延河流域主要水文要素時變過程分析

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簡介： 對延河流域降水、徑流和泥沙等水文要素從20世紀中葉到21世紀初的年內分配及年際變化進行了時變過程分析。以探求區(qū)域植被重建對流域水文過程的影響情況。結果表明，三個水文基本要素都有不同程度的年內分布趨于均勻和年際變化趨緩的趨勢。20世紀70—90年代比60年代流域平均面雨量分別減少了10.5%，11.7%和14.0%，年徑流量分別減少了19.0%，12.9%和22.6%，年輸沙量分別減少了21.1，%46.2%和41.7%。
關鍵字：延河流域 時變 主要水文要素

文獻標識碼：A    文章編號：1000—288X（2005）01—0000—00  中圖分類號：

Temporal Change Analysis of Hydrological Factors

in the YanHe River Basin

Basang Chilie¹, MU Xing-min^2,3,WANG Shuang-yin³,GAO Peng^2,3,WANG Wei^2,3

（ 1.The Tibet Bureau of Hydrology， Lhasa 850000，Tibet China;

2.Institude of soil and Water Conservation ,CAS and MWR, Shaanxi Yangling 712100，China;

3. Northwest Sci-Tech University of Agriculture and Forestry Shaanxi Yangling 712100,China）

Abstract: The main hydrology factors in one river includes precipitation, runoff and sediment discharge. These three hydrology factors are impacted largely by regional land use/ land cover change. The YanHe River Basin with the area of 7725km² and in middle of the Loess Plateau, is one of the hot-spots for regional afforestation and soil ＆ water conservation in China. So studying on the temporal change of the main hydrology factors in the YanHe River Basin is very essential for providing the basic information and supporting the decision of local government.

We collected the precipitation data and worked out the regional tendency from the 6 wide-spreaded rain gauge stations from the middle of 20^th century to 21^st century. We also got the runoff and sedimentation discharge data from 2 hydrology stations in the same period. It’s founded:

1) The monthly distribution of each of those three main hydrology factors tended to be uniform, and the yearly change was prone to be tempered.

2) Compared to the average in 1960s, the annual precipitation in the 1970s, 1980s and 1990s in the basin, has respectively reduced by 10.5%, 11.7% and 14.0%.

3) The annual water yield in the basin has separately reduced by 14.1%, 13.1% and 21.4%.

4) The annual sediment discharge reduced by 21.1%, 46.2% and 41.7%.

Keywords: the YanHe River Basin; Temporal Change; the Main Hydrology Factors 

　　延河流域位于黃土高原水土流失較嚴重的區(qū)域，長期以來由于土地利用不合理，濫墾、濫伐、濫牧，導致水土流失加劇，農業(yè)自然資源遭到嚴重破壞，以至造成生態(tài)經濟系統(tǒng)失調，水旱災害頻發(fā)，給當?shù)厝罕娚a生活帶來嚴重威脅。隨著區(qū)域水土保持治理措施的加強，流域下墊面條件發(fā)生了系統(tǒng)性變化，而流域水文規(guī)律主要決定于氣候氣象條件及下墊面條件。下墊面條件的改變能顯著改變水量平衡各要素的對比關系 ^[1]。因而針對流域生態(tài)水文方面的研究近來也變得越發(fā)重要和急需。本文所進行的水文要素時變過程分析，正好迎合了這一研究潮流，通過探究各要素自20世紀中葉至21世紀初的變化趨勢分析，力求能夠對區(qū)域水文響應過程及狀況的分析提供專業(yè)支持。

