西營河九條嶺水文站1972—2020年徑流特性分析

王晴玉,武金慧,何 洋,徐 俊,張 璇

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

受流域土壤、植被、氣候變化和人類活動及其所造成的土地利用變化等因素的影響,河流徑流變化過程的不確定性不斷增加,使區域供水和生態用水安全面臨挑戰。石羊河是我國內陸河流域中人口最密集、水土資源開發利用程度最高、用水矛盾最突出、生態環境問題最嚴重的流域之一[1]。西營河是石羊河流域最大的一級支流,行政區劃上,流域主要涉及武威市的涼州區、天祝縣,張掖市的肅南縣,歷年平均徑流量占到了石羊河流域總徑流量的38%[2]。在2019年河道管理范圍劃定中,甘肅省水行政主管部門將西營河確定為石羊河的干流源頭。2006—2020年從西營河直接向下游累積調水15.9億m3,占下游調水控制斷面蔡旗水文站總來水的37.2%,在完成石羊河流域綜合治理生態調水任務中發揮了重要作用[3]。故研究分析西營河徑流特性,探尋徑流變化過程及演變規律,對流域管理部門提前制定水量調度計劃、做好流域水資源開發利用和流域生態治理規劃、促進區域可持續發展具有重要參考價值和意義。

本文根據西營河主要控制站九條嶺水文站1972—2020年實測水文資料,通過多種方法分析年徑流系列代表段,為開發利用西營河水資源及臨近流域水利水電工程選九條嶺水文站作為參證站提供一定的設計依據。且由于九條嶺水文站是石羊河流域幾大河流中唯一一個不受人工設施影響的天然河道監測站[2],故對其徑流特性及資料代表性進行分析,計算其設計年徑流,為探究石羊河流域出山徑流變化過程與規律提供借鑒。

1 西營河流域概況

西營河發源于祁連山北麓的冷龍嶺,流域面積1 455 km2,河長124 km,上游分為東西兩支,東支寧昌河,發源于祁連山冷龍嶺北坡的假墻槽,自南向北流,流長45.8 km,源地海拔高程4 500 m,干流平均坡降24.8‰;西支水管河,源于亂石窩腦子,自西南向東北流,流長35.6 km,源地海拔高程4 300.00 m,干流平均坡降24.9‰。東、西兩支流在西營河林場處匯合后折向東北流稱西營河,上游河網發育,支流縱橫,山地陰坡面分布有天然林,牧草豐盛,植被較好,山區雨量較大,是流域的主要產流區。河流源頭植被較好,中高山區有喬、灌林和草原覆蓋,有林地4 500 hm2,草地8 100 hm2[3]。流域平均高度3 312 m ,河源不少山峰聳立在4 500 m以上,最高達5 007 m,群峰終年積雪,有現代冰川,中上游森林茂密;下游及水管河以西山嶺光禿,巖石裸露,河床蜿蜒曲折,川谷相間,落差大,水力資源豐富。

西營河產流區位于出山口以上的祁連山區,徑流主要來源于大氣降水,另外有少量的冰雪融水補給。徑流年內分配不均勻,主要集中在5—9月,徑流量約占全年徑流量的80.26%。

2 九條嶺水文站資料情況

九條嶺水文站是西營河的主要控制站,位于石羊河水系西營河上游,地處張掖市肅南裕固族自治縣皇城鎮九條嶺煤礦,地理坐標:東經 102°03°35.2′,北緯 37°52°44.3′。九條嶺站以上為主要產流供水區,區域內植被較好,有高山喬木、灌木和草原覆蓋,水土流失較少,人煙稀少,人類活動影響較小[4]。九條嶺站控制流域面積1 077 km2,屬國家重要水文站、中央報汛站、區域代表站[5]。該站于1972年1月設立,測驗項目主要有水位、流量、懸移質輸沙率、降水量、蒸發量等,測驗符合水文測驗相關規范要求,測驗成果經甘肅省水文水資源局整編,資料整編符合規范要求。

該站流量測驗河段基本順直,兩岸有人工漿砌石堤壩,水流集中,卵石河床,河床穩定,歷年測驗斷面穩定,控制良好,水位流量關系線呈穩定的單一線關系,影響河道流量的各水力因素相對穩定,測站控制良好,符合測驗河道穩定、水流平穩的控制特性,水位、流量資料可靠,精度較高[6]。水文站以上流域內人類活動很少,干流河道在水文站測驗斷面以上無具有調節性能的水利水電工程,對徑流基本無影響,故徑流系列具有較好的一致性。本次收集到九條嶺水文站1972—2020年實測徑流資料,系列長度為49 a。

3 徑流特性

3.1 徑流年內分配

西營河產流區位于出山口以上的祁連山區,徑流主要來源于大氣降水,另外有少量的冰雪融水和地下水補給。根據九條嶺水文站1972—2020年共49 a徑流資料系列統計,計算得九條嶺水文站徑流年內分配及占比情況見表1,徑流年內分配如圖1。

