西营河九条岭水文站1972—2020年径流特性分析

王晴玉,武金慧,何 洋,徐 俊,张 璇

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

受流域土壤、植被、气候变化和人类活动及其所造成的土地利用变化等因素的影响,河流径流变化过程的不确定性不断增加,使区域供水和生态用水安全面临挑战。石羊河是我国内陆河流域中人口最密集、水土资源开发利用程度最高、用水矛盾最突出、生态环境问题最严重的流域之一[1]。西营河是石羊河流域最大的一级支流,行政区划上,流域主要涉及武威市的凉州区、天祝县,张掖市的肃南县,历年平均径流量占到了石羊河流域总径流量的38%[2]。在2019年河道管理范围划定中,甘肃省水行政主管部门将西营河确定为石羊河的干流源头。2006—2020年从西营河直接向下游累积调水15.9亿m3,占下游调水控制断面蔡旗水文站总来水的37.2%,在完成石羊河流域综合治理生态调水任务中发挥了重要作用[3]。故研究分析西营河径流特性,探寻径流变化过程及演变规律,对流域管理部门提前制定水量调度计划、做好流域水资源开发利用和流域生态治理规划、促进区域可持续发展具有重要参考价值和意义。

本文根据西营河主要控制站九条岭水文站1972—2020年实测水文资料,通过多种方法分析年径流系列代表段,为开发利用西营河水资源及临近流域水利水电工程选九条岭水文站作为参证站提供一定的设计依据。且由于九条岭水文站是石羊河流域几大河流中唯一一个不受人工设施影响的天然河道监测站[2],故对其径流特性及资料代表性进行分析,计算其设计年径流,为探究石羊河流域出山径流变化过程与规律提供借鉴。

1 西营河流域概况

西营河发源于祁连山北麓的冷龙岭,流域面积1 455 km2,河长124 km,上游分为东西两支,东支宁昌河,发源于祁连山冷龙岭北坡的假墙槽,自南向北流,流长45.8 km,源地海拔高程4 500 m,干流平均坡降24.8‰;西支水管河,源于乱石窝脑子,自西南向东北流,流长35.6 km,源地海拔高程4 300.00 m,干流平均坡降24.9‰。东、西两支流在西营河林场处汇合后折向东北流称西营河,上游河网发育,支流纵横,山地阴坡面分布有天然林,牧草丰盛,植被较好,山区雨量较大,是流域的主要产流区。河流源头植被较好,中高山区有乔、灌林和草原覆盖,有林地4 500 hm2,草地8 100 hm2[3]。流域平均高度3 312 m ,河源不少山峰耸立在4 500 m以上,最高达5 007 m,群峰终年积雪,有现代冰川,中上游森林茂密;下游及水管河以西山岭光秃,岩石裸露,河床蜿蜒曲折,川谷相间,落差大,水力资源丰富。

西营河产流区位于出山口以上的祁连山区,径流主要来源于大气降水,另外有少量的冰雪融水补给。径流年内分配不均匀,主要集中在5—9月,径流量约占全年径流量的80.26%。

2 九条岭水文站资料情况

九条岭水文站是西营河的主要控制站,位于石羊河水系西营河上游,地处张掖市肃南裕固族自治县皇城镇九条岭煤矿,地理坐标:东经 102°03°35.2′,北纬 37°52°44.3′。九条岭站以上为主要产流供水区,区域内植被较好,有高山乔木、灌木和草原覆盖,水土流失较少,人烟稀少,人类活动影响较小[4]。九条岭站控制流域面积1 077 km2,属国家重要水文站、中央报汛站、区域代表站[5]。该站于1972年1月设立,测验项目主要有水位、流量、悬移质输沙率、降水量、蒸发量等,测验符合水文测验相关规范要求,测验成果经甘肃省水文水资源局整编,资料整编符合规范要求。

该站流量测验河段基本顺直,两岸有人工浆砌石堤坝,水流集中,卵石河床,河床稳定,历年测验断面稳定,控制良好,水位流量关系线呈稳定的单一线关系,影响河道流量的各水力因素相对稳定,测站控制良好,符合测验河道稳定、水流平稳的控制特性,水位、流量资料可靠,精度较高[6]。水文站以上流域内人类活动很少,干流河道在水文站测验断面以上无具有调节性能的水利水电工程,对径流基本无影响,故径流系列具有较好的一致性。本次收集到九条岭水文站1972—2020年实测径流资料,系列长度为49 a。

3 径流特性

3.1 径流年内分配

西营河产流区位于出山口以上的祁连山区,径流主要来源于大气降水,另外有少量的冰雪融水和地下水补给。根据九条岭水文站1972—2020年共49 a径流资料系列统计,计算得九条岭水文站径流年内分配及占比情况见表1,径流年内分配如图1。

