嫩江流域径流时空演化规律分析

李鸿雁，田 琪，王小军，王红瑞，于文泉

1.吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室，长春 1300212.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 2100293.水利部应对气候变化研究中心，南京 2100294.北京师范大学水科学研究院，北京 100875

嫩江流域径流时空演化规律分析

李鸿雁1，田 琪1，王小军2，3，王红瑞4，于文泉1

1.吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室，长春 130021
2.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210029
3.水利部应对气候变化研究中心，南京 210029
4.北京师范大学水科学研究院，北京 100875

以流域时空分布理论框架为基础，分析嫩江流域径流时空演化规律，并着重从地形地貌影响因素方面进行归因分析。采用1955—2003年49a的降水资料和1955—1973年19a的径流资料，通过对代表性水文站自上游至下游（空间上）径流、地表径流和地下径流的年内与年际（时间上）演变规律进行分析。结果表明：1）嫩江流域降水年内变化及年际变化过程基本一致，可以忽略降水时空分布对径流时空演化规律的影响。2）从径流年内演化规律上可以判定上下游水源组合的差异性：上游以地表径流为主，在春季来源于融雪，汛期来源于大气降水，枯水季节来源于地下水补给；下游全年以地下径流为主。3）由于坡度和水文地质条件作用，上游更容易产流，下游受下垫面调蓄作用更强，不易产流；因此，从径流年际演化规律上可以判定径流产量自上游至下游逐渐减小。

径流时空演化；直接径流；地下径流；地下径流分割；嫩江流域

0 引言

河川径流的时空分布规律是水资源时空演化规律研究的科学基础。从理论上定量描述径流的时空分布特性，不仅可以为今后对水资源的时空演化变异规律研究奠定理论基础，而且能够指导流域水资源合理开发利用乃至水资源科学预测。

流域径流是气候和下垫面自然地理因素综合作用的产物，其分布特性首先取决于气候条件；在同一气候区或同一流域内，则取决于下垫面综合条件。影响地表径流的因素主要有地形地貌特征、地面坡度、土地利用情况和植被分布等；影响地下径流的因素除地形地貌和植被分布外，还包括土壤特征和水文地质条件，例如包气带厚度、含水层水力特征及其空间分布、地下水的补给、径流和排泄条件等，这些因素从地下水的补给和排泄2个途径来影响地下径流［1－2］。由此看来，在流域不同的汇水区域上，由于下垫面条件的差异性导致了地表径流和地下径流组成的不同，最终导致径流演化过程的不同［3－4］。在研究嫩江流域径流特征时，发现嫩江干流自上而下不同汇水区域上径流的年内和年际变化呈现明显规律性［5－6］，这直观地反映了径流形成存在时间（年内与年际）和空间（自上游至下游）演化的规律性。

在综合国内外相关研究的基础上，王浩等［7］于2004年提出了径流时空分布理论框架，指出径流时空分布受降水时空分布、河网结构和流域地貌综合影响。径流时空分布理论的提出在概念上明确了流域径流时空演化规律的可探索性。笔者引用“时空演化理论”这一概念，通过研究嫩江流域地表径流和地下径流的时空演化规律，揭示其本质原因；通过应用改良Eckhardt递归数字滤波法将河川径流分为直接径流和地下径流两部分，并分别对直接径流和地下径流的时空演化规律进行分析。拟通过嫩江流域不同汇水区河川径流、地表径流和地下径流时空演化规律，从流域地形地貌、水文地质条件方面分析其对径流形成作用的规律，以期为流域水资源评价、预测及合理开发利用提供技术支持。

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

嫩江是松花江的北源，发源于大兴安岭山脉右麓的伊勒呼里山中段南侧。河源海拔高程1 030 m，河流全长1 370km，流域面积29.7万km2。

流域多年平均降水量为400～500mm，上游多于下游，山区多于平原。流域降水年内分配极不均匀：主要集中在6—9月，占年降水量的80%以上，其中7—8月雨量集中，占年降水量的50%以上；冬季降水量很少，仅占年降水量的5%以下。

笔者选取了石灰窑、尼尔基、同盟、江桥和大赉，即嫩江二级子流域所对应的干流自上游至下游的5个代表性水文站，如图1所示。各代表性水文站所对应的汇水区面积分别为17 205、66 382、108 029、162 569和221 715km2。

1.2 数据来源

本文所用降水和径流数据由水利部松辽水利委员会提供。降水采用1955—2003年共计49a的数据。由于1973年以后嫩江流域开始农田灌溉和水利工程建设，河川径流受到人类活动影响显著［8］，因此，笔者在进行径流时空演化规律分析时采用1955—1973年未受人类活动影响时各代表性水文站天然状态下的日径流数据，共计19a。