圖2 九條嶺水文站年徑流變化過程

表1 九條嶺水文站徑流年內分配及占比情況表

由上述圖表統計結果,結合徑流補給條件可以得出,九條嶺水文站多年平均年徑流量3.19億m3,徑流年內分配主要集中在5—9月,徑流量占全年徑流量的80.26%;枯期10月至翌年4月,徑流量占全年徑流量的19.74%;最枯12月至次年3月,河流結冰封凍,徑流主要靠地下水補給,徑流量僅占年徑流量的6.11%。

3.2 徑流變化趨勢

河流徑流年際過程具有豐、平、枯水年組交替出現的現象,其總趨勢可以用年平均流量和時間的直線方程表示,這條直線亦稱為趨勢線。徑流序列變化趨勢過程可用直線方程表示如下:

X年,t=k·t+b

(1)

式中:X年,t為年平均徑流量,億m3;k為趨勢線的斜率;t為用時序表示的年份;b為趨勢線的截距。

根據式(1)中斜率k的大小,可以判斷河流徑流的長期變化趨勢:若k>0,說明徑流的長期變化呈增長趨勢;若k=0,說明徑流的長期變化趨于穩定;若k<0,則說明徑流的長期變化呈減小趨勢[7]。經九條嶺水文站1972—2020年實測徑流資料擬合,九條嶺水文站年徑流長期變化趨勢方程如下:

X年,t= 0.0082t+ 2.9797

(2)

從式(2)中可見,九條嶺水文站徑流年際過程以 0.0082億m3/a的微弱趨勢增長。九條嶺水文站逐年徑流變化過程見圖 2。

九條嶺水文站以上流域地處祁連山區高海拔區域,上游河網發育,支流縱橫,山地陰坡面分布有天然林,牧草豐盛,植被較好,山區雨量較大,是流域的主要產流區。近年來,隨著全球氣候變暖,平均氣溫逐年升高[8],使得融雪地區及高緯度地區的冬季或春季的融雪徑流不斷增加[9-10],致使該站長系列徑流變化趨勢線呈現微弱增長的總趨勢。

4 年徑流代表性分析

徑流系列的代表性是指年徑流系列(稱為樣本)的統計特性對總體統計特性的接近程度,接近程度高,表明該系列代表性較好。水文計算中,一般常借助于與長系列徑流資料的統計參數比較,并采用多種方法綜合分析,判斷系列的代表性[11]。本次采用:① 長短系列統計參數對比分析;② 差積曲線分析;③ 累積平均分析3種方法對九條嶺水文站1972—2020年徑流系列進行代表性分析。

4.1 長短系列統計參數對比分析

水文計算中,通常從長系列資料中,選取若干個短系列,計算它們的統計參數,如均值及離勢系數Cv,并與長系列統計參數進行對比分析,若計算結果較為接近,則認為該站資料具有一定的代表性[12]。

根據九條嶺水文站徑流系列豐、枯水年分布規律,選取1972—1996年、1979—2013年、1996—2020年3個時間段作為短序列,分別計算其流量均值及離勢系數Cv,與長系列進行比較,計算成果見表2。

表2 九條嶺水文站長短徑流系列計算分析成果表

由表2可知,1972—1996年流量均值與長系列成果相比略低3.18%,Cv值比長系列略低5.56%;1979—2013年流量均值與長系列基本相近,Cv值比長系列略高5.56%;1996—2020年年流量均值與長系列相比略高2.26%,Cv值比長系列略高5.56%。由計算分析成果可知,3個短系列的平均流量值與Cv值與長系列均相差很小,因此,九條嶺水文站1972—2020年徑流系列具有較好的代表性。

4.2 差積曲線分析

水文計算中常用差積曲線分析系列的代表性。差積曲線即累積距平值過程線,是分析徑流系列某一時期徑流量相對于系列總均值的豐、平、枯變化情況,判斷某一時期屬于豐水期、平水期或枯水期[3]。差積曲線的不同形狀,反映年徑流量的周期性豐、平、枯交替變化規律。曲線的上升段,表示多水期,下降段表示少水期,在某時段內,曲線總的趨勢上升,表示處于豐水期,曲線總的趨勢下降,表示處于枯水期,曲線總的趨勢保持穩定,表示處于平水期,曲線的豐水期、平水期、枯水期構成了一個完整的豐、平、枯周期[13]。年平均流量累積差值的計算方法用公式表示如下:

(3)

根據九條嶺水文站1972—2020年共49 a實測徑流資料系列,采用豐、平、枯水過程、年徑流均值收斂性及豐、枯年數對比分析等方法對系列樣本代表性進行分析。九條嶺水文站徑流差積曲線見圖3。

圖3 九條嶺水文站徑流差積曲線

4.3 累積平均分析

累計平均法是一種常用的數理統計方法,該方法的優點在于可以減小隨機誤差的影響,提高數據的可靠性和準確性,其原理是將一組數據按照時間順序依次進行累加,并計算每個時間點的平均值。通過累積平均法,可以得到一組平均值序列,用來反映數據的變化趨勢。

