近60 a饶河流域径流变化特征研究
2018-10-12冯德锃赵玲玲
冯德锃，赵玲玲，李 翀
(1.中水珠江规划勘测设计有限公司，广州 510610；2. 广州地理研究所，广州 510070)
饶河为江西5大河流之一，下游汇入鄱阳湖。流域多年平均降水量1 769 mm，在5大河中位居第2。流域内水资源总量极为丰富，径流主要由降水形成，径流的时空变化与降水的时空变化基本一致。饶河流域降水主要集中在春、夏2季(3-8 月)，降水量占全年总量的72%，其中又以4-7月为最多，占全年的57%，而9-1月(共5个月)其降水量仅占年降水量的14%。随着全球气候变暖,流域年降水日数逐渐在减少,特大暴雨事件变得频繁，降水呈现两极分化现象，导致突发性极端洪涝事件和干旱事件的不确定性增加。自20世纪90年代以来，极端水文事件日益增多，如1998、2008、2010、2011 年的大洪水，其中1998年出现了有实测记录以来最大的洪水；1991、1996 年则经历了大干旱。进入21世纪，流域的干旱程度不断加剧，2001、2003、2004、2007、2013 年发生了严重干旱事件，下游鄱阳湖几近枯竭，严重威胁饶河流域及下游湖区居民用水安全。
近20 a以来，我国学者陆续对鄱阳湖流域水文气象变化特征开展研究。如，崔同等人[1]基于鄱阳湖流域6个水文站1956-2012年径流系列，采用数理统计分析等多种方法，对鄱阳湖流域径流年际特征值和变化规律进行了初步分析。刘健、李微等[2,3]根据鄱阳湖流域“5河8站”径流系列，综合采用趋势检验法、R/S分析法、小波分析法等分析了各水文站1953-2011年经还原后的天然年径流量系列变化特征、演变趋势及变化周期。还有研究者总结了赣江、抚河、信江等流域的径流变化规律及变化趋势,同时分析了其变化原因[4-7]。鄱阳湖流域上述研究大多是针对鄱阳湖湖区或赣江、抚河、信江，现有研究基本未将饶河流域作为重点研究。
自建国以来，随着饶河流域及下游湖区经济社会快速发展、人口增长和城市化水平的提高，经济社会对防洪减灾、水资源综合利用与水生态环境保护的要求越来越高，大涝或大旱造成的经济和生态的损失更难以估量。因此，对饶河流域径流变化特征进行研究很有意义。本文利用饶河流域干支流控制站流量观测资料，采用统计方法、Mann-Kendall非参数检验方法等，分析饶河流域地表径流量的年内、年际变化特征及长期趋势、振荡周期，旨在为流域水资源综合开发利用和水生态环境保护提供一定的科学参考。
1 研究区概况
饶河位于江西省东北部，其地理位置在东经116°30′～118°13′，北纬28°34′～30°02′，流域面积21 272 km2。流域西邻鄱阳湖，北倚五龙山脉和白际山脉与安徽省青弋江毗邻，南靠怀玉山脉与信江相邻，东毗浙江省钱塘江。饶河由信江东大河、乐安河、昌江来水汇合而成(见图1)。饶河主流乐安河发源于戆、皖边界的五龙山脉，自东北向西南流，流经婺源、乐平、万年等市区(县)，至蔡家湾于左岸乐安村有信江东大河注入，过乐安村向西北流，至姚公渡与昌江会合后称饶河。2江会合后，绕鄱阳县城注入鄱阳湖。乐安河流域面积8 546 km2，主流全长279 km；昌江流域面积6 754 km2，主流全长254 km，汇合口以下流域面积379 km2。
饶河流域属副热带季风气候区，春夏秋冬四季分明，气候湿润，雨量丰沛。流域内多年平均降雨量为1 768.5 mm，降水量地区分布基本趋势是乐安河略高于昌江，上游又稍大于下游。流域多年平均气温17.5 ℃，多年平均蒸发量1 426.1 mm。
图1 饶河流域概况Fig.1 Map of Raohe basin
2 数据来源与研究方法
饶河(以鄱阳镇段为控制断面)来水由信江东大河、乐安河、昌江、区间来水组成。由虎山、渡峰坑站按面积比拟可得到乐安河、昌江2个流域径流量；区间流量可查径流深等值线图得到；信江于八字嘴处分为东、西大河，将梅港站径流按面积比移至八字嘴，并以东、西大河专用水文站实测分流比成果分配流量，由此可得到信江东大河径流量。本文选取信江东大河站、昌江的渡峰坑站、乐安河的虎山站为代表站，对1952-2014年共计63 a的逐日平均流量数据进行统计计算，以此分析饶河流域水文时间序列变化的趋势与规律。本次分析所用水文数据来源于江西省水文局。信江、乐安河、昌江干流上的水库调节性能较小，且分别距离下游梅港、虎山、渡峰坑站较远，而各支流上的水库控制面积均较小，因此，信江、乐安河、昌江干支流水库对3个水文站所选用资料系列(天然年径流及径流年内分配)影响较小。统计时段划分3月至次年2月为水文年，3-5月为春季，6-8月为夏季，9-11月为秋季，12月至次年2月为冬季。