尼尔基水库目前是嫩江干流上唯一一座控制性水利工程，于2005年正式投产运行。本文数据均为2003年以前监测，故不需进行还原计算。

2 地下径流分割

图1 嫩江流域水系及代表性水文站分布Fig.1 Water system and representative hydrological stations distribution in Nenjiang River basin

地下径流分割可以完成地表径流和地下径流的水源划分。研究表明，Eckhardt滤波法（简称ECK滤波法）的地下径流分割结果能反映产汇流规律，且计算结果稳定，较其他方法更加合理［9］。因此，本文地下径流分割采用ECK滤波法。

2.1 ECK滤波法原理

数字滤波法是近年来国际上研究最多的地下径流分割方法，其基本原理是通过数字滤波器对河川径流数据进行数字信号分析，将整个河川径流过程分为高频和低频2部分，即地表径流和地下径流［10］。目前，国际上的数字滤波法有很多，ECK滤波法是Eckhardt［10］在2005年提出的，其滤波方程为

其中：q为地下径流，m3/d，下角标τ为时间序数，时段长度为天；α为滤波参数；BFImax为最大地下径流指数；Q为河川径流，m3/d。

Eckhardt［11］在美国65个流域应用ECK滤波法与其他方法进行了比较，结果表明，该方法估算的地下径流最为合理。

2.2 参数的选取

在ECK滤波法中，参数BFImax的取值最为关键，由该地区水文地质条件指标得出。根据Eckhardt研究成果，在不同水文地质条件下BFImax有经验参考值，但是，为确保地下径流分割结果更加科学，笔者在每个水文站采用滑动最小值法选取参数，来率定不同区域的BFImax值。

滤波参数α通过试算比较取为0.985。

3 降水时空分布规律

流域径流来源于降水，因此，分析流域径流时空演化规律必须首先从降水的时空分布规律入手。笔者采用代表性水文站汇水区1955—2003年49a的降水资料进行统计分析，得到嫩江流域不同汇水区降水在年内和年际变化规律。

图2为嫩江流域干流代表性水文站汇水区域的降水时空分布图。

由图2a可以看出，嫩江流域降水集中在汛期，即6—9月。受地理位置及大气环流特点的影响［12］，在时间上，尼尔基—同盟—石灰窑各站降水峰值出现时间依次滞后，降水过程相似；江桥站的降水过程和尼尔基类似，但是降水更加集中；大赉站降水峰值稍大于其他水文站。总体而言，嫩江流域各区域降水年内分配在过程上基本一致，在峰值上相差不多。为了分析问题方便，可以认为降水在空间上均匀分布，由此可以忽略降水空间演化对径流的影响。

从图2b来看，从上游到下游降水丰枯年份变化基本一致。进一步进行统计特征分析，见表1。

由表1可以看出：在降水量上，上游大于下游；在年际变化上，除石灰窑（位于最上游）变差系数（0.17）较小外，其他各站变差系数相当，即嫩江流域降水的年际变化在上下游存在一致性。因此，在进行径流年际演化规律分析时，可以忽略降水年际变化的影响。

图2 嫩江流域代表性水文站汇水区降水时空分布图Fig.2 Precipitation distribution of catchment areas of representative hydrological stations in Nenjiang River basin

表1 嫩江流域代表性水文站汇水区降水统计特征Table 1 Precipitation statistic characteristics of catchment areas of representative hydrological stations in Nenjiang River basin

4 径流时空演化规律

笔者结合嫩江流域干流代表性水文站长系列径流监测数据，同时为了更深入研究径流组成及过程特征，采用Eckhardt滤波法分割河川径流为地表径流和地下径流。比较自上游至下游不同汇水区径流来源、组成和量级上的差异性，以分析径流的空间演化规律；比较各汇水区径流的年内和年际变化规律，以研究径流在时间上的演化规律。

4.1 径流年内演化

图3为实测嫩江流域代表性水文站汇水区多年平均年内径流演化过程图。从图3可知，上游径流年际变化平稳，而下游年际变化较大。实际上，这是由于各站径流数量级差别较大带来的影响。例如，上游石灰窑汇水面积最小，径流量一般为0.52～232.9m3/s，这个变幅相对于下游大赉站平均值（783.0m3/s）而言，可以忽略不计，故看到图3中石灰窑的年径流过程几乎没有波动。为了消除汇水面积的影响，采用径流深来度量径流，如图4所示。由于图4中枯水季节径流深显级较小，具体数据见表2、表3。

图3 嫩江流域代表性水文站实测多年平均径流年内演化过程Fig.3 Measured average annual runoff evolution of the representative hydrological stations catchment area in Nenjiang River basin

