桃林口水库降水径流变化特征分析

2012-10-15何长宽王艳艳徐世宾李博超

海河水利 2012年1期

邬龙，何长宽，王艳艳，徐世宾，李博超，王佳

（1．水利部河北水利水电勘测设计研究院，天津 300250；2.天津普泽工程咨询有限责任公司，天津 300204）

1 引言

桃林口水库位于滦河主要支流青龙河上，控制流域面积5 060 km2，总库容8.59亿m3。水库主体工程于1998年建设完工，于2000年8月通过竣工验收。桃林口水库为多年调节运用水库，主要以城市供水、农业灌溉为主，兼顾防洪、发电、旅游，是秦皇岛城市用水的主要水源地。截至2009年，已累计向下游供水近24亿m3，发电1.60亿kW·h，对冀东地区社会、经济、农业发展及生态改善起到了重要的保障作用。

近年来，受气候条件变化及人类活动的影响，桃林口水库水资源状况发生了显著的变化，入库径流量大幅度衰减，相同量级的降水过程径流显著减少。因此，非常有必要对桃林口水库的降水径流变化特征、变化成因进行分析研究，从而为水库水资源开发、利用、优化配置和运行管理提供有力支撑。

2 降水变化特征分析

2.1 降水丰枯变化特征分析

降水丰枯变化特征选用差积曲线法。选用流域降水中心典型雨量站——叼尔登站1954—2009年降水量系列资料绘制了年降水量的差积曲线，如图1所示。

图1 典型雨量站年降水量差积曲线

从图1中可以看出，1954—1979和1985—1998年降水量总体上偏丰，属于大丰水年；1979—1985年降水量总体上偏枯，属于大枯水年；1998—2009年降水量又总体上偏枯；丰枯变化交替出现。大的丰、枯、平水期中又存在小的丰、枯、平水期，例如1985—1998年大丰水年中存在1989、1992年等枯水年份以及1987、1993年等平水年份。

2.2 降水时间变化特征分析

降水时间变化特征分析采用Mann-Kendall非参数秩次相关检验方法。与参数统计检验法相比，Mann-Kendall检验法更适用于非正态分布的时间序列。

从流域上游至下游，分别选用杨树岭、叼尔登、土门子、双山子等典型雨量站1959—2009年汛期及年降水量系列进行趋势性分析，结果见表1。

表1 典型雨量站Kendall检验结果

从分析结果可知，桃林口水库中下游流域降水量具有显著的下降趋势；而中上游流域降水量虽具有一定下降趋势，但不显著；且汛期较年降水量下降趋势更明显。这可能与中下游流域受人类活动影响较为显著，导致下垫面条件的剧烈变化，以及本流域及周边流域水利工程兴建蓄水，造成中下游流域局部气候条件变化等因素有关。典型雨量站年、汛期降水量过程及线性变化趋势如图2所示。

图2 桃林口典型雨量站汛期、年降水量过程

2.3 降水空间变化特征分析

降水的空间分布是影响洪水径流的主要因素之一。同一量级降水，如果降水中心在流域上游，则汇流过程中下渗损失较大，致使径流洪水较小。可根据流域内各雨量站实测降水量占流域平均降水量的比例大小，并分析其在长时间序列中的变化趋势，来研究降水中心的变化情况，进而对流域降水的空间变化进行分析。

从流域上游至下游分别选择杨树岭、叼尔登、土门子、双山子等典型雨量站，根据汛期6—9月降水量占流域面平均雨量比例的变化趋势，分析流域降水空间变化特征，结果如图3所示。

依据Mann-Kendall检验法分析可发现，桃林口水库上游杨树岭站汛期降水量占流域面降水量比例有显著上升的趋势；中上游叼尔登站所占比例有上升趋势，但不显著；中下游土门子站所占比例基本保持平稳；下游双山子站所占比例有下降趋势。结果表明，本流域降水空间分布随着时间的推移有了一定变化，降水空间分布有向中上游转移的趋势，可能将导致入库径流洪水减少。但降水中心仍然主要位于中上游的叼尔登站。

3 径流变化特征分析

径流是降水在土壤-植被-大气间进行重新分配时，在满足土壤渗透能力或蓄水能力、植被截留拦蓄能力及大气蒸散发能力后的剩余量。径流过程是一个复杂多变的过程，与水资源的开发利用和水环境保护等生产经济活动密切相关。

利用Mann-Kendall检验法，对桃林口水库1929—2009年经插补延长后的入库年径流过程分析，发现入库径流序列具有高度显著的下降趋势，尤其进入20世纪70年代以来，下降趋势尤为显著；而20世纪70年代之前的入库径流过程基本无明显的变化趋势。桃林口水库入库年径流线性变化过程如图4所示。

图3 桃林口典型雨量站汛期降水量占流域降水量比例变化趋势

图4 桃林口水库入库径流线性变化过程

根据上述分析，桃林口水库控制流域降水、径流系列的显著下降主要发生在20世纪70年代后期以来，这与人类活动对本流域的规模化影响起始时间基本一致。以1978年为转折点，1959—1977年多年平均降水、径流量分别为 643.5 mm、9.264亿 m3；而1978—2009年多年平均降水、径流量分别为568.8mm、5.010亿 m3。后者较前者降水量减少了12%，而入库径流量减少幅度却达到了46%。这表明人类活动导致的下垫面剧烈变化对入库径流过程影响较大。