云南省径流年内变化特性研究

谷桂华，李学辉，余守龙，段路松

(1.云南省水文水资源局玉溪分局，云南 玉溪 653100；2.云南省水文水资源局，云南 昆明 650106；3.云南省水文水资源局临沧分局，云南 临沧 677000)

受季节影响，云南径流的年内分配不均匀，一般呈现单峰变化，部分地区有双峰过程。径流的年内分配不均对人类的生产生活影响很大，特别是对防汛抗旱、水利工程建设、水资源调度、水资源配置等均有直接影响。随着水资源开发利用程度不断提高，人类活动对径流的影响日益显著，径流的不确定性更突出；在气候变化与人类活动的双重驱动下，流域径流特性也随之发生相应变化。因此,开展变化环境下的径流年内变化特性研究,是水文特性研究的一项必要工作。刘学锋等[1]应用有序聚类法等和HBV模型研究了气候变化和人类活动对滦河流域人类活动影响期间径流的定量影响程度，认为随着人类活动影响的加剧,气候变化对滦河流域径流的影响在逐渐减弱,人类活动对该流域的影响在增强；谷桂华等[2]应用分离评判法定量评价了气候变化和人类活动对南盘江上游径流的变化影响，人类活动对径流的年内分配影响主要表现在月径流的均匀化和峰值的坦化现象上；钟华昱等[3]采用多方法、多维度综合分析了变化环境下汉江流域径流的时空演变规律。以上研究大都偏重于从年的尺度去分析和揭示径流演变规律，虽然能够很好的反映径流的渐进变化，但对于河流生态需水要求、水资源利用与保护以及美丽河湖建设等工作，还需对径流的年内变化特点进行具体分析。

目前，水资源评价中常用最大4个月径流占年径流总量的比例、汛期和非汛期比例、年内分配过程线等表示径流年内分配状况。也有不少学者利用集中度等相关指标研究径流在年内的不均匀性：李艳等[4]利用径流年内分配不均匀性、集中程度等指标研究了北江流域径流年内分配变化规律；王金星等[5]对中国六大流域径流的年内分配不均匀性和集中度进行了变化趋势分析；田黎明等[6]利用径流年内分配不均匀性、集中度等指标分析了白龙江流域上游径流年内分配变化规律；张晓晓等[7]应用年内分配比例、年内不均匀系数、集中度和集中期、变化幅度等指标，分析了疏勒河上游径流年内变化规律；马正耀[8]以径流的年内百分比、不均匀系数、集中度等不同指标，具体分析了黑河径流年内分配的变化规律。由于径流集中度、集中期能够充分定量地表征径流在年内分配的非均匀性[9]，本文利用年内不均匀系数、集中度和相对变化幅度等指标，对云南60多年实测径流资料进行分析，研究径流年内分配变化特性，可为省内水旱灾害研究、流域水资源管理、水生态保护和水资源开发利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

云南省地处中国西南边陲，位于青藏高原东南侧，地势高耸，山高谷深，地形地貌极为复杂。全省1956—2016年平均自产水资源量2 141亿m3，多年平均径流深558.8 mm。径流总的分布规律是：西多东少、南多北少；同时由于几条近似南北走向的大山脉对气流的阻隔，径流深地带分布呈现出明显的高低相间特点，主要表现为河谷小、山区大。云南径流深超过800 mm的区域主要分布在碧罗雪山以西、伊洛瓦底江等区域，无量山、哀牢山南段和中越、中老国境线一带和滇东北的高山地区也有分布；200～800 mm范围主要分布在澜沧江流域的绝大部分地区及金沙江下段、珠江、红河等地区；滇中坝子和河谷地区径流深不足200 mm，是云南水资源最匮乏地区。由于复杂的自然地理及“立体气候”的影响，年径流垂直变化也十分明显[10]。

根据流域代表性，在长江、珠江、红河、澜沧江、怒江和伊洛瓦底江六大流域共选用 9个代表站进行分析，各站均具有56年以上实测月年径流资料，代表站基本情况见表1。

表1 各流域水文代表站基本情况

1.2 方法

1.2.1不均匀性

径流不均匀系数Cu是分析径流年内变化的一个重要指标，Cu值越大,各月径流量与月平均径流量差异越大,说明径流的年内分配越不均匀[11]。

径流年内分配不均匀系数Cu的表达式为：

Cu=σ/R

(1)