图2 九条岭水文站年径流变化过程

表1 九条岭水文站径流年内分配及占比情况表

由上述图表统计结果,结合径流补给条件可以得出,九条岭水文站多年平均年径流量3.19亿m3,径流年内分配主要集中在5—9月,径流量占全年径流量的80.26%;枯期10月至翌年4月,径流量占全年径流量的19.74%;最枯12月至次年3月,河流结冰封冻,径流主要靠地下水补给,径流量仅占年径流量的6.11%。

3.2 径流变化趋势

河流径流年际过程具有丰、平、枯水年组交替出现的现象,其总趋势可以用年平均流量和时间的直线方程表示,这条直线亦称为趋势线。径流序列变化趋势过程可用直线方程表示如下:

X年,t=k·t+b

(1)

式中:X年,t为年平均径流量,亿m3;k为趋势线的斜率;t为用时序表示的年份;b为趋势线的截距。

根据式(1)中斜率k的大小,可以判断河流径流的长期变化趋势:若k>0,说明径流的长期变化呈增长趋势;若k=0,说明径流的长期变化趋于稳定;若k<0,则说明径流的长期变化呈减小趋势[7]。经九条岭水文站1972—2020年实测径流资料拟合,九条岭水文站年径流长期变化趋势方程如下:

X年,t= 0.0082t+ 2.9797

(2)

从式(2)中可见,九条岭水文站径流年际过程以 0.0082亿m3/a的微弱趋势增长。九条岭水文站逐年径流变化过程见图 2。

九条岭水文站以上流域地处祁连山区高海拔区域,上游河网发育,支流纵横,山地阴坡面分布有天然林,牧草丰盛,植被较好,山区雨量较大,是流域的主要产流区。近年来,随着全球气候变暖,平均气温逐年升高[8],使得融雪地区及高纬度地区的冬季或春季的融雪径流不断增加[9-10],致使该站长系列径流变化趋势线呈现微弱增长的总趋势。

4 年径流代表性分析

径流系列的代表性是指年径流系列(称为样本)的统计特性对总体统计特性的接近程度,接近程度高,表明该系列代表性较好。水文计算中,一般常借助于与长系列径流资料的统计参数比较,并采用多种方法综合分析,判断系列的代表性[11]。本次采用:① 长短系列统计参数对比分析;② 差积曲线分析;③ 累积平均分析3种方法对九条岭水文站1972—2020年径流系列进行代表性分析。

4.1 长短系列统计参数对比分析

水文计算中,通常从长系列资料中,选取若干个短系列,计算它们的统计参数,如均值及离势系数Cv,并与长系列统计参数进行对比分析,若计算结果较为接近,则认为该站资料具有一定的代表性[12]。

根据九条岭水文站径流系列丰、枯水年分布规律,选取1972—1996年、1979—2013年、1996—2020年3个时间段作为短序列,分别计算其流量均值及离势系数Cv,与长系列进行比较,计算成果见表2。

表2 九条岭水文站长短径流系列计算分析成果表

由表2可知,1972—1996年流量均值与长系列成果相比略低3.18%,Cv值比长系列略低5.56%;1979—2013年流量均值与长系列基本相近,Cv值比长系列略高5.56%;1996—2020年年流量均值与长系列相比略高2.26%,Cv值比长系列略高5.56%。由计算分析成果可知,3个短系列的平均流量值与Cv值与长系列均相差很小,因此,九条岭水文站1972—2020年径流系列具有较好的代表性。

4.2 差积曲线分析

水文计算中常用差积曲线分析系列的代表性。差积曲线即累积距平值过程线,是分析径流系列某一时期径流量相对于系列总均值的丰、平、枯变化情况,判断某一时期属于丰水期、平水期或枯水期[3]。差积曲线的不同形状,反映年径流量的周期性丰、平、枯交替变化规律。曲线的上升段,表示多水期,下降段表示少水期,在某时段内,曲线总的趋势上升,表示处于丰水期,曲线总的趋势下降,表示处于枯水期,曲线总的趋势保持稳定,表示处于平水期,曲线的丰水期、平水期、枯水期构成了一个完整的丰、平、枯周期[13]。年平均流量累积差值的计算方法用公式表示如下:

(3)

根据九条岭水文站1972—2020年共49 a实测径流资料系列,采用丰、平、枯水过程、年径流均值收敛性及丰、枯年数对比分析等方法对系列样本代表性进行分析。九条岭水文站径流差积曲线见图3。

图3 九条岭水文站径流差积曲线

4.3 累积平均分析

累计平均法是一种常用的数理统计方法,该方法的优点在于可以减小随机误差的影响,提高数据的可靠性和准确性,其原理是将一组数据按照时间顺序依次进行累加,并计算每个时间点的平均值。通过累积平均法,可以得到一组平均值序列,用来反映数据的变化趋势。

