月均氣溫等研究資料主要來(lái)自基層水文站大山口水文觀測(cè)站和國(guó)家基本氣象站巴音布魯克氣象站，氣象水文數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的質(zhì)量控制，用于分析降雨量對(duì)開(kāi)都河徑流量的影響具有代表性。

1.2 研究方法

1.2.1 徑流量模擬方程

目前，多位學(xué)者已對(duì)河流徑流量演變特征[8]、徑流量變化及其影響因素[9，10]、徑流量演變模型構(gòu)建[11-14]等有所成果。運(yùn)用上述研究成果可知在純自然狀態(tài)下，區(qū)域氣候變化對(duì)地表徑流量的影響是相對(duì)穩(wěn)定的，區(qū)域內(nèi)地表徑流的減少與氣候參數(shù)之間存在穩(wěn)定的比例關(guān)系，故可用水量平衡模型來(lái)評(píng)估自然因子對(duì)地表徑流量的影響[15]。Rogger等[16]、傅國(guó)斌等[17]以統(tǒng)計(jì)建模的方式建立了徑流R與降水P、氣溫T之間的線性關(guān)系：

由圖1可得，開(kāi)都河各月均徑流量開(kāi)都河模擬的天然月均徑流量和實(shí)測(cè)月均徑流量變化趨勢(shì)具有同步性，均隨時(shí)間推移呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，每年的6—8月為開(kāi)都河徑流量的高峰期。1994年后，出現(xiàn)徑流量實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)高于模擬值，而在2006年以后，模擬月均徑流量則逐步高于實(shí)測(cè)值，并且開(kāi)都河徑流量呈現(xiàn)出逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì)。

從圖2可知，將月均徑流量、月均氣溫和月均降雨量與歷年各月均值對(duì)比分析得到各年相對(duì)變率（距平百分率），發(fā)現(xiàn)氣溫相對(duì)變率波動(dòng)較為平穩(wěn)，呈穩(wěn)步增長(zhǎng)趨勢(shì)，而徑流量和降雨量突變波動(dòng)較多，且兩者相對(duì)變率變化波動(dòng)相似，當(dāng)徑流量大幅度增加時(shí)，降雨量也呈劇烈增長(zhǎng)趨勢(shì)，這進(jìn)一步說(shuō)明開(kāi)都河徑流量變化主要受降水波動(dòng)的影響，而氣溫變化對(duì)徑流量變化影響較弱。

在1982—1993年，月均徑流量相對(duì)變率均值為-12%，月均降雨量相對(duì)變率均值為-9.6%，月均氣溫相對(duì)變率均值為-6.3%，這表明該期間降雨量、徑流量及氣溫均處于較低狀態(tài)，且徑流量比降雨量減少的多。而在1994—2005年，月均徑流量相對(duì)變率均值為11.3%，月均降雨量相對(duì)變率均值為0.6%，月均氣溫相對(duì)變率均值為1.8%，這表明該期間降雨量、徑流量及氣溫均處于增加狀態(tài)，但徑流量增加明顯。在2006—2017年，月均徑流量相對(duì)變率均值為0.8%，月均降雨量相對(duì)變率均值為9%，月均氣溫相對(duì)變率均值為4.5%，這表明該期間降雨量、徑流量及氣溫依然均處于增加狀態(tài)，但降雨量增加明顯，并且氣溫升高也較為明顯。

2.2 人為活動(dòng)對(duì)徑流量的影響

據(jù)公式（2）得出的η值變動(dòng)趨勢(shì)點(diǎn)，繪出1982—2017年人為活動(dòng)對(duì)開(kāi)都河地表徑流量的影響程度（圖3）。

由圖3來(lái)看，在不同年份，由于自然、人為活動(dòng)雙重因子對(duì)河流的影響程度不同，開(kāi)都河徑流量變化速率也不同。在1982—1994年，人為活動(dòng)對(duì)開(kāi)都河徑流量的平均影響程度為-9.83%（負(fù)值表示人類(lèi)活動(dòng)使河流徑流量增多），但在1994—2005年，人為活動(dòng)對(duì)開(kāi)都河徑流量的平均影響程度為5.26%，尤其是1998—2003年期間，平均人為影響程度達(dá)到16.42%，但在圖2中得出，該期間降雨量增加不多，而徑流量增加明顯，因此其原因可能與溫度升高導(dǎo)致冰雪融水有關(guān)。在2006—2017年，影響程度減少到-4.9%，這可能與政府進(jìn)一步改善養(yǎng)殖、礦業(yè)發(fā)展方法，嚴(yán)格落實(shí)生態(tài)保護(hù)措施有關(guān)，表明生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)卓有成效。總體來(lái)看，雖然人為活動(dòng)對(duì)開(kāi)都河徑流量的平均影響程度為-3.16%，但隨著時(shí)間人為影響程度依然處于緩慢增加狀態(tài)，表明修復(fù)與保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境還需要繼續(xù)開(kāi)展。

