于桥水库流域径流量变化特征及影响因素分析

朱晓春，王胜燕，董 莉

(1.水利部海河水利委员会，天津 300170；2.天津市水文水资源勘测管理中心，天津 300060)

于桥水库位于海河流域蓟运河水系支流州河出山口处，控制流域面积2060km2，涉及河北省唐山市遵化、玉田，承德市兴隆县，天津市蓟州区四个市(县、区)，占整个州河流域面积(2143km2)的96%。于桥水库上游主要河流有沙河、黎河及淋河，沙河、黎河汇流后入于桥水库，淋河单独入于桥水库。流域经济社会发展和人类活动加剧引起的下垫面变化对流域产、汇流规律产生了重要影响，导致径流发生不同程度的变化。客观分析于桥水库流域径流量的变化特征及其影响因素，对指导流域水资源开发利用具有十分重要的作用。

1 流域降雨变化特征

降雨是产生地表水和补给地下水的主要水源，降雨量的大小及时空分布间接反映一个地区的天然水资源状况。选取于桥水库流域内的接官厅、东旧寨、柴王店、大河局、遵化、新立村、水平口、挂兰峪、马兰峪、于桥水库站等10处雨量站1956—2016年长系列雨量资料，采用算术平均法计算流域面雨量。于桥水库流域1956—2016年多年平均降雨量703mm，大部分区域的多年平均降雨量在600mm以上，空间变化比较明显，自西北向东南呈现逐渐递减之势。具体分布为：新立村、马兰峪、冷咀头沿线以北降雨量在700mm以上，兴隆县卦兰峪为流域暴雨中心，多年平均降雨量760mm；此线至于桥水库、柴王店、前毛庄、东旧寨沿线区间降雨量在650～700mm之间，沿线以南地区降雨量略小于650mm。

1.1 降雨年内变化分析

于桥水库流域降雨量具有年内非常集中的特点，全年降雨量的80%以上集中在汛期(6—9月)，而汛期又主要集中在7、8两个月。非汛期8个月的降雨量仅占全年降雨量的20%左右，而非汛期又以4、5、10三个月所占比重为大。选取流域典型雨量代表站遵化站点绘其降雨不同年代年内月平均分布，如图1所示。

图1 遵化站降雨量不同年代年内月平均分布

遵化站典型年降雨量月分配也比较集中，保证率25%的年降雨量6—9月降雨量占全年的90%；多年平均、75%、95%保证率的年降雨量6—9月降雨量占全年的80%左右；特殊枯水年份5月和10月降雨量占全年的比重相比多年平均所占比重增加5%。遵化站典型年年内月分配见表1。

表1 遵化站典型年年内月分配表

1.2 降雨年际变化分析

于桥水库流域年降雨量受气象和地形等因素的综合影响，年际变化较大。年均最大降雨量为1978年1167mm，最小为2002年360mm，极值比为3.2；且降雨量常有连续几年偏多或者连续几年偏少的现象，1976—1979年、1985—1987年、1994—1996年为连续丰水年，1960—1963年、1980—1984年、1999—2011年、2013—2016年为连续枯水年。通过对于桥水库全流域1956—2016年的61年降雨量分时段统计，1956—1979年为丰水期，年均降雨量比长系列年均值多11%；1980—2016年为枯水期，年均降雨量比长系列年均值少7%，尤其是2001—2016年均值与长系列相比减少11%。于桥水库流域不同时段不同频率的年降雨量特征值见表2。于桥水库流域不同年代的年均降雨量如图2所示。

