锦江水库对下游径流年内分配影响分析

陈伟东

(河海大学 水文水资源学院， 南京　210098)



锦江水库对下游径流年内分配影响分析

陈伟东

(河海大学 水文水资源学院， 南京210098)

摘要：基于锦江流域仁化、长坝两个研究站点及参照站点犁市1958～2009年的日径流资料，采用集中度、集中期、不均匀系数与极值比4项指标定量研究了各站点径流年内分配的规律，并着重比较分析了仁化、长坝两站在锦江水库建库前后的径流年内分配情况．结果表明：控制时段取5 d时，犁市站径流集中度与集中期、不均匀系数和极值比均呈上升趋势，年内径流分配趋于不均匀；而仁化站与长坝站径流集中度和不均匀系数都呈下降趋势，年内径流分配趋于均匀．控制时段取一个月时，犁市站径流极值比有微弱下降趋势，而仁化站径流极值比上升趋势明显．总体而言，锦江水库运行后使得下游径流年内分配趋于均匀化，但锦江下游径流的变化幅度增大．

关键词：锦江水库；径流年内分配；集中度；集中期；不均匀系数；极值比

河川径流的年内分配是不均匀的，不同的河流及同一河流的不同年份，径流年内分配的不均匀程度不同[1]．随着气候变化和人类活动的影响，河川径流年内分配的不均性可能会进一步加剧[2-3]．常采用各月(季)平均径流量占全年径流总量的百分数或者季节以及洪、枯水期的相对数来定量描述径流年内分配不均匀性[4]．冯国章等[5]提出以年内各时段平均流量的均方差与年平均流量的比值作为径流年内分配的不均匀系数用以定量描述年内分配的不均匀性；郑红星等[6]采用不均匀系数、集中度和集中期、变化幅度等指标分析了黄河源区径流年内分配变化规律．本文研究对象为广东韶关的锦江流域，陈伟东等[7]已分析了锦江水库对下游径流年际变化的影响，为使得分析的全面性，本文将采用集中程度、不均匀系数及变化幅度等方法研究分析锦江水库对下游径流年内分配的影响，为流域水资源更好地开发利用提供科学依据．

1研究区域概况及分析方法

1.1研究流域概况

锦江流域降水年际变化较大，属亚热带、中亚热带季风气候区，夏季盛吹西南风和东南风，多年平均年降水量1 670 mm．锦江属珠江流域北江水系，是北江上游主源浈江的一级支流，发源于江西省崇义县竹洞，流经广东省仁化县的长江、仁化县城、丹霞山、夏富等地区后汇入浈江[8]．锦江水库建于锦江中游段，坝址位于仁化县境内，1990年6月1日开始施工，于1993年8月一号机组并网发电．水库总库容为1.89亿m3，调洪库容0.45亿m3，为季调节型水库[9]．仁化站径流情况可直接反应出锦江水库对下游径流年内分配的影响．犁市站点所处武江与锦江流域同属北江水系，流域气候条件与研究区域相似，而仁化站周边仅有此水文站不受锦江水库影响，故此将其视为参照站点．锦江水库是长坝水文站控制流域内的关键库区，而其他中小水库由于库容以及距离等因素，默认其对长坝水文站影响较小，只分析来自锦江水库的影响．

图1　锦江流域水系及站网分布

1.2径流年内量化方法介绍

1.2.1集中度和集中期

径流集中度是指一定时段内径流量按此时段序列以向量方式累加后各分量之和的合成量占年径流量的百分数，用以反映径流量在年内的集中程度．径流集中期是指径流向量合成后的方位，反映全年径流量集中的重心所出现的时间[10]．对于径流序列{Q(t，λ)，t=1，2，…，n；λ=1，2，…，m}，t为年，n为年数，λ为年内某一时段，m为时段数，其集中度和集中期的计算公式如下[11]：

(1)

(2)

其中：

(3)

式中，Cn(t)为第t年的集中度；Cp(t)为第t年的集中期；Q(t，λ)为第t年第λ时段的平均流量(m3/s)；Qx(t)、Qy(t)分别为Q(t，λ)分解在x和y两个方向上的和矢量(m3/s)；θ(t)=2πλ/m为第λ时段的矢量角度．