式中Ri——各月径流量,万m3；R——月平均径流量，万m3。

1.2.2集中程度

径流集中程度Cn是河川径流年内分配集中程度的一种统计指标，即表示径流量年内分配集中的程度[12]。本文按月为时间尺度分析年内分配的集中程度，以月径流量大小为向量长度，所处的月份为向量方向，以每个月的中间日期(约为15°)作为该月向量的方向。各月代表的角度1月为15°、2月为45°、3月为75°,其余各月角度均按30°累加。集中度表示径流年内不均匀分布的状况，Cn越接近1表示径流越集中在某几个月，为0则表示年径流平均分配在12个月。

集中度Cn表达式为：

(2)

式中Ri——各月径流量；R——合成量。

12个月的分量和构成合成量的水平、垂直分量为：

1.2.3相对变化幅度

径流年内变化幅度对工农业生产生活用水影响很大，本文用极大比Cmax和极小比Cmin表示,分别为最大月平均流量Qmax和最小月平均流量Qmin与年内月平均流量Q(单位均为m3/s)之比，计算公式为:

Cmax=Qmax/Q,Cmin=Qmin/Q

(3)

2 结果与分析

2.1 年内变化分析

2.1.1指标分析

根据式(1)、(2)、(3)计算各水文代表站不同年段的年内径流分配不均匀系数Cu、集中度Cn、极大比Cmax和极小比Cmin，各指标分析结果见表2。

表2 各代表站不同年段径流年内变化指标

2.1.2年内变化特性

a)从多年平均径流年内分配过程看，以塘上站为代表的滇西北地区的多年平均Cu为0.55，为全省Cu较小区域，说明该区域径流年内分配较为均匀；以地索站和小龙潭站为代表的滇中地区多年平均Cu大于1.0，说明该区域径流年内分配极不均匀；其他流域区域多年平均Cu在0.67～0.76之间。从多年平均集中度Cn看，集中程度较高的区域也是滇中缺水地区(以小龙潭、地索站为代表的区域)，集中度Cn值超过0.6。

b)从1956—1980年、1981—2000年、2001—2016年3个不同时段径流平均年内分配过程看，全省各阶段Cu总体为下降趋势，下降幅度在0.01～0.18之间，其中道街坝站Cu下降幅度最小，为0.01；江边街、允景洪和豆沙关Cu下降幅度较大，分别为0.18、0.17和0.13；说明全省径流年内分配在逐渐向均匀化演变，其中滇西片怒江流域均匀化演变不明显，滇东珠江流域、滇南澜沧江流域和滇东北长江流域均匀化较为明显。从不同年代阶段Cn看，均匀化较明显的是滇南澜沧江允景洪和滇东珠江江边街站，2001—2016年比1980年以前Cn下降幅度分别为0.13和0.11。

c)除了滇西怒江流域的道街坝站不同年代月径流极大比Cmax微增0.03外，其他站均为减小，减小幅度在0.03～0.46之间，其中江边街、允景洪和豆沙关站下降幅度较大，分别为0.46、0.43和0.24。不同年代径流年内极小比Cmin基本呈逐渐增大趋势，其中允景洪、江边街和豆沙关增长幅度较大。因此，滇东珠江流域、滇南澜沧江流域和滇东北长江流域的径流年内分配极大比Cmax总体在减小，极小比Cmin总体在增大。

d)全省多年平均年内径流主要集中在7、8、9月，其中以拉贺练、道街坝站为代表的滇西片伊洛瓦底江、怒江流域年内最大径流出现在7月，其他区域年内最大径流基本出现在8月；以塘上站为代表的滇西北澜沧江流域年内径流出现双峰现象，即除了8月出现最大峰值外，在4月也有一个径流次峰；以地索站和小龙潭站为代表的滇中长江流域、红河流域片，径流集中程度较高，8月径流占全年径流的24.6%～27.2%，其他区域8月(7月)径流占全年径流的15.2%～19.7%,见图1。

图1 代表站径流多年平均年内分配过程

e)全省不同年段径流年内分配过程特点表现为：1980年以后分配过程比1980年以前过程平缓，其中江边街和允景洪站变化(坦化)最明显，见图2、3。

图2 江边街站不同年段年内径流年内分配过程

图3 允景洪站不同年段年内径流年内分配过程

2.2 年内变化影响因素

2.2.1人类活动影响

对澜沧江流域和珠江流域主汛期(7—9月)的降水、径流占全年百分比的变化情况进行分析，见表3。2000年后，澜沧江流域的水电建设逐步加大，目前干流水电站总库容达500多亿m3，占流域水资源量的70%以上；珠江流域一直是云南人口密集、经济社会较发达的地区，经济社会用水需求较大，水资源开发利用率是云南最高的流域。从表3中可以看出，2001—2016年段与1956—1980年段相比，澜沧江流域和珠江流域主汛期降水占全年比的变化率都不大，如澜沧江流域的降水变化率2.3%，远小于径流变化率-17.5%，说明径流年内均匀化主要是被水电工程调蓄。珠江流域的降水变化率-7.7%，也小于径流的变化率-12.9%；这除了2000年以后两次大旱对径流的影响外，经济社会用水对径流年内变化也有较大影响。因此，人类活动是径流年内分配均匀化和削峰填谷的主要影响因素。

