甘肃省嘉陵江干流谈家庄水文站以上流域径流变化特征分析

董成海,李浩哲

(1.甘肃省陇南水文站,甘肃 成县 742500;2.甘肃省庆阳水文站,甘肃 西峰 745000)

目前,对甘肃省内嘉陵江干流谈家庄水文站以上流域的径流变化规律研究较少。但该区域一方面暴雨频发,由暴雨引发的山洪、山坡泥石流灾害严重,1981年8月21日发生的嘉陵江干流特大洪水冲毁了旧的宝成铁路。2020年8月16日的大洪水又造成了多处公路被淹。另一方面,流域内徽县县城及部分乡镇可用水资源紧张,不能保证正常的生产生活用水。本文利用茨坝、谈家庄、永宁镇、徽县水文站的监测资料,分析甘肃省嘉陵江干流及支流永宁河、罗家河的径流年内分配特征及年际变化趋势,对该区域及下游防汛抗旱、水资源开发利用、水生态保护、“四预”措施的制定提供技术支撑。

1 流域概况及监测站点布设情况

嘉陵江是长江重要的一级支流,发源于陕西秦岭,由陕西省凤县流入甘肃省两当县,流经杨店、西坡、站儿巷、嘉陵等地在徽县虞关乡流入陕西省略阳县,在甘肃省内全长86.2 km,流域面积6 925 km2[2]。

如图1所示,嘉陵江干流茨坝水文站位于甘肃省两当县西坡乡,坐标为东经106°25′16″,北纬33°50′45″,集水面积2 752 km2,测验断面为嘉陵江干流流入甘肃省省界控制断面。嘉陵江干流谈家庄水文站位于甘肃省徽县嘉陵镇,东经106°11′47″,北纬33°42′11″,集水面积6 694 km2,测验断面为嘉陵江流出甘肃省省界控制断面。支流永宁河永宁镇水文站位于甘肃省徽县永宁镇,坐标东经106°11′23＂,北纬33°49′51＂,集水面积2 071 km2。罗家河徽县水文站甘肃省徽县城关镇樊塄村,地理位置:东经106°04′16″,北纬33°46′43″,集水面积108 km2。

图1 嘉陵江谈家庄以上水系图

2 资料使用情况

所用资料均采用水文机构整编刊印成果,资料可靠性高。干流茨坝水文站的前身为东坡水文站,始建于1959年,断面以上流域面积为2 722 km2,与茨坝水文站现断面以上流域面积相比变化仅差1.1%,区间无较大支流汇入,故两站监测资料可以合并延续使用。其余3站测验断面均未发生较大变动,资料一致性好。最终采用监测资料情况为茨坝、永宁镇站资料1959-2021年共63 a,谈家庄站资料采用1975-2021年共47 a,徽县水文站资料采用1985-2021年共36 a。所用资料年限均超过30 a,且包括丰、平、枯水年组,具有良好的代表性。

3 径流年内变化

3.1 各月占年径流百分比

对嘉陵江茨坝、谈家庄2个控制站和支流永宁镇站、徽县站实测月年径流进行统计,其结果见表1。从各站每月平均流量占年径流的百分比来看,流域内4站都是9月多年平均流量占比最大,干流略大于支流。从干流茨坝站到支流徽县站分别为19.5%、19.8%、19.0%、18.9%。流域内4站主汛期7、8、9月多年平均流量占全年径流量的比例高达一半左右,分别为48.0%、53.4%、50.4%、50.1%,非汛期11月-次年3月共5个月多年平均流量占全年径流量比例分别为16.3%、15.2%、17.6%、24.3%(图2)。

表1 各站各月多年平均流量统计表

图2 代表站多年平均流量年内分配柱状图

3.2 不同年代集中期和集中度变化

集中期D代表最大月径流量出现的时间点,集中度Cn表示集中期径流量占全年径流量的比例[1]。Cn值越大表明径流年内分配越是集中,反之则表明径流年内分配越为分散。取1月对应方位角为0°,2月方位角为30°,3月方位角为60°,以此类推,取12月对应方位角为330°。把多年月平均流量分解为x和y分向量并累加,则结果为:

集中期D与集中度Cn计算公式为:

(1)

(2)