1.2.2不均匀系数

不均匀系数是指年内各时段平均流量的均方差与年平均流量的比值，与水文学中常用的变差系数的意义一致，计算公式如下[12]：

(4)

式中，Ct(t)为第t年的径流年内分配不均匀系数；σ(t)为第t年的年内时段平均流量的均方差；Q(t)为第t年的平均流量(m3/s)；其他变量同1.2.1．控制时段λ相同时，Ct(t)越大，表示径流年内分配越不均匀．

1.2.3变化幅度

一般采用极值比来反映径流年内分配的相对变化幅度，计算公式如下[13]：

(5)

式中，Cm(t，λ)为第t年内控制时段为λ的极值比；maxQ(t，λ)为第t年内控制时段为λ的最大流量；minQ(t，λ)为第t年内控制时段为λ的最小流量．变化幅度越大表明水资源的开发利用难度相应增加，过于平稳或者过于激烈的变化均为不利的水生生物生境，威胁河流生态安全．

2结果与分析

2.1单站分析

采用集中度与集中期、不均匀系数、极值比计算犁市站、仁化站与长坝站1958～2009年的流量，结果分别绘制在图2、图3与图4中，并将特征时段取值下的各站点径流年内分配特征指标统计在表1．

图2　犁市站径流年内分配分析图

图3　仁化站径流年内分配分析图

图4　长坝站径流年内分配分析图

站名时段长集中度平均值 最大值 最小值集中期平均值 最大值 最小值不均匀系数平均值 最大值 最小值极值比平均值 最大值 最小值参照站:犁市站日(1d)0.4370.6460.213149217961.3082.2590.957111.599553.52132.345候(5d)0.4370.6450.212151218981.1131.9390.82147.479172.20915.724旬(10d)0.4340.6430.2081562241010.9761.5240.69931.79982.01113.068月0.4350.6460.2411652341110.7931.1860.51116.11540.8154.939锦江水库下游第一站:仁化站日(1d)0.3630.6010.1621642331120.9081.4910.511候(5d)0.3630.6000.1621662351140.8521.4480.517旬(10d)0.3620.5990.1581712391180.7581.3540.474月0.3590.5910.1791802491270.6351.0400.309锦江水库下游第二站:长坝站日(1d)0.4080.6150.1641542391031.2062.0360.83070.049193.33329.372候(5d)0.4080.6140.1641562411041.0211.7020.71632.25988.90415.236旬(10d)0.4050.6120.1601602461080.9001.5220.64121.26477.7118.722月0.4040.6070.1681692551170.7421.3320.44611.47529.5513.803

图2(a)与表1表明犁市站径流集中度受时段长取值变化的影响非常小，基于日(1 d)、候(5 d)、旬(10 d)和月取值下集中度的年际变化特征值指标值基本一致，介于0.208～0.646之间，多年平均值为0.436．候集中度趋势分析表明集中度在1958～2009年期间有微弱上升趋势．图2(b)显示了集中期随控制时段长的增大而略微增大．由表1可知基于日时段的犁市站径流集中期在96～214度之间(对应年内时间为4月上旬至8月上旬)，均值为149度(5月下旬)；基于月的犁市站径流集中期在111～234度之间(4月中下旬至8月下旬)，均值为165度(6月中旬)．图2(c)和图2( d)表明不均匀系数和极值比随控制时段长的增大而减小．犁市站候不均匀系数趋势分析表明在研究年份内不均匀系数呈缓慢上升态势．犁市站候极值比趋势分析表明变化幅度在1958年～2009年呈上升趋势；控制时段为月时，变化幅度呈下降趋势．作为参照站，犁市站反映了自然条件下(不受锦江水库调蓄影响)流域年内径流分配情况，集中度、集中期、不均匀系数以及候变化幅度趋势均呈上升态势，此种现象可能与气候变化与极端天气增多有关．

