汾河下游河川径流变化特性分析

2012-07-20邵鹏飞

山西水利科技 2012年2期

邵鹏飞

（山西省数字水利中心山西太原 030002）

河川径流在年际之间的变化和年内分配规律，统称为径流情势[1]。查明径流情势，预估河川径流未来的变化情势是水文工作中一项必不可少的任务。对河川径流变化规律的研究，目前已从单一指标转向多指标，即向量的研究[2]。但是，大多数情况下，对径流年内分配和年际变化规律的研究是分开的，尤其是方法不统一，所得的结论差别很大。本文以汾河下游河川径流为研究对象，重点着眼于研究径流在时间上变化的周期性和变化幅度。从分析河川径流年内变化规律出发，进一步研究年际变化特征，从本质上认识河川径流变化规律。

山西省位于海河流域上游和黄河流域中游，根据《山西省水资源评价》，1956-2000年全省水资源总量年均值为123.8亿m3，其中地表水资源量为86.77亿m3，人均占有资源量381m3，仅为全国人均值的17%，属于水资源极为短缺的地区，而仅有的水资源大部分却流出境，使得全省用水矛盾日益加剧。汾河作为黄河流域内仅次于渭河的第二大支流，是山西省境内流域面积最大、流程最长的第一大河。汾河从源头到入黄口，主干流自北向南，纵贯大半个省域，被誉为山西的“母亲河”，流域内耕地面积占全省耕地面积的30%，水浇地占全省水浇地的40%，2009年，流域内国民生产总值占全省国民生产总值的44.4%，流域内工业总产值占全省工业总产值的51.5%，可见汾河流域在全省经济发展中占有举足轻重的地位[3]。因此，研究汾河下游径流变化特性，对于提高全省地表水资源利用量、调整流域内经济结构、保护下游区生态环境至关重要，同时它对于水利工程建设以及工、农业用水都具有重要的意义。

1 资料选取

本次研究的汾河下游区位于山西省临汾市和运城市，临汾市又分为石滩至柴庄、柴庄以下两段，运城市主要为河津站，本文选取石滩至柴庄、柴庄以下和汾河下游河津站1956—2000年实测年径流资料及同期该地区的降雨资料分析。

2 汾河下游段河川径流变化特性分析

2.1 河川径流年内分配规律

天然河流的径流量在一年之内的变化，一方面呈现出明显的洪、枯水季节交替的规律；另一方面，这种交替对于不同的河流或同一河流不同年份都不一致，即各时段的流量以及洪、枯水季节的起止时间由于受各种自然因素综合影响，而带有一定的偶然性。因此，在不同区域上或不同流域上，即使年径流量相差不大，但若年内分配形式不同，对水资源开发工程规模的选定、工农业及城市生活用水等也会带来很大的影响。而且，掌握河川径流年内变化规律也是确定灌溉制度、农业合理布局和保证工业用水的必要前提之一。

从汾河下游柴庄站和河津站流量年内变化曲线（图1）可以看出，在多年平均情况下，10月到次年5月汾河下游流量小，变化平缓，一年中的最小值出现在2月至3月份，自6月份以后流量迅速增加，7月至8月间达到年最大值，从8月份径流量开始逐渐减小。总体来看，径流量主要集中在汛期（6月至9月），且河津站与柴庄站相比，无论汛期还是枯水期，其都有一定的滞后，这与两测站的相对位置有关。

图1 汾河下游段流量年内变化曲线

2.2 河川径流年际变化规律

研究河川径流多年变化规律，一般包括两方面的内容[4]：一个是径流年际间变化的幅度，通常用径流变差系数（Cν值）或用实测最大年径流量与最小年径流量的比值来表示；另一个是径流多年变化过程，包括径流丰、平、枯水特征以及丰、枯交替变化情况。河川径流多年变化规律的研究，不仅是水资源评价、水文、水利计算的基础，而且也是决定工程规模和经济效益的重要依据。

经计算得出，1956-2000年汾河下游年径流变差系数Cν值石滩至柴庄、柴庄以下及汾河下游河津站分别为0.27、0.43和0.63，年均径流量分别为 4.86 亿 m3、1.04 亿 m3、0.83 亿 m3。

汾河下游段年径流除年际间的正常波动外，还呈现出逐年减少趋势（图2），通过对汾河下游石滩至柴庄、柴庄以下及河津站1956-2000年径流回归分析得出，石滩至柴庄径流回归方程及相关系数为：y=-0.7395x+1547.8、R2=0.1529；柴庄以下径流回归方程及相关系数为：y=-0.577x+1178、R2=0.1924；河津站径流回归方程及相关系数为：y=-0.6013x+1217、R2=0.2045。式中：x为年份；y为年径流深，mm；R为相关系数。由回归方程可得，汾河下游河川径流减少速率石滩至柴庄为-7.4 mm/10a、柴庄以下-5.8 mm/10a、河津站为-6.0 mm/10a。究其减少的原因，一方面是降水量的减少导致了河川径流量的减少；另一方面由于汾河干流沿线人类活动的影响，特别是地下水开采甚至超采，使得地下水袭夺地表水，致使河川径流量减少。此外，汾河干流天然渗漏河段急剧增加及煤矿采空区的增加等都是导致河川径流大幅减少的原因。

图2 汾河下游段年径流深变化曲线

为更明显地显现或分辨径流年际变化的阶段性，本文采用距平累积法，即先计算每年的年径流距平，然后按年序累加，得到距平累积序列[5]，即：

式中：LPi为第年的距平累积值为径流量序列的多年平均值；Ri第i年的径流量。

根据距平有正有负的特点，当距平累积持续增大时，表明该时段内年径流距平持续为正；当距平累积持续不变时，表明该时段年径流距平持续为零即保持平均；当距平累积持续减小时，表明该时段年径流距平持续为负。由此可见，这种方法较其它方法更准确直观地反映河川径流年际变化的阶段性特征。经分析计算，其结果见图3。

图3 汾河下游年径流距平累积变化过程

由图3可以看出，汾河下游1956—2000年45年实测径流序列可分为如下几个时段：两个显著的枯水期为：1958—1961年和1986—2000年；一个显著的平水期为：1965—1976年；两个显著的丰水期为：1961—1965年、1981—1985年。从图3还可以看出，汾河下游河川径流年际之间持续枯水时段较持续丰水时段的时间长。

2.3 降水量对河川径流的影响

通过分析汾河下游1956—2000年45年降水资料，发现汾河下游年降水量也呈现出逐年减少的趋势，从标准化处理后的汾河下游年径流量和年降水量的变化规律得出，年径流量与年降水量的年际变化的一致性较好，降水量与河川径流量两者的相关系数石滩至柴庄、柴庄以下及河津站分别为0.71、0.56和0.35。相关分析表明，降水量与径流量两者相关系数分别达到0.001、0.001和0.05信度的显著性水平，说明降水量对径流量的影响非常显著。