为对茨坝、谈家庄、永宁镇、徽县4个水文站分1956-1980年、1981-1990年、1991-2000年、2001-2010年、2011-2021年共5个时段计算集中期D、合成向量方向、集中度Cn,其成果见表2。

表2 流域内各站径流年内分配集中期与集中度

由表2可以看出,流域内4站集中期D随时间变化呈现出先减小后增大的趋势,且主要集中在7月下旬-8月中旬,这一结果和临近白龙江上游集中期变化趋势相似。干流下游站比上游站集中期有所推迟,支流永宁镇站集中期介于茨坝站和谈家庄站之间,徽县站集中期明显比其他站大。徽县站集中期较大,可能一方面是由于徽县站集水面积过小,另一方面和断面以上流域内坡面比降、土壤垫层、局部气候影响有关。4站集中期在2001年后有较大幅度推迟,可能和21世纪以来气候发生变化,气温升高导致区域降水分配有所不同,大到暴雨多集中在8月、连续淫雨多发生在9月,从而导致径流年内分配发生突变,集中期明显向后推迟[1]。

茨坝、谈家庄、永宁镇站径流年内分配集中度Cn随着时间的推移,呈现出减小-增大-减小的趋势,徽县站由于建站晚呈现出先增大后减小的趋势。各站随着时间变化的趋势基本相同,2001-2010年径流年内分配最为集中。流域内集中度茨坝<永宁镇<谈家庄<徽县,其中徽县站集水面积过小且受到气候和人类活动影响,河流时有断流情况发生,导致其Cn值变大。总体而言,流域内自上而下集中度呈现增大趋势,Cn值主要集中在0.35～0.50之间。

4 径流年际变化

4.1 5a滑动平均

对4站年径流采用5 a平均滑动并绘制曲线图,见图3。据图可以看出流域内各站年径流整体呈现出震荡锯齿形减小趋势,即区间有增大趋势但幅度较小,整体减少趋势比较显著。谈家庄站减小幅度>茨坝站减小幅度>永宁镇站减小幅度>徽县站减小幅度。

图3 5a滑动平均曲线图

4.2 Spearman斯波曼法

设置置信水平α设为为0.05,应用Spearman法分析变化显著程度,当∣T∣大于t(0.02/2)=1.64时,认为变化趋势显著,反之认为变化趋势不显著,计算结果见表3。通过表中的数据可以看茨坝、谈家庄、永宁镇站年径流呈显著减少趋势,徽县站年径流呈不显著减小趋势。综合来看,流域内嘉陵江干流及支流永宁河年径流变化呈现整体减小趋势,且整体减少趋势显著,罗家河年径流减小趋势不显著。

表3 流域内各站径流年内分配集中期与集中度

5 突变分析

利用有序聚类法、滑动T检验法分析4站年径流突变情况,设置置信水平α为0.05,分别绘制有序聚类检验曲线图,见图4与图5。综合两种检验方法可以得出茨坝站在1968、1993年左右发生显著突变,谈家庄站在1993年左右发生显著突变,永宁镇站在1968、1993年左右发生显著突变,徽县站在1993年左右发生显著突变。

图4 有序聚类检验曲线

图5 滑动T检验曲线

6 结语

(1)甘肃省境内嘉陵江干流及支流永宁河、罗家河年内分配不均匀,主汛期7、8、9月径流量可占全年径流的一半左右。因此各水文站必须加强主汛期预警预报、超标洪水监测演练、值班值守,增加监测频次,充分发挥防汛调度决策中的“耳目”作用。

(2)4站集中期主要集中在7月下旬-8月中旬,2001年后发生较大幅度推迟,可能与全球气候变暖、局部气候发生改变有关。4站集中度多在0.35～0.50之间,满足上游小于下游的规律,干流及永宁河集中度随时间变化呈现出减小-增大-减小的趋势。罗家河徽县站集中期和集中度过大,变化规律与其它站不完全一致,可能是由于徽县站控制面积过小、人类活动、气象变化、土壤垫层等因素有关。

(3)通过滑动平均法和斯波曼法分析,4站年径流呈现出减小趋势,干流和永宁河变化趋势显著,罗家河变化趋势不显著。干流下游减少幅度大于上游减少幅度,大于支流减少幅度。

(4)通过有序聚类法、滑动T检验法分析,流域内河流年径流量在1968年和1993年发生了显著突变。