表2 于桥水库流域不同时段不同频率的年降雨量统计特征值

图2 于桥水库流域不同年代年均降雨量变化图

2 流域径流变化特点

由于受人类活动和下垫面变化影响，流域的产汇流规律和径流特性发生了改变，于桥水库站的实测径流值已不能代表流域径流的天然状况。为消除人类活动的影响，对于桥水库站以上受人类活动影响部分的水量进行还原，将实测径流系列还原为天然径流系列。通过对降雨径流(还原后)关系分析，虽然对受人类活动影响的且可直接还原的水量(含农业、工业、生活用水的耗损水量，跨流域或区间引水量，分洪决口水量及水库蓄水变量等)进行了还原，在一定程度上改善了径流系列的一致性，但从1956—2016年降雨径流(还原后)关系来看，在同量级降雨情况下，2001—2016年的径流量明显小于1956—2000年径流量。引起降雨径流关系变化的主要原因是流域下垫面条件的改变，导致入渗、径流、蒸发等水平衡要素发生变化，径流量减少。基于此，采用双累积相关法(年降雨量累积值与天然年径流量累积值相关)判断转折年份大致为2001年。为保证径流量系列成果的一致性，采用2001—2016年现状下垫面条件对1956—2000年系列成果进行修正，1956—2000年径流量修正后系列成果与修正前相比，年均减少30mm，减少比例为13%。

2.1 径流年内变化分析

采用于桥水库站1956—2016年修正后的天然年径流系列，分析其不同年代径流年内的变化。于桥水库站不同年代及多年平均的年内径流量变化过程相似，均为单峰型且峰值均出现在8月。径流量年内分配不均，1—6月径流量小且变化缓慢，7月开始逐渐增加，8月增加迅速达到最大值，9月又开始减少，10—12月径流变化缓慢但量较1—6月稍大。总体看来，年径流量主要集中在汛期的6—9月，尤其集中在7、8月两月，汛期6—9月的径流量占全年径流量的70%～80%。于桥水库站修正后不同年代年内径流分布如图3所示。

图3 于桥水库站修正后不同年代年内径流分布图

2.2 径流年际间变化分析

于桥水库1956—2016年修正后的天然径流量系列年最大径流量为1978年的14.81亿m3，年最小径流量为2000年的0.32亿m3，最大值与最小值的比值为46.3，流域径流量年际间变化很大。1956—2016年的61年系列中，1956—1979年处于丰水期，年均径流量比长系列均值偏多43%；1980—2016年处于枯水期，年均径流量比长系列均值减少28%，尤其是2001—2016年均值与长系列均值相比减少43%。于桥水库不同时段不同频率的年径流量见表3。于桥水库不同年代的年均径流量如图4所示。

表3 于桥水库不同时段不同频率的年径流量统计特征值

图4 于桥水库不同年代的年均径流量

3 径流变化的成因分析

径流变化主要受自然因素和人类活动的影响。最直接的自然因素为降雨，人类活动对径流的影响表现为直接影响(取用水量的增加或减少)和间接影响(地下水开采、水利工程建设、水土保持措施等)，导致降雨入渗、径流、蒸发等水平衡要素发生了一定的变化。

3.1 降雨量对径流变化的影响

通过对于桥水库流域10处雨量站的1956—2016年系列降雨资料统计，10处单站1980—2016年年均降雨量与1956—1979年年均相比，降雨量衰减11%～19%，流域衰减16%；10处单站2001—2016年年均降雨量与1956—1979年年均相比，降雨量衰减13%～22%，流域衰减19%。降雨量衰减，土壤包气带增厚，汛期一般强度降雨不能形成有效地表径流，径流量衰减幅度比降雨量衰减幅度更大。根据于桥水库1956—1979年、1980—2000年、1981—2016年三个时段的降雨径流相关关系比较，当降雨量为500mm左右时，1980—2000年、1981—2016年相比1956—1979年，径流量分别减少33%、55%；当降雨量为800mm时，径流量均减少16%。从于桥水库站的降雨径流相关关系可以看出，随着降雨量的增加，不同时段径流量的变化率逐渐减少，其变化范围由62%逐渐减小到16%，说明降雨量越小，下垫面对径流的影响程度越大。

3.2 用水量变化对径流的影响

用水主要包括生产和生活用水，随着于桥水库上游流域的经济社会发展和人民生活水平的提高，流域内用水量必然增加，其净消耗水量也随之增大，从而导致其径流量减少。根据相关资料，选取于桥水库流域1993—2016年部分典型年的用水量，分析其用水变化情况。2016年于桥水库以上流域总用水量为2.61亿m3，较1993年的2.43万m3多了0.18亿m3，较1995年2.30亿m3多0.31亿m3。除农业用水量在减少外，工业、生活用水量均在增加，且工业用水量增加得非常迅速。典型年用水量统计见表4。