本文采用水文统计法分析饶河各支流及干流下游鄱阳镇段天然径流序列的年内、年际变化特征与年际演变周期，采用Mann-Kendall非参数检验方法[8-11]分析饶河流域径流量的年际变化趋势。
3 结果分析
3.1 年内径流变化分析
分别统计饶河各支流水文站及干流鄱阳镇断面1952-2014年历年各月平均流量(见图2)，可见饶河流域3月开始进入汛期，径流量迅速增加，径流主要集中在汛期3-8月，汛期径流量占全年总量的72%～86%，而主汛期4-7月径流量约占全年总量的57%～71%。径流最大值，信江东大河站、虎山和渡峰坑站发生在4月份，分别有4、8和7次；发生在5月份，分别有13、20和17次；发生在6月分别有35、28和26次；发生在7月分别有8、6和10次。饶河干流及各支流，1-6月径流逐步增大，7-12月径流逐步减小，9月至次年2月为枯期,3～8月为汛期。就季节而言，春季(3-5月)和夏季(6-8月)为主要产流时段，径流在年内分配上呈现非对称的单峰形态。因此,饶河流域径流年内分配不均, 汛期易涝，枯期易旱。
图2 饶河流域各控制断面多年平均月径流年内变化Fig.2 Monthly runoff of three hydrological stations and Poyang town setion within Raohe basin
3.2 年际径流变化分析
3.2.1 径流年际变化特征值分析
径流年际变化特征常用变差系数(Cv)与年际极值比来表示[12]。对水文现象来说，变差系数能够反映河川径流在多年中的变化状况，其计算公式为：
(1)
式中：ki为模比系数，即第i年的年径流量与平均年径流量的比值；n为系列长度。
年际极值比的计算公式为：
w=Wmax/Wmin
(2)
式中：Wmax、Wmin分别为最大、最小年径流量。
经计算，饶河各支流年际变化特征值见表1。由表1可知，3条支流的径流变差系数为0.33～0.39，各河流之间差异不大，乐安河(虎山站)最小，昌江(渡峰坑站)最大；径流年际极值比(最大值/最小值)为3.87～6.43。饶河流域3条支流年径流变差系数Cv、径流年极值比在我国南方湿润地区相对较大，在长江中上游主要河流中也处于中等偏大值[13,14]，从而说明饶河流域年际径流变化大,稳定性差，波动剧烈。
表1 饶河流域3条支流径流年际变化特征值Tab.1 Characteristics values in annual change of runoff of three rive in Raohe basin
根据三河流域流量加上区间流量，计算得出饶河干流鄱阳镇断面63 a的年径流量(见图3)，年际变化特征值见表2。由图3、表2可知，饶河干流年径流量最大年份为1954年(741 m3/s)，最小年份为1963年(338 m3/s)。这与表1中饶河支流乐安河虎山站、昌江渡峰坑站(1963年径流114 m3/s，为第2枯水年)发生流量最大、最小年份基本对应，究其原因，乐安河、昌江支流是3条河中较大的河流，占饶河流域的72%，其流量对饶河的径流变化起着重要的作用。由表2可看出，饶河干流Cv值为0.32，年际极值比为3.85，年际变率相对较小，径流量相对较稳定。因有些年份3条河之间丰枯互补，受下游鄱阳湖的顶托及流域调蓄的影响，饶河干流径流年际变化略小于3条河。
图3 饶河干流(鄱阳镇断面)63 a年径流变化过程Fig.3 Annual runoff of Raohe during past 63 year
多年平均流量/(m3·s-1)实测最大年径流流量/(m3·s-1)年份实测最小年径流流量/(m3·s-1)年份Cv值年际极值比7411 300195433819630.323.85
3.2.2 丰枯变化分析
若划分年径流距平值Ki成5个级别，则10%
