小兴安岭典型冻土区径流特性及影响因素分析

2018-08-29孙颖娜易欣欣孙海宁张一丁

水利科学与寒区工程 2018年7期

孙颖娜,易欣欣，孙海宁，张一丁

(黑龙江大学水利电力学院，黑龙江哈尔滨 150080)

黑龙江省是典型的季节性冻土区，冬季积雪是该地区的典型特性之一[1]。融雪径流在春季对河流的补给量高达75%以上[2]，融雪径流既是一种资源，又是造成春季洪水灾害的主要原因之一，因此，研究冻土区径流特性及影响因素对水资源管理、防洪减灾等都具有十分重要的意义。

河川径流过程受众多不确定性因素的影响，是一个十分复杂的过程[3-6]。特别是在季节性冻土区，由于冻层的存在，使下垫面性质发生了改变，在春季融雪径流时起到了阻碍融雪水入渗量，从而增加产流量[7]。本文以小兴安岭永翠河流域为研究对象，对季节性冻土区径流特性进行分析探讨，初步分析影响径流的主要因素。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

永翠河流域位于黑龙江省伊春市带岭区，河流发源地为寒月林场的翠岭南麓，为西南岔河一级支流，其上一出口控制水文站为带岭(二)站，集水面积为678.0 km2，另有育林、新功、新曙光三个水文站，其控制面积分别为8.3 km2、28.0 km2、169.0 km2，为径流试验站。永翠河流域为中温带大陆季风气候区，多年平均降水量为661 mm，年内分配不均，主要集中在6—9月份，多年平均径流量为343.4 mm，多年平均气温4.3 ℃，一般情况下流域内河流每年11月中旬封冻，次年4月中旬解冻，土壤最大冻深达2.15 m。

图1 研究区水文站网分布图

1.2 数据来源

本文采用数据摘自《黑龙江省水文年鉴》中永翠河带岭(二)站水文站的年降水量、年径流量资料，其他三站降水量及年径流量资料来自黑龙江省水文局，序列长度为1995—2014年，共20 a。

2 水文特性分析

2.1 研究方法

本文采用滑动平均法及Spearman秩次相关检验法对永翠河流域降水径流变化趋势进行分析。

Spearman相关检验法可用于时间序列的趋势检验，通过分析水文序列xt与时序t的相关性来检验序列的趋势性，该种方法对于样本的分布及容量无严格要求，适用于水文序列数据。其具体步骤如下：

(1)将水文时间序列从小到大的顺序排列，其秩次Rt为排列后序列对应的序号(把序列xt从小到大排列时xt所对应的序号)，用式(1)计算秩次相关系数r。

(1)

式中：dt=Rt-t；n为序列长度；t为时序。

(2)构造t检验的统计量，见式(2)。

(2)

给定显著性水平α，如果|T|>tα/2，拒绝原假设，认为序列有明显的趋势，否则，接受原假设，认为序列趋势变化不明显。

2.2 径流年内分配特性分析

利用已有水文资料，对永翠河流域基本特性分析，其径流年内分配均匀性及集中程度采用下列公式计算。

(3)

(4)

(5)

D=arctan(Ry/Rx)

(6)

计算得出，流域年内不均匀系数平均为0.43，集中度为0.62～0.74，集中期为181.9°～197.9°间，说明永翠河流域径流年内分配不均匀，最大径流量出现在6—7月份。

2.3 径流年际变化特性分析

2.3.1 统计特性分析

永翠河流域内各水文站径流量、降雨量统计参数见表1。

表1 永翠河流域水文站统计参数表

分析表明，研究时段内，各站年径流量从上游到下游递增，变差系数从上游向下游递减，新功站极值比最大，新曙光站极值比最小。下游控制断面带岭(二)站最大径流量为2013年4.29×108m3，最小年径流量为2001年的0.85×108m3，年际变差系数平均为0.43，变化幅度较大，相对比较，年际降水量的变差幅度较小。从图2中可以看出，育林站和带岭(二)站的变化趋势一致，降雨空间分布较均匀，上游育林站降雨量略大于下游带岭(二)站降雨量，但相差不大，主要因为流域面积较小，两站距离较近，多年平均降雨过程变差系数为0.22，表明研究时段内变化起伏较小，由图3可以看出，流域内平均降雨量体现上升趋势。

流域内降雨量空间分布不均匀，上游降雨量大于下游降雨量，建立育林和带岭(二)两站的降雨径流相关关系如图4(a)及图4(b)，可以看出，永翠河流域内降雨径流相关趋势明显，相关关系较好。

2.3.2 年径流趋势分析

径流变化趋势是河川径流水文特性的主要分析内容之一。为了更进一步揭示永翠河流域的径流变化特征，采用滑动平均法、Spearman秩次相关检验法对永翠河流域年径流趋势进行分析。

根据永翠河流域径流序列变化趋势(图5)来看，总体呈上升趋势变化，带岭(二)和育林两站变化明显，新功站相对较平缓。