气候变化对柴河流域水文特征值的影响分析

孙逸群 徐玉英

(1.河海大学水文水资源学院， 江苏 南京 210098； 2.辽宁省柴河水库管理局， 辽宁 铁岭 112000)

气候变化对柴河流域水文特征值的影响分析

孙逸群1徐玉英2

(1.河海大学水文水资源学院， 江苏 南京 210098； 2.辽宁省柴河水库管理局， 辽宁 铁岭 112000)

本文基于气候变化对柴河流域整个水文范畴形成影响的反应链新观点，采用数理统计方法，按影响的层次，分析了气候变化对反应链的第一环节——降水、径流等流域水文特征值及对柴河流域水文特征值产生的明显影响。

气候变化； 柴河流域； 水文特征值； 影响

自20世纪七八十年代以来，柴河流域气候(主要指气温)发生了明显变化。受其影响，流域降雨、径流特征发生了显著改变。这些变化引发了流域水文特征值、设计洪水和洪水风险等涉及水库防洪和供水安全的深层次要素的变化，对流域内水库防洪标准和安全产生了重要影响。因此，有必要对柴河流域水文方面受气候变化的影响逐一分析。

为深入研究气候变化对流域内水文领域产生的重要影响，本文提出气候变化对流域水文特征值和洪水风险影响形成反应链的新观点，影响链结构如图1所示。

图1 气候变化对水文特征和洪水风险影响链示意图

为论证此观点，本文以资料较完备的柴河流域及其下游的大型水库为典型,分析气候变化对反应链环节的影响。

1 概 况

柴河是辽河支流，全长143km，流域面积1501km2，其下游建有柴河水库,控制流域面积1355km2，总库容6.36亿m3。柴河流域及位于辽宁境内，地理坐标为东经123°54′～124°55′，北纬42°08′～42°21′，这一区域的气温变化趋势与辽宁省气温变化趋势完全一致。

本文分析计算采用的主要资料有：年(Py)、汛期(Pf)、主汛期(Pmf)和汛期最大单场降雨量(Pmax)；年(Wy)、汛期(Wf)和主汛期径流量(Wmf)；汛期内最大洪水的7日(W7)、3日洪量(W3)和洪峰流量(Qm)。详见图2～图4。

图2 降雨量

图3 径流量

图4 洪峰流量

2 气候变化对柴河流域降雨特性的影响分析

根据《辽宁气候变化公报(第一期)》，20世纪七八十年代以来，辽宁省气温呈明变暖趋势，近百年上升了约1.60℃，近50年上升了2℃。1975年开始出现明显的增暖趋势，1989年至今气温持续偏高。最暖的10年均出现在1990年以后，1998年最暖，1995年和2005分别为第二和第三暖年，详见图5。

图5 1906—2005年辽宁省年平均气温距平图 (引自《辽宁气候变化公报(第一期)》

柴河流域降雨特性在气温持续上升的1989年前后的两个时期呈现了明显差异。分别计算气温持续上升前、后两个时期降雨量统计参数及时程分配比重，列入表1。

表1 气候变暖前后柴河流域降雨量统计参数及时程分配比重对比

上述结果表明：气温升高对降雨均值的影响与量值的时间尺度有关。尺度大的，如：年和汛期降雨量均值呈减小趋势。尺度小的，如：主汛期和汛期最大单场降雨量均值呈增加趋势。随着气候变暖，各类时间尺度的降雨量变差系数Cv均呈增加趋势；气温持续升高后使降雨在时间上的集中程度加大；气温升高后，降雨历时缩短，雨强增加，造峰雨集中程度高；极端降雨事件频次增加，且程度加深。

3 气候变化对柴河流域径流特性的影响分析

依据上述资料，分别计算气候变暖前后柴河流域径流量统计参数、径流量时程分配比重，列于表2。

表2 气候变暖前后柴河流域径流量及洪峰流量统计参数及径流量时程分配对比

上述结果表明：气温升高后，径流的变化趋势与降雨变化基本一致，变暖后的径流均值，随量值时间尺度的减小逐渐增大，即：按年、汛期、主汛期、最大单场依次由减小逐渐过渡到增加；气候变暖后变差系数均呈增加趋势，表明离散度明显增加；气候变化后的径流与降雨一样，在时间上的集中程度加大；气象因子是形成径流最直接、最主要的因素。其中，气温通过影响降雨、流域蒸散发影响洪水和径流，降雨则是其直接来源，气候变化对“对径流型态”的影响，最终体现于洪水过程，气候变暖后高强度造峰暴雨形成了峰高量大、陡涨陡落洪水。