从饶河干支流控制站(断面)年径流距平值统计结果(见表3、图4)可以看出,饶河出现丰水年、枯水年的几率较大,而出现偏丰、偏枯水年的几率较小,易发生洪灾和旱灾。各支流控制站丰水年、枯水年出现的概率分别约24.2%～32.3%、32.2%～33.9%，而干流鄱阳镇断面丰水年、枯水年出现的概率分别为27.4%和30.6%，可见饶河流域出现枯水年概率大于丰水年概率。从图3可以看出，干支流各控制站(断面)年径流丰、枯呈波动性交替变化，且变化趋势基本相同。20世纪50年代初期、70年代前期和90年代出现丰水年的年份较多，60年代、70年代后期、80年代中期和21世纪的前10 a出现枯水年的机会较多，2010年后的近4 a丰枯水年数大致相等。另外，分析2000年以来饶河干流径流量，枯水年和偏枯水年出现了10次，占比达71.4%，可见饶河近年来以枯水为主。
表3 饶河干支流控制站(断面)年径流丰、 枯概率统计成果 %
图4 饶河干支流控制站(断面)年径流距平百分率Fig.4 Percentage of annual runoff of Raohe in distance to average value
绘制鄱阳镇断面径流差积曲线图(见图5)，进一步说明饶河干流连丰、连枯水时段变化特征。连续2 a以上丰或偏丰年有1952-1955、1969-1970、1992-1993年和1997-1999年4个丰水年组，连续时段长2～4 a；连续2 a以上枯或偏枯年有1959-1965、1978-1979、1981-1982、1984-1986、1990-1991、2000-2001年和2004- 2009 年7个枯水年组，连续时段可长达7 a。因此饶河流域连续枯水年组的几率大于连续丰水组的，29 a的枯水年中连续枯水年出现24 a，连续枯水年出现的概率达82.8%，易出现严重的连续干旱。饶河干流径流差积曲线变化过程显示该流域水文循环周期约为20 a。
图5 饶河干流鄱阳镇断面年径流系列差积曲线Fig.5 Difference accumulation curve of annual runoff of Raohe
3.2.3 径流变化趋势分析
为定量分析天然状况下的不同时段的年径流序列的变化趋势，揭示径流的变化规律，本文采用Mann-Kendall趋势检验法对饶河3条支流控制站径流系列进行趋势性分析(见表4)，东大河站年径流系列M-K法求得的Z值大于0，可见1952-2014年来东大河年径流量呈上升趋势，但检验值没有突破a=0.05的临界值(±1.96)，说明东大河年径流有上升趋势但不显著，而虎山站、渡峰坑站年径流系列Z值小于0，呈微下降趋势；但21世纪以来各站年径流均呈下降趋势，各站Z值从1952-2000年的0.9～1.36下降到1952-2014年的-0.43～0.35，经对2001-2014年系列检验，各站的Z值均小于0，呈下降趋势。这主要是因为20世纪90年代饶河流域处于丰水时段，各站平均年径流量是多年平均年径流量的1.01～1.33倍，而21世纪的14 a中，除2010、2012年外，其他年份多为平、枯水年，平均年径流量仅占多年平均的0.86～0.99倍。
表4 饶河3条流控制站天然径流不同时段系列趋势检验Tab.4 Trend of annual runoff of Raohe basin in different period
4 结论与讨论
(1)饶河径流最大流量主要发生在4、5、6或7月份。从3月份开始进入汛期，径流不断增大，至6月份达到峰值，各支流控制站径流过程均呈现非对称的单峰形态，径流年内分配不均。
(2)饶河各支流中乐安河的径流深最大，昌江的径流深最小，但各支流径流年内分配及年际变化具有相似性。饶河干支流变差系数普遍较大，尤其以昌江变差系数最大，波动性剧烈，其年际径流稳定性相对较差，而饶河干流鄱阳镇断面变差系数相对较小，径流年际间变化相对稳定。
(3)饶河丰、枯水年交替出现,各支流年际丰枯变化趋势基本一致,枯水年出现的几率大于丰水年的几率。饶河径流连续丰水时段仅为2～4 a,而连续枯水时段可长达7年。饶河干流径流年际极值比和Cv值分别为3.85、0.32,在63 a的径流过程中,丰水年和偏丰水年出现概率为30.6%,平水年为22.6%,偏枯水年和枯水年为46.8%,枯水年多以连枯的形式出现。饶河干流径流差积曲线变化过程显示该流域水文循环周期约为20 a。
(4)饶河各站1952-2000 年径流均呈现小幅度上升趋势，但21世纪来则呈现下降趋势，未来各站年径流可能延续21世纪以来的变化趋势。
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