由表1，仁化站集中度在0.158～0.601之间，均值为0.36．候集中度趋势分析表明在研究年份内下降趋势显著．基于日时段的仁化站径流集中期在112～233度之间(4月中下旬至8月下旬)，均值为164度(6月中旬)；基于月的仁化站径流集中期在127～249度之间(5月中上旬至9月上旬)，均值为180度(6月末、7月初)．候集中期趋势分析显示径流集中期在1958～2009年期间呈上升态势，尤其是1994年之后．基于日时段的仁化站不均系数介于0.511～1.491之间，均值为0.908；基于月的不均匀系数介于0.309～1.040之间，均值为0.635．候不均匀系数趋势分析表明在研究年份内仁化站径流不均匀系数呈下降态势．锦江水库建成后，仁化站断流天数增多，无法较好地量化变化幅度．图3(d)是仁化站径流量基于月的变化幅度，其中1999年径流的极小值为0，此处将极值比人为设成25，以便作图．图3(d)表明锦江水库建成后，下游径流年内分配的变化幅度增大．

由表1，长坝站集中度在0.16～0.61之间，均值为0.41．候集中度趋势分析表明在研究年份内集中度下降趋势明显．候集中期趋势分析表明径流集中期在1958～2009年期间呈缓慢上升态势．基于日时段的长坝站不均系数介于0.830～2.036之间，均值为1.206；基于月的不均匀系数介于0.446～1.332之间，均值为0.742．候不均匀系数趋势分析表明在研究年份内不均匀系数呈下降趋势．长坝站径流基于月的极值比介于3.803～29.551之间，均值为11.475，其趋势分析表明变化幅度在1958年～2009年呈下降趋势．

2.2分时段多站综合对比分析

1990年锦江水库开始施工，到1993年完成一期工程，并网发电进入试运营阶段．将1993年视为分界点，1958～1993年作为水库影响前部分，1994～2009年作为受锦江水库运行影响部分．各站工程前后年内分配特征值统计见表2；各站点趋势分析线系数列于表3．

从表2均值比较与表3趋势线系数可知，犁市站径流年内分配的集中度、集中期、不均匀系数及变化幅度均有所增加．其中集中度约增加5%，集中期约增加13%，基于日的不均匀系数增幅约为9%，基于日的变化幅度增幅最大，达207.7%，基于旬的变化幅度也有15%．由此可知：因为气候因素变化，流域内径流年内分配趋于不均匀．

C-为1958～1993多年平均值，C+为1994～2009多年平均值

表3　研究站点年内分配特征指标的趋势分析线系数

仁化是锦江水库下游河道的第一个站点，其径流集中度、不均匀系数均有减小，其中集中度约减少8%，基于候的不均匀系数约减小10%．而集中期则有所增加，增幅约13%．锦江水库运行后造成仁化站0流量天数增多，仁化站径流极值比无法有效量化，但可确定其径流变化幅度增大．与参照站点犁市比较分析可知，锦江水库运行后对下游径流年内分配造成影响．以集中度为例，犁市站上升5%，仁化站则是下降8%；基于日的不均匀系数，犁市站上升8.7%，仁化站则是下降14.2%．锦江水库的调蓄使得下游年内径流分配趋于均匀化．长坝站径流集中度约减少7%，集中期约上升9.7%，基于候的不均匀系由原来的0.939降至0.812，基于候、旬、月的变化幅度均有所下降．表3中长坝站集中度和变化幅度的下降趋势要比仁化站缓慢，不均匀系数的降幅比仁化站要大，这应与浈江上游干流来水有关．由表2知，长坝站径流年内分配也受到锦江水库调蓄影响，趋于均匀化．