对比分析图4和表2、表3，可以总结出如下规律。

1）从图4a可知：径流深自上游至下游逐渐减小；1—3月和11—12月为枯水季节，径流量很少，径流主要集中在4—10月。原因是：越往下游，下垫面的调蓄作用越大，越不利于径流形成；另外，下游平原地区人类活动影响更为显著，其降水转化为径流的产流过程更为复杂。从图4b、c来看，上游（石灰窑、尼尔基和同盟）径流由地表径流和地下径流共同组成，而下游（江桥和大赉）主要由地下径流组成，尤其在10—12月，基本没有地表径流。

图4 嫩江流域代表性水文站汇水区径流深年内演化过程Fig.4 Average annual depth of runoff evolution of the representative hydrological stations in Nenjiang River basin

2）从图4a可知：上游有3个峰值，分别在5月、7月和9月；而下游只有2个峰值，江桥站出现在5月和8月，大赉站出现在5月和9月。在5月，积雪融化，形成融雪径流；在7—9月，降水增加导致径流增加。要特别注意的是（图2a和图4b）：上游降水峰值出现在8月，而径流在此时突然降低；下游降水峰值出现在7月，而径流峰值出现在8月。结合图4b、c可知：8月上游地下径流处于增加趋势，但地表径流在减少，也就是说，上游径流在8月出现凹点是由于地表径流减少所致（图4b）。出现这种现象的原因是：上游下垫面在春季融雪径流的补给下，包气带中的含水量大幅增加，此时植被生长旺盛，太阳辐射强烈，由此导致蒸散发量大幅增加，尽管降水峰值在此时出现，但由于包气带的调蓄作用，产汇流过程会有滞后，这就使上游地表径流在8月出现了凹点，因而导致河川径流在此时出现了凹点。同理，由于下游径流主要由地下径流组成，来源于地下水的补给，由下垫面水文地质因素调节控制，因此，径流峰值出现（9月）滞后降水峰值（7月）2个月。

表2 枯水月份地表径流深Table 2 Average annual depth of surface runoff in dry season mm

表3 枯水月份地下径流深Table 3 Average annual depth of groundwater runoff in dry season mm

3）从图4a可知：在4—9月，径流深由上游至下游逐渐减小，即上游大于下游；与此相反，在11—12月，径流深由上游至下游逐渐增大，即上游小于下游。从图4b来看，上游地表径流深汛期（4—10月）大于下游，枯水季节（1—3月和11—12月）上游小于下游。产生这种现象主要是因为上游下垫面厚度较大且坡度大，易产流不易下渗，故有利于地表径流的形成而地下径流较少，在枯水季节，下游坡度平缓且河网发育，地表径流不易消退，因此下游大于上游。从图4c来看，4—7月上游地下径流大于下游，而自7月开始，上游地下径流就小于下游。其原因在于：在4—9月，径流主要来源于降水（降雪和降雨），由于坡度和水文地质条件作用，上游更容易产流，而下垫面调蓄作用相比下游更弱；而在枯水季节，径流主要以地下径流为主，来源于地下水的补给，同时，下游下垫面的调蓄作用要大于上游，因此，下游径流深大于上游。

4.2 径流年际演化

图5 嫩江流域代表性水文站实测年径流年际演化过程Fig.5 Measured average interannual runoff evolution of the representative hydrological stations in Nenjiang River basin

图5为实测嫩江干流各代表性水文站汇水区年径流过程图。从图5可知，上游径流年际变化平稳，而下游年际变化较大。这也是由于各站径流数量级差别较大带来的影响。为了消除汇水面积影响，折算为径流深，如图6所示。

从图6a、c可知，各站的径流和地下径流在年际之间无论从量级上还是趋势性上都保持着一致性的变化；地表径流各站之间年际变化差异性较大（图6b），上游的波动性较大而下游的波动性较小，趋近于平缓。合理的解释是上游以地表径流为主，无论从量级上还是波动程度上都较下游大。下游基本上为地下径流，径流量的演化主要以下垫面的调蓄作用为主，主要形成的是地下径流，地表径流则常年趋于平缓。为了消除量级上的差异，进一步采用变差系数分析年际变化，见表4。

图6 嫩江流域代表性水文站汇水区径流深年际演化图Fig.6 Interannual depth of runoff evolution diagram of the representative hydrological stations in Nenjiang River basin

从表4可知：

1）从空间演变上看，自上游至下游径流的年际变化逐渐增大。这是因为：上游径流主要源于降水，降水年际变化相对稳定；下游径流主要来源于地下水补给，受下垫面调蓄作用的影响较大。下游的江桥站和大赉站位于嫩江平原地区，该地区作为东北商品粮主产区，农业灌溉用水需求较大，即人类活动对地下水影响较大，因此，下游径流年际变化较大的原因是人类活动的影响；下游的下垫面条件也是主要影响因素，因下游地处平原，坡度很小，不易产生地表径流；另外，下游的地下水埋深小，地表水和地下水联动密切，降水更加利于转化为地下径流；而且，由于包气带厚度小，下游的下垫面条件更加利于蒸散发，受气候的影响也更大。因此，下游径流的变差系数较大。

