某水库天然入库径流演变规律的分析

2015-07-25波拉提胡曼江

陕西水利 2015年1期

波拉提·胡曼江

（阿勒泰水文水资源勘测局新疆阿勒泰 836700）

在流域水文变化过程中，径流的变化是整个变化的重点，流域面上径流在出现汇流时，会对河流水的流动速度、河流水的水位、河流水的流量变化情况等造成影响，对流域中生态系统能量和物质的输出与输入也会造成一定的影响。可以说流域生态安全性和其所在的径流有比较大的联系。在流域的径流产生变化时，会对流域的人为活动、自然因素变化产生一系列突变性、累积性的响应。为了更加合理地对水流资源进行配置，研究水库径流的演变规律具有重要意义。

1 案例介绍

某水库控制的总流域面积为1168km2，大约为整个干江河流面积的92.3%，属于大型、重点防洪水库，承担着此地区洪水的拦蓄，保证下游几十万人口的安全。整个水库工程是一个集灌溉、供水和发电为一体的综合性水利工程。干流总长度为98.6km，地区洪水、暴雨等频繁，并且暴雨具有汇流时间段、强度大等特点。

2 水库径流年际演变规律

2.1 径流演变的趋向性

通过对某水库进行多年的跟踪观察发现，该水库入库径流变化幅度较为显著，年径流丰枯变化现象非常剧烈。年径流平均值达到3.6215亿m3。为了将一年内不同时间段径流的演变规律表现出来，将实际观测到的径流资料分成两类进行分析：一是实测年径流序列；二是汛期（6月～8月）径流序列。根据Kendall秩次相关法（注：Kendall秩次相关法指的是n个同类的统计对象按特定属性排序，同序对和异序对之差与总对数（n*（n-1）/2）的比值定义）对这两类序列依次进行了径流整体趋势演变检验,计算公式如下：

在公式中：Kendall的统计量为τ，方差为Var，标准变量为M，径流序列所有的对偶观测值（Xi，Xj，j＞i）中产生Xi＜Xj的个数为Q，序列长度为N。经过计算，得出具体检验结果如表1所示。

2.2 径流演变的周期性

（1）可根据径流序列自相关函数（注：自相关函数指的是研究随机信号中一个信号时刻和另一个信号时刻之间的依赖关系，主要是研究时刻和t+t时刻中随机变量的之间的关联性）的变化，将径流演变中丰水期和枯水期相互交替的信息近似反映出来。从图1中可知，r（k）～k曲线在k=7,11,19三个阶数范围内上下波动,在7阶,11阶和19阶，其相关结构一致,也就是说径流丰、枯交替规律大致为7年,11年和19年。

表1 水库演变的趋势检验表

图1 水库入库年径流和汛期径流的相关函数表示图

图2 水库入库径流的方差谱密度法识别周期图

（2）通过对水库入库径流序列的方差周期图谱的分析得出水库入库径流的变化规律，如图2所示。从图2可知，方差谱密度曲线比较明显峰值一共有三个，其对应的显著周期约为7年，11年和19年；位于前三位的谐波频率所对应的显著周期分别为7年,11年和19年,方差和大约为总累计方差的34.2%，所以，将显著周期分别确定为7年，11年和19年是正确的。综上所述，此水库径流的周期变化规律约为7年，11年，19年。

2.3 径流演变的骤变性

在理想状态下，径流演变是遵循一定的规律的，但是当自然条件的变化或是人为条件的影响下，会使得径流序列发生一定的变化，即从一种发展状态变化成另一种形态，同时和其对应的动力学统计特征也会与正常状态下的径流演变特征有所不同。在识别水库径流可能存在的突变点时，通常会使用有序聚类分析法（聚类分析是一组将研究对象分为相对同质的群组的统计分析技术，具有直观、简单的特点）对其进行识别。经过分析，1984年～1985年期间的年径流跃度为2.772亿m3，汛期径流跃度为2.715亿m3；在1995年～2001年期间的年径流跃度为0.545亿m3，汛期径流跃度为0.243亿m3。汛期径流分别为年径流量的84.13%和78.54%。