3 結(jié)論

通過(guò)模擬天然徑流量與實(shí)測(cè)徑流量對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在1982—2017年期間，徑流量與降雨、氣溫呈明顯正相關(guān)，開(kāi)都河徑流量隨時(shí)間呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)，且整體變化相對(duì)穩(wěn)定。

在1982—1993年期間，降雨量與徑流量的相對(duì)變率差值為2.4%，自1994年后，降雨量與徑流量的相對(duì)變率差分別為-10.7%與8.2%，這說(shuō)明該流域降雨量對(duì)徑流量的補(bǔ)給在相對(duì)減少。

通過(guò)分析人為活動(dòng)對(duì)開(kāi)都河徑流量的影響，發(fā)現(xiàn)1994—2005年期間，人為活動(dòng)對(duì)開(kāi)都河徑流量的影響程度增高，但徑流量增加明顯，說(shuō)明該期間開(kāi)都河流域因氣溫升高導(dǎo)致冰雪融水的影響程度增加。

隨著時(shí)間人為活動(dòng)呈逐漸增加狀態(tài)，但在2006—2017年期間，人為活動(dòng)對(duì)開(kāi)都河徑流量影響程度卻減小，這說(shuō)明開(kāi)都河流域在人為活動(dòng)的各種修復(fù)與保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的措施下，取得了一定的成效。

參考文獻(xiàn)

[1] 王國(guó)慶，張建云，劉九夫，等.中國(guó)不同氣候區(qū)河川徑流對(duì)氣候變化的敏感性[J].水科學(xué)進(jìn)展，2011，22（5）：307-314.

[2]陶輝，王國(guó)亞，邵春，等.開(kāi)都河源區(qū)氣候變化及徑流響應(yīng)[J].冰川凍土，2007，29（3）：413-417.

[3]張玉娜，徐長(zhǎng)春，李衛(wèi)紅，等.開(kāi)都河流域氣候變化特征及其對(duì)徑流的影響[J].中國(guó)水土保持科學(xué)，2014，12（1）：81-89.

[4]王倩.開(kāi)都河流域近50年徑流變化特征及對(duì)氣候變化的響應(yīng)[D].青島：山東科技大學(xué)，2015.

[5]韓鑫.GIS支持下開(kāi)都河流域水文特征定量分析[D].成都：四川師范大學(xué)，2014.

[6]王維霞，王秀君，姜逢清，等.開(kāi)都河流域上下游過(guò)去50a氣溫降水變化特征分析[J].干旱區(qū)地理（漢文版），2012，35（5）：746-753.

[7]張一馳，周成虎，李寶林.基于Brown-Forsythe檢驗(yàn)的水文序列變異點(diǎn)識(shí)別[J].地理研究，2005，24（5）：741-748.

[8]蘇念良，馬文進(jìn)，蔡文彥，等.窟野河水文特性分析[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2007，18（2）：65-68.

[9]聶樹(shù)人.榆林地區(qū)河流徑流的基本特征[J].河南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1983（1）：52-58.

[10]汪麗娜，王勇，高鵬，等.黃土高原粗泥沙集中來(lái)源區(qū)水沙變化特征及趨勢(shì)性分析[J].水土保持通報(bào)，2008，28（2）：11-16.

[11]趙曉坤，王隨繼，范小黎.1954—1993年間窟野河徑流量變化趨勢(shì)及其影響因素分析[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2010，21（5）：32-36.

[12]劉二佳，張曉萍，張建軍，等.1956—2005年窟野河徑流變化及人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流的影響分析[J].自然資源學(xué)報(bào)，2013，28（7）：1159-1168.

[13]邢肖鵬，張文忠，唐芳芳，等.月水量平衡模型在窟野河流域的水文模擬[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2012，23（6）：73-78.

[14]柳麗英，張靜.烏蘭木倫河流域產(chǎn)流產(chǎn)沙模型研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，1997（2）：75-83.

[15]劉曉瓊，劉彥隨，李同昇，等.高強(qiáng)度能源開(kāi)發(fā)區(qū)河流徑流量演變及其減流成因——以窟野河為例[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)（自科版），2014（3）：299-304.

[16]Roogger R，Paul W E. Eects of a carbon dioxide induced climate change on water supply in the Western United State[M]. Washington D C：National Acodeiny Press， 1983.

[17]傅國(guó)斌，劉昌明.全球變暖對(duì)區(qū)域水資源影響的計(jì)算分析——以海南島萬(wàn)泉河為例[J].地理學(xué)報(bào)，1991（3）：277-288.

（責(zé)任編輯 周康）