表4 于桥水库流域用水量调查表 单位：亿m3

对径流量的产生起到影响作用的是各种用水量的消耗量，即耗水量。根据《于桥水库流域水资源状况分析》和天津市水资源公报等相关资料统计分析，于桥水库流域耗水量由1960年的1.17亿m3增加至2016年1.46亿m3，由于人类活动导致耗水的增加直接造成河川径流量的减少，于桥水库1960—2016年的流域耗水量变化过程如图5所示。

图5 于桥水库以上流域耗水量过程图

3.3 下垫面变化对径流的影响

流域下垫面(包括地形、植被、土壤、地质)和河系特征(河长、河网密度、水系形状等)，这些影响因素统称下垫面因素。河川径流是降雨量与下垫面共同作用的结果，具体量化下垫面变化对径流的影响较为困难，本文从流域地下水开采影响、地表植被变化、流域水利工程建设等方面间接分析下垫面变化对径流的影响。

3.3.1地下水开采影响

于桥水库流域涉及河北省唐山市遵化、玉田，承德市兴隆县，天津市蓟州区四个市(县、区)。根据《于桥水库流域水资源状况分析》，流域内泉水头、大柳树、东新庄、南新城、新店子等5处地下水位站自建站至今的年平均埋深、年最大埋深、年最小埋深分析发现：除东新庄站外，其他四处地下水位站的年平均埋深、年最大埋深、年最小埋深三个统计特征值全部呈增大趋势，仅东新庄站年最小埋深、年平均埋深系列变化不明显，年最大埋深有减小趋势，主要是该站测井紧靠黎河河道，受引滦输水影响，河水对河道两侧补给地下水作用造成的。其中，泉水头年平均埋深由1976年的4.5m降至2006年的8m、年最大埋深由1976年的8.2m降至2006年的8.6m、年最小埋深由1976年的1m降至2006年的7m；东新庄站年平均埋深由1976年的6.5m升至2006年的6.2m、年最大埋深由1976年的11m升至2006年的8.2m、年最小埋深由1976年的3.9m降至2006年的6m。

3.3.2植被变化情况

于桥水库流域内清东陵以北地区封禁达270多年，流域上游植被覆盖较好；中下游遵化市和蓟州区，作为京津冀的后花园，植被覆盖率由1975年32.7%增加到2010年的54.0%以上。植被覆盖率增大会改变流域产汇流机制，使径流模式更趋向于蓄满产流或先超渗后蓄满产流模式，使得径流减少。此外，水土保持措施中的梯田、蓄水保土工程等治理措施，直接存蓄当地地表产流，治理区域的小流域地表产流量几乎可有效拦截。

3.3.3水利工程建设情况分析

流域内目前有龙门口、上关、般若院三座中型水库以及29座小型水库，中型水库、小(一)型水库均位于遵化市境内，遵化市境内水库总库容占到流域内水库总库容的95%以上。蓄水工程蓄水能力由1995年的1.1亿m3增加到2005年的1.39亿m3，引提水工程由1995年的97处增加到2005年的110处。拦蓄截水面积的增大，导致蒸发量相对加大；引水工程和提水工程改变了某个流域的径流情况及某些地区的地下水情况，造成局部水量改变，影响了小区域水资源情况，从而改变了取水及用水地域原来的水体循环情况。此外，近年来地表水资源减少，流域内农村集雨水窖建设得非常迅速。水窖的规模虽小，但数量颇多，大多位于山区流域，对拦蓄山区径流起到一定作用，大大减小了河道径流量。

4 结论

河川径流是降雨与水文下垫面共同作用的结果，径流系列的变化除受降雨丰枯影响外，下垫面变化成为影响流域径流的主要因素。1980年以前，人类活动影响较小，用水量是影响流域径流量的主要因素；1980年以后，尤其是2000年以来，由于人类活动的加剧，水利工程的建设、地下水埋深增加、地表植被覆盖率的变化都会导致下垫面发生变化，径流量的减少趋势非常剧烈。下垫面变化对天然径流的影响非常复杂，是一个渐变过程，因此，在水资源开发利用中，要客观评价流域地表水资源变化，以便为流域水资源开发利用提供基础支撑。