4 气候变化对柴河流域极端水文事件的影响

气候变暖以复杂的方式影响径流过程。气候变暖使降雨量增加，但也使流域蒸散发量增加，降雨初损增加。若前者作用大于后者，则会形成更大量级洪水；若后者作用大于前者，则会发生更严重的干旱。表3以气候变暖时间点为界，列出了柴河流域有资料记载以来极端水文事件发生次数。

表3 气候变暖前后柴河流域极端水文事件发生次数对比

上述结果表明：气候变暖后，平均每10年，重现期大于5年的大洪水发生的次数是变暖前的2.6倍，严重干旱发生的次数是变暖前的3.1倍。可见气候变化使流域洪水径流呈明显的两极分化趋势，使极端水文事件的量值和发生频率明显增加。

5 柴河流域气候变化对万年一遇以下各频率水文特征值的影响

5.1 分析方法及结果

为配合气候变化对流域内水库防洪标准影响的分析，且考虑现行水库设计洪水的复核方法，选取以下3个时间系列的Qm、W3、W7资料进行分析：

1935—1970年系列：气候未出现变暖趋势(柴河水库设计资料)；

1935—1988年系列：气候已出现变暖趋势，但气温未持续上升；

1935—2008年系列：包含气候未变暖，气候已出现变暖趋势，但气温未持续上升和气温已持续上升3个阶段资料。

对Qm、W3、W7进行非参数假设检验(χ2拟合优度法)，在95%水平上，不拒绝对数P-Ⅲ分布。因此，选用这种概率分布分别模拟上述3个时间系列的Qm、W7，通过比较其分布参数的差异，分析气候变化对万年一遇以下洪水的影响。按照设计规范方法计算经验频率及理论频率，采用“三点法”进行理论和经验频率曲线的适配。计算结果列入下页表4。

表4 气候变暖前后柴河水库流域不同频率水文特征值对比

*此值偏大，原因是原设计样本系列较短，抽样误差较大。

5.2 影响的初步结论

a.1935—1970年，水库设计系列与气温持续升高后的1935—2008年系列比较。气温升高后系列低于设计系列均值，但Cv在增加，气温升高后小于等于P=1%各频率设计Qm和W7仍大于设计系列，增加量值随频率的减小而逐渐增大。但大于P=1%各频率Qm和W7值均小于原设计值，减小的量值随频率的减小而减小，Cv、Cs值均呈增大趋势，这表明柴河流域洪水的离散程度在逐渐增大，趋于两级分化。

b. 1935—1988年与1935—2008年系列比较。气温持续升高后，Qm和W7均值增加，Cv、Cs值均呈增大趋势，各频率设计值全部呈明显的上升趋势。

6 结 语

气候变化对柴河流域水文特征值和洪水风险的影响形成了一个连锁反应链，在这个影响链中位置越靠前的水文特征值，受气候变化影响越直接，越靠后，受气候影响越间接。但是气候变暖对位于影响链后端的水文特征值在量值和频率上影响程度却超过位于前端的水文特征值，位置越靠后的水文特征值，对气候变化越敏感，响应程度越高。

气候变化的直接和间接共同作用，使柴河流域径流时空重新分配，年内和年际变化不均匀，百年到万年一遇流域水文特征值呈明显的增加趋势。气候变化也强化了柴河流域水文过程的非平稳性和水文事件的非均匀性，使洪水和干旱的两级分化越来越严重。

气候变化对柴河流域水文特征值产生的影响，会按照蝴蝶效应对流域内水库的水文特征值产生影响。

Analysis on impact of climatic changes on hydrological characteristics in Chaihe River basin

SUN Yiqun1, XU Yuying2

(1.HydrologyandWaterResourcesCollegeofHohaiUniversity,Nanjing210098，China;2.LiaoningChaiheReservoirAuthority,Tieling112000，China)

The paper analyzes the obvious impact of climatic changes on basin hydrological characteristic values such as rainfall and runoff as well as hydrological characteristics of Chaihe basi—the first link of reaction chain, based on new reaction chain views of the influence of climatic changes on the whole hydrological scope of Chaihe River basin using mathematical statistics method.

climatic change; Chaihe River basin; hydrological characteristic value; impact

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2015.03.021

TV211

A

1005-4774(2015)03-0076-05