表3 流域主汛期(7—9月)降水和径流占全年比变化率 单位：%

2.2.2气候变化影响

为分析气候变化对径流的影响程度，选用降水因子对澜沧江流域和珠江流域的不均匀系数的一致性和差异性进行对比分析。在澜沧江流域和珠江流域分别选择28、39个具有1956—2016年系列的降水代表站以及流域控制站允景洪和江边街水文站，分析降水和径流的年内分配变化情况，见表4。从中可以发现，2001—2016年段与1956—1980年段相比，澜沧江流域和珠江流域的降水年内不均匀系数在不同年段变化都不明显，Cu仅上升了0.02；但径流不同年段的不均匀系数变化却很大，Cu分别下降了0.17和0.18。这在一定程度上说明，以降水为代表的气候因素影响对径流的年内分配均匀化作用不明显。

表4 流域年内降水和径流不均匀系数Cu分析成果 单位：%

从降水和径流的年内分配变化分析结果可看出，随着经济社会用水需求的增加和水利工程控制能力的增强，人类活动对径流的影响将越来越大；从澜沧江流域上、下游站的径流年内不均匀系数Cu变化来看，2001—2016年段与1956—1980年段相比，上游塘上站下降了0.06，下游允景洪站下降了0.17，说明上、下游径流年内过程分配均匀化趋势的发展与流域内水资源开发利用程度逐渐增强、水利工程对径流调节力度不断增大有关。随着经济社会快速发展，人类活动对径流起到了削峰填谷作用，使下游枯期径流增加，汛期径流减少[13-14]；这种变化对河道水文天然态势有较大影响，同时会改变河流水生生物多样性发展状况[15-16]。

3 结论与讨论

a)云南省多年平均径流年内分配不均匀系数Cu在0.55～1.21。其中，滇西北区域的径流年内分配较为均匀，滇中长江流域中部和红河流域上游等缺水地区的径流年内分配极不均匀。

b)从各年代径流不均匀系数Cu和集中度Cn比较，两系数总体为下降趋势；其中，澜沧江和南盘江下游径流变化最明显，澜沧江允景洪站Cu减少0.17，Cn减少0.13；南盘江江边街站Cu减少0.18，Cn减少0.11；长江流域豆沙关Cu减少0.13，Cn减少0.09。从各区域分布看，滇西怒江流域均匀化演变不明显，滇南澜沧江流域、滇东珠江流域和滇东北长江流域的径流年内分配均匀化较为明显。

c)各月径流的相对变化幅度显示，极大比Cmax为减少趋势，极小比Cmin为增大趋势；说明各地区径流最大月占的比重减少，枯季最小月的径流增大，径流年内分配过程有坦化现象，最明显的是滇东珠江流域和滇南澜沧江流域。

d)云南省径流主要集中在7、8、9月，其中伊洛瓦底江、怒江年内最大径流出现在7月，其他区域年内最大径流基本出现在8月。滇中长江流域和红河流域径流集中程度较高，8月径流占全年径流的24.6%～27.2%，其他区域8月(7月)径流占全年径流的15.2%～19.7%。

本文从实测资料分析径流年内变化的基本特征，揭示人类活动对云南省径流年内分配的影响，各指标变化显示，径流的年内分配有均匀化趋势。径流年内过程分配均匀化趋势与流域内水资源开发利用程度逐渐加大、水利工程对径流调节能力不断增强有关；水利工程对径流的调节起到削峰填谷作用，是年内径流分配过程坦化的主要因素。径流年内分配的均匀化和年内峰值的坦化，一定程度减轻了流域下游的防汛抗旱压力，并有利于满足下游地区经济社会的用水需求。

云南省径流年内分配不均匀，随着流域水资源开发利用程度加大，径流的年内分配过程有均匀化趋势，特别是2000年以后；云南六大流域中，水电开发影响较大的澜沧江流域均匀化趋势最显著，其次开发利用程度较高的长江流域和珠江流域均匀化趋势也较明显。分析结果展现了长江、珠江和澜沧江等流域径流的现状和变化趋势，为流域水资源管理和保护提供参考依据，对美丽河湖建设有现实的指导意义。但人类活动对径流影响及其变化机制较复杂，未来可加强气候变化和人类活动对径流影响的贡献率、水电群开发对径流影响机制等方面的研究。