在水文計算中,年平均流量累積平均值的計算公式表示如下:

Xn= (Q1+Q2+Q3+…Qn)/n

(4)

式中:Xn為年平均流量累積平均值,m3/s;Q1、Q2、Q3,…,Qn為各年平均流量,m3/s;n為系列年數。

利用九條嶺水文站1972—2020年實測徑流資料,進行年平均流量累積平均值計算,繪制年平均流量累積平均過程線如圖4所示。

圖4 九條嶺水文站徑流累積平均值曲線

由圖4可知,九條嶺水文站徑流系列長度較長,隨著時間的增長,累積平均曲線變化程度越來越小,多年平均流量在2006年以后,即系列長度達35 a時,逐漸趨于穩定,累積均值曲線已穩定在9.7～10.1 m3/s,說明九條嶺水文站1972—2020年徑流系列均值具有較好的收斂性,系列代表性較好。

5 設計年徑流及年內分配

5.1 設計年徑流

根據九條嶺水文站1972—2020年逐月徑流系列,得到九條嶺水文站年徑流系列,用矩法初估參數,P-Ⅲ型曲線適線確定統計參數,推求得九條嶺水文站年徑流系列統計參數,多年平均年徑流量為10.1 m3/s,Cv=0.18,Cs/Cv=2.00,設計年徑流成果見表3,頻率曲線見圖5。

圖5 九條嶺水文站年徑流頻率曲線

表3 九條嶺水文站設計年徑流成果表 單位:m3/s

5.2 設計年徑流年內分配

根據九條嶺水文站1972—2020年年徑流資料系列,選取年平均流量較接近設計頻率值且對工程用水偏于不利的年份作為代表年。經上述方法,選擇 1990年為保證率50%的代表年,1978年為保證率75%的代表年,1999年為保證率90%的代表年,1996年為保證率95%的代表年。

用設計年徑流量與代表年的年徑流量比值對整個代表年的月徑流過程進行縮放,以縮放倍比乘以各自的代表年逐月徑流即得設計年內分配,九條嶺水文站各設計代表年逐月徑流成果見表4。

表4 九條嶺水文站各設計代表年逐月徑流成果表 單位:m3/s

5.3 成果合理性分析

設計年徑流的成果分析主要對徑流系列均值、離勢系數及偏態系數進行合理性審查。

(1)多年平均年徑流量的檢查。本次計算求得的九條嶺水文站多年平均年徑流量為10.1 m3/s,與本流域已建水電工程九條嶺水電站工程設計成果9.73 m3/s進行對比分析,相差僅為3.66%,且本次計算采用的徑流資料系列(1972—2020年)較九條嶺水電站工程設計采用的系列長度(1972—2006年)延長了14 a,具有更好的代表性,更能反映西營河流域的徑流特性。

(2)離勢系數及偏態系數的檢查。根據《甘肅省水文圖集》Cs/Cv值分區圖,九條嶺水文站所在區域位于Cs=2.0Cv分區內,故本次計算采用Cs/Cv=2.0是符合地區分布規律的。

綜上所述,本次計算的九條嶺水文站設計年徑流統計參數及成果符合流域特點及地區規律,成果合理。

6 結 論

本文根據九條嶺水文站1972—2020年共49 a的實測徑流資料,計算分析其徑流特性及變化趨勢,通過長短系列統計參數對比、差積曲線、累積平均等分析方法評價徑流資料系列的代表性,并對九條嶺水文站設計年徑流及其年內分配進行了計算與分析。結果表明:

(1) 九條嶺水文站多年平均徑流量約為3.19億m3,徑流年內分配不均,主要集中在5—9月,徑流量占到了全年徑流量的80.26%;最枯12月至翌年3月,河流結冰封凍,徑流主要靠地下水補給,徑流量僅占年徑流量的6.11%。年徑流長期變化趨勢以0.0082億m3/a的速率微弱增長,其原因分析為全球氣候變暖導致的融雪地區及高緯度地區的冬季或春季的融雪徑流不斷增加。

(2) 九條嶺水文站徑流資料長、短系列的平均值和離勢系數Cv值相比,相差不大;九條嶺水文站長系列徑流系列包含有多個完整的平水年、豐水年、枯水年周期,且豐、平、枯交替出現;多年平均流量在2006年以后,即系列長度達35 a時,逐漸趨于穩定,累積均值曲線穩定在9.7～10.1 m3/s,徑流系列均值具有較好的收斂性。綜上所述,九條嶺水文站1972—2020年徑流系列具有較好的代表性。

(3) 九條嶺水文站多年平均年徑流量為10.1 m3/s,Cv=0.18,Cs/Cv=2.00,各頻率50%、75%、90%及95%對應的設計值分別為10.0 m3/s、8.84 m3/s、7.87 m3/s與7.32m3/s,經成果合理性分析,本次求得的九條嶺水文站設計年徑流成果符合流域特點及地區規律,成果合理。