2.4 水库入库径流的年内变化特征

该水库所在地区的气候为温带季风型气候，常年降水量多集中在夏季，尤其是在6月份～8月份期间，降雨量占到全年降雨总量的六成以上，其他月份降雨量相对较少。通过多年的调查我们发现水库径流在汛期的三个时期表现基本相类似，其中在六月入库径流占全年总入库径流量的78.6%，七月入库径流量占全年总入库径流量的58.8%，而八月份入库径流量占全年总入库径流量的50.7%，从分析我们可得知刚入夏时汛期径流所占的比例较高，继而呈递减趋势。根据水库在1984年～2014年平均入库旬径流的统计分析结果，发现经过多年的分析调查入库旬径流最大的峰值出现在7月的上、中旬，旬径流量占到年平均总径流量的21.2%，8月上旬的旬径流量占到年平均径流量的15.7%。水库的入库径流量，从年初开始多年平均旬径流呈缓慢增长趋势，到七月上旬旬径流从0.1290亿m3突增至0.3909亿m3,增长幅度达到了203.02%；在七月下半月旬径流略有下降，但8月上旬洪水峰值进一步增加，会比前一峰值高出45.8%[2]；而从八月中旬直至年末，旬径流趋势逐渐下降。

3 水库入库径流演变的推动力剖析

在水库流域内对河川径流演变起主要推动力的有两类：一是自然推动力；二是人类驱动力。自然推动力主要表现在降水在一年内的变化情况。而人类的作用主要表现两层含义：其一随着人口数量的持续上涨以及经济的飞速发展，城镇居民以及工业用水也在持续增长；其二随着农业耕种方式的不断改革，水土保持措施和水利工程的兴建对河川径流的演变造成一定的影响。

3.1 降水与径流演变之间的联系

经过分析发现，该水库控制流域的降水量与入库径流量之间存在正向关联性。随着时间的推移，两者之间的关联性呈下降趋势。在1984以前，径流量和降水之间有明显的相关性，相关系数为0.912；而在1984年～2014年期间,径流量和降水量之间的相关系数则下降为0.778。可以得出如下结论：80年代前期,降水是影响水库入库径流和汛期径流的主要因素；但是在80年代中后期，水库汛期径流和入库径流受降水的影响逐渐变小。

3.2 人类活动对径流演变的作用

随着人口数量的持续上涨，在改造自然方面，人类的能力不断增强，人类活动对流域水文的变化影响程度愈发突出。为了将人类的活动对该流域径流的影响作用清晰的表现出来，可用Wr来表示各个时期人类活动对河川径流演变的贡献率,公式如下：

在上式中各字母所代表的含义:Qt表示天然年径流量，Qs表示实测年径流量。根据上式绘制出人类活动对径流产生的影响，见图3。

图3 人类活动与水库入库径流量之间的关系图

根据图3可以看出，人类驱动力对径流影响的贡献率的变化较为繁杂，规律性不强，但总体的变化趋势呈增长趋势。在1984年以前,人类的活动几乎对该水库的上游径流不会造成影响，河道径流表现为天然径流的基本特性。在1984年～2001年期间,人口数量的持续上涨，不断增加的农业灌溉需求量，使得径流量年平均分配不均衡。再加上干江河流域降水多集中在夏季，占到全年降水量的六成以上，经过仔细的分析得出降水与径流的正相关性达到0.868,在降水的影响下，年内径流分配均匀性差，汛期6月～8月入库径流量占全年径流总量的50.7%～78.6%。然而该区域庄稼灌溉的时间通常集中在2月～3月，正处于干旱、缺水的时间段，为了满足农业发展之所需，修建大量的水利工程对农田进行灌溉,加之枯水期河道会出现间断的无水现象，但在汛期又可能会引发洪涝等灾害[3]。导致水资源供求和径流量年平均分配之间的矛盾不断激化，使入库径流逐渐产生变化。