表4 嫩江代表性水文站年径流变差系数比较Table 4 Comparison of annual runoff coefficients statistical parameters of the representative hydrological stations in Nenjiang River basin

2）一方面，对于各水文站而言，均存在地表径流年际变化大于地下径流年际变化的现象，即地表径流较地下径流在年际之间变化更为显著；另一方面，地表和地下径流的变差系数都是由上游至下游逐渐增大，呈现上游比下游年际变化小的规律。究其原因，上下游水源的差异性和人类活动影响有关，即上游径流主要来源于大气降水，下游径流主要来源于地下水补给，而下游平原地区人类活动影响较上游更为显著。

5 结论

1）对嫩江代表性水文站对应汇水区降水年内和年际变化特征分析表明，嫩江流域降水上游大于下游，降水峰值出现时间自下游至上游依次滞后，降水年内变化过程及年际变化过程基本一致，因此，可以忽略嫩江流域降水时空分布对径流时空演化规律的影响。

2）从径流年内演化规律上可以判定上下游水源组合的差异性。上游径流以地表径流为主，在春季来源于融雪，汛期来源于大气降水，枯水季节来源于地下水补给；下游径流全年以地下径流为主。不同水源的产流机理不同，地表径流主要受地表条件和包气带特征制约，而地下径流主要受水文地质条件（地下水埋深，渗透性等）控制，因此，在水资源评价和水资源预测中，不同汇水区考虑的影响因子也应该不同。

3）从径流年际演化规律上可以判定在径流产量上自上游至下游逐渐减小。其原因包括：上游降水大于下游降水，但这个因素影响较小；另一方面，由于坡度和水文地质条件作用，上游更容易产流，相反，下游受下垫面调蓄作用更强，不易产流；人类活动影响也是制约产流的重要因素，嫩江下游为平原地区，作为东北商品粮主产区，农业灌溉用水需求较大，即人类活动对地下水影响较大。

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Analysis on the Laws of Spatio-Temporal Changes of Runoff in Nenjiang River Basin

Li Hongyan1，Tian Qi1，Wang Xiaojun2，3，Wang Hongrui4，Yu Wenquan1

1.KeyLaboratoryofGroundwaterResourcesandEnvironment，MinistryofEducation，JilinUniversity，Changchun130021，China
2.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering，NanjingHydraulic ResearchInstitute，Nanjing210029，China
3.ResearchCenterforClimateChange，MinistryofWaterResources，Nanjing210029，China
4.CollegeofWaterSciences，BeijingNormalUniversity，Beijing100875，China

Based on the spatial and temporal distribution theory of basin，the evolution of the Nenjiang River basin runoff space-time laws was analyzed.And it focused on the attribution analysis of the factors of topography effect.Based on the precipitation data from 1955to 2003（49a）and runoff data from 1955to 1973（19a），the evolution of runoff，surface runoff and underground runoff were analyzed from upstream to downstream of the representa-tive hydrological stations.What the results shows is as follows：1）In Nenjiang River basin，the inter-annual and space-time change of rainfall are consistent.So the impact of spatial and temporal distribution of precipitation can be ignored when runoff evolution is analyzed.2）The headwater differences from upstream to downstream can be determined through annual runoff evolution.The upstream is surface runoff.In the spring，the runoff is from snowmelt.In the rainy season，it is from atmospheric precipitation.In the dry season，it comes from groundwater recharge.The downstream is mainly underground runoff.3）Because of slope and hydrogeological conditions，it is easier for upstream to produce flow.From upstream to downstream，the runoff volume is gradually reduced.

spatio-temporal changes of runoff；direct runoff；groundwater runoff；groundwater flow separation；Nenjiang River basin

10.13278/j.cnki.jjuese.201404206

P641.1

A

李鸿雁，田琪，王小军，等.嫩江流域径流时空演化规律分析.吉林大学学报：地球科学版，2014，44（4）：1282-1289.

10.13278/j.cnki.jjuese.201404206.

Li Hongyan，Tian Qi，Wang Xiaojun，et al.Analysis on the Laws of Spatio-Temporal Changes of Runoff in Nenjiang River Basin.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2014，44（4）：1282-1289.doi：10.13278/j.cnki.jjuese.201404206.

2013-11-09

国家自然基金面上项目（51379088，51309155）；吉林省科技厅科技支撑项目（20130206088SF）；中国博士后科学基金（2013M530027）

李鸿雁（1968—，女，教授，博士，主要从事水文水资源预测预报研究，E-mail：lihongyan＠jlu.edu.cn。