在水文计算中,年平均流量累积平均值的计算公式表示如下:

Xn= (Q1+Q2+Q3+…Qn)/n

(4)

式中:Xn为年平均流量累积平均值,m3/s;Q1、Q2、Q3,…,Qn为各年平均流量,m3/s;n为系列年数。

利用九条岭水文站1972—2020年实测径流资料,进行年平均流量累积平均值计算,绘制年平均流量累积平均过程线如图4所示。

图4 九条岭水文站径流累积平均值曲线

由图4可知,九条岭水文站径流系列长度较长,随着时间的增长,累积平均曲线变化程度越来越小,多年平均流量在2006年以后,即系列长度达35 a时,逐渐趋于稳定,累积均值曲线已稳定在9.7～10.1 m3/s,说明九条岭水文站1972—2020年径流系列均值具有较好的收敛性,系列代表性较好。

5 设计年径流及年内分配

5.1 设计年径流

根据九条岭水文站1972—2020年逐月径流系列,得到九条岭水文站年径流系列,用矩法初估参数,P-Ⅲ型曲线适线确定统计参数,推求得九条岭水文站年径流系列统计参数,多年平均年径流量为10.1 m3/s,Cv=0.18,Cs/Cv=2.00,设计年径流成果见表3,频率曲线见图5。

图5 九条岭水文站年径流频率曲线

表3 九条岭水文站设计年径流成果表 单位:m3/s

5.2 设计年径流年内分配

根据九条岭水文站1972—2020年年径流资料系列,选取年平均流量较接近设计频率值且对工程用水偏于不利的年份作为代表年。经上述方法,选择 1990年为保证率50%的代表年,1978年为保证率75%的代表年,1999年为保证率90%的代表年,1996年为保证率95%的代表年。

用设计年径流量与代表年的年径流量比值对整个代表年的月径流过程进行缩放,以缩放倍比乘以各自的代表年逐月径流即得设计年内分配,九条岭水文站各设计代表年逐月径流成果见表4。

表4 九条岭水文站各设计代表年逐月径流成果表 单位:m3/s

5.3 成果合理性分析

设计年径流的成果分析主要对径流系列均值、离势系数及偏态系数进行合理性审查。

(1)多年平均年径流量的检查。本次计算求得的九条岭水文站多年平均年径流量为10.1 m3/s,与本流域已建水电工程九条岭水电站工程设计成果9.73 m3/s进行对比分析,相差仅为3.66%,且本次计算采用的径流资料系列(1972—2020年)较九条岭水电站工程设计采用的系列长度(1972—2006年)延长了14 a,具有更好的代表性,更能反映西营河流域的径流特性。

(2)离势系数及偏态系数的检查。根据《甘肃省水文图集》Cs/Cv值分区图,九条岭水文站所在区域位于Cs=2.0Cv分区内,故本次计算采用Cs/Cv=2.0是符合地区分布规律的。

综上所述,本次计算的九条岭水文站设计年径流统计参数及成果符合流域特点及地区规律,成果合理。

6 结 论

本文根据九条岭水文站1972—2020年共49 a的实测径流资料,计算分析其径流特性及变化趋势,通过长短系列统计参数对比、差积曲线、累积平均等分析方法评价径流资料系列的代表性,并对九条岭水文站设计年径流及其年内分配进行了计算与分析。结果表明:

(1) 九条岭水文站多年平均径流量约为3.19亿m3,径流年内分配不均,主要集中在5—9月,径流量占到了全年径流量的80.26%;最枯12月至翌年3月,河流结冰封冻,径流主要靠地下水补给,径流量仅占年径流量的6.11%。年径流长期变化趋势以0.0082亿m3/a的速率微弱增长,其原因分析为全球气候变暖导致的融雪地区及高纬度地区的冬季或春季的融雪径流不断增加。

(2) 九条岭水文站径流资料长、短系列的平均值和离势系数Cv值相比,相差不大;九条岭水文站长系列径流系列包含有多个完整的平水年、丰水年、枯水年周期,且丰、平、枯交替出现;多年平均流量在2006年以后,即系列长度达35 a时,逐渐趋于稳定,累积均值曲线稳定在9.7～10.1 m3/s,径流系列均值具有较好的收敛性。综上所述,九条岭水文站1972—2020年径流系列具有较好的代表性。

(3) 九条岭水文站多年平均年径流量为10.1 m3/s,Cv=0.18,Cs/Cv=2.00,各频率50%、75%、90%及95%对应的设计值分别为10.0 m3/s、8.84 m3/s、7.87 m3/s与7.32m3/s,经成果合理性分析,本次求得的九条岭水文站设计年径流成果符合流域特点及地区规律,成果合理。