3结论

本文通过锦江流域代表水文站点仁化与长坝，以及参照站点犁市52年的实测径流资料从径流集中度和集中期、不均匀性与变化幅度4个方面具体分析了研究区域径流年内分配的变化规律，并着重分析了锦江水库对下游径流的影响．控制时段取一候，参照站点犁市集中度、集中期、不均匀系数与极值比均成上升趋势，表明自然条件下该流域的年内径流分配趋于不均匀，此种现象可能与气候变化及极端天气增多有关；仁化站径流集中度和不均匀系数都成下降趋势，以集中度为例，犁市站径流在建库后上升了5%，而仁化站径流在建库后约下降了8%，表明锦江水库运行后使得锦江下游段径流年内分配趋于均匀化．值得注意的是，控制时段取月时，犁市径流的变化幅度呈下降趋势，而仁化站是上升的，表明因为水库运营造成下游断流使得径流的变化幅度增大．受锦江水库调蓄影响，长坝站径流年内分配也趋于均匀．

参考文献：

[1]施嘉炀．水资源综合利用[M]．北京：中国水利水电出版社，1996．

[2]李林，王振宇，汪青春．黑河上游地区气候变化对径流量的影响研究[J]．地理科学，2006，26(1)：40-46．

[3]邓慧平，李秀彬，张明，等．气候与地表覆被变化对梭磨河流域水文影响的分析[J]．地理科学，2001，6(6)：493-497．

[4]李丽娟，李海滨，王娟．澜沧江水文与水环境特征及其时空分异[J]．地理科学，2002，22(1)：49-56．

[5]冯国章，李瑛．河川径流年内分配不均匀性的量化研究[J]．西北农业大学学报，2000，28(2)：50-53．

[6]郑红星，刘昌明．黄河源区径流年内分配变化规律分析[J]．地理科学进展，2003，6(6)：585-590．

[7]陈伟东，包为民，瞿思敏，等．锦江水库对下游径流年际变化影响分析[J]．中国农村水利水电，2015(9)．

[8]韶关市志(1988-2000)[M]．广东：方志出版社，2011．

[9]杨建波．浅谈锦江水库水文自动测报系统及其维护[J]．科技资讯，2012，19(19)：151-151．

[10] 刘贤赵，李嘉竹，宿庆，等．基于集中度与集中期的径流年内分配研究[J]．地理科学，2008，27(6)：791-795．

[11] 涂新军，陈晓宏，张丽娟，等．时段长取值变化下的径流年内分配特征研究[J]．生态环境学报，2011，20(1)：119-123．

[12] 李艳，陈晓宏，张鹏飞．北江流域径流序列年内分配特征及其趋势分析[J]．中山大学学报：自然科学版，2008，46(5)：113-116．

[13] 徐东霞，章光新．嫩江径流年内变化特征分析[J]．干旱区资源与环境，2009，7(7)：48-51．

[责任编辑周文凯]

收稿日期：2015-11-30

基金项目：水利部公益性行业科研专项项目(201501059)

通信作者：陈伟东(1991-)，男，硕士研究生，研究方向为水文学及水资源．E-mail：wdchen520@163.com

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.02.003

中图分类号：TV121

文献标识码：A

文章编号：1672-948X(2016)02-0011-05

Analysis of Effect of Jinjiang Reservoir on Downstream Annual Streamflow Distribution

Chen Weidong

(College of Hydrology and Water Resources, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

AbstractBased on the daily flow at Renhua, Changba and Lishi stations covering 1958-2009, statistical analysis was done on the concentration degree, concentration period, nonuniform coefficient and extrema ratio with aim to understand the annual distribution of streamflow, and mainly analyzed the streamflow of Renhua and Changba before and after Jinjiang reservoir used. The results show that the concentration degree, the concentration period, the nonuniform coefficient and the extrema ratio of Lishi were on the rise when studied time was five days, which indicated that the annual streamflow distribution is becoming nununiform. The concentration degree and the nonuniform coefficient of Renhua and Changba were on the downward trend, which indicated that the annual streamflow distribution is becoming uniform. Studied time was one month, the extrema ratio of Lishi had a weak downward trend; and the rise trend of Renhua's extrema ratio was obvious. In general, the downstream annual streamflow distribution was more uniform after Jinjiang reservoir used; but the extrema ratio was increased than before.

KeywordsJinjiang reservoir;annual streamflow distribution;concentration degree;concentration period;nonuniform coefficient;extrema ratio