1 流域概況

延河是黃河右岸、中游區(qū)上段的河口鎮(zhèn)至龍門段的一級支流，位于東經108°45′—110°28′，北緯36°23′—37°17′之間，發(fā)源于陜西省靖邊縣東南天賜灣鄉(xiāng)周山，由西北向東南流經志丹、安塞、寶塔、延長等四縣區(qū)，在延長縣南河溝鄉(xiāng)涼水岸附近匯入黃河。延河干流總長286.9km，流域面積7725 km²，平均坡度為4.3‰，河網密度約為4.7km/ km²，主要支流有杏子河、西川、蟠龍川和南川等^[2]。流域多年平均降水量為495.6mm，年平均氣溫9℃，主要災害類型為旱災、霜凍、冰雹及暴雨。流域內黃土丘陵溝壑面積占全流域的90％，其中延長以上為黃土梁峁狀丘陵溝谷區(qū)，安塞至延長之間沿河一帶為河階地，延長以下為黃土寬梁殘塬溝谷區(qū)，流域出口處為黃土覆蓋石質丘陵溝谷區(qū)^[2]。

流域內設有20多處分布比較均勻的雨量站，水文站有上游杏河流域的杏河站（379km²）、延水流域延安站（3208km²）及下游控制斷面甘谷驛站（6150km²（1957-1964年）、5898km²(1965-1970年)、5891km²(1971-1989年)）等3個。

2 降雨徑流年內分配

2.1資料與方法

降水分析采用了蟠龍（1956—1989年）、招安（1957—1989年）、化子平（1953—1989年）、甘谷驛（1952—2000年）、安塞（1956—2001年）和鄰近周河流域志丹（1952—1987年）等6個系列較長的雨量站實測資料；流量分析采用了流域出口控制站甘谷驛站1957—2003年的實測資料；泥沙分析采用了甘谷驛站1952—2000年的實測含沙量和輸沙量資料。并利用降水—徑流、站—站相關等方法，對相應缺測資料進行了適當插補。

降水、徑流年內分配分析采用了不均勻系數(shù)C_L法，即通常用大于年平均流量的累積值（以計）與超過年平均流量的天數(shù)乘年平均流量值（以nQ₀計）之差與一年的總經流量的比值來表示。C_L值越大，說明降水、徑流也越集中，年內分配越不均勻。由于此法計算過程繁瑣，為簡化起見，可用月平均流量值代替日平均流量^[3]。

其公式為：                                 或 

式中：C_L—降水、徑流年內不均勻系數(shù)；

P_m、Q_m—大于月均值的各月降水、徑流量；

P₀、Q₀—月平均降水徑流量； K—月降水、徑流量大于月平均降水、徑流量的個數(shù)。

2.2  年內分配分析

　　延河流域各水文要素的年內分配很布均勻（圖1），其中多年平均降水量年內分配主要集中在夏季，尤其汛期3個月（7—9月份）占年降水量的60.6％，其中7—8月份最大，12月和1月份最??；徑流的年內分配情況與降水略有不同，除了汛期所占比例達到56.9％外，3月份的徑流量相對枯季其它月份的大一些，出現(xiàn)了小的汛情（春汛情況），這與少量冰雪融水補給有關；而含沙量的年內分配和季節(jié)變化與暴雨洪水分布有密切關系，且比降水、徑流量更集中。最大月平均含沙量出現(xiàn)在7或8月,約占年含沙量的90%，連續(xù)最大4個月（6—9月）含沙量占全年的95%—99%，除5月份有少量泥沙外，其余月份幾乎沒有河流泥沙情況。

　　從長系列年內分配變化情況及不同年代分配變化過程看(表1、表2及圖2)：降水量多年平均C_L為0.43,最大的0.55,最小的0.31?？梢钥闯鼋邓?i>C_L的年際變化不大，總體上略有下降的趨勢，和超過機率略有分散的趨勢，說明降水分布略趨均勻。超過月平均值的月份也主要集中在5—10月，其中7月份年年超過了均值，8月份次之，而12—翌年2月歷來沒有超過均值；徑流量多年平均C_L為0.37，最大的0.53，最小的0.20,與降水相比變幅更大而且在上下波動中也有逐步變小的趨勢，超過機率分布情況也出現(xiàn)了分散趨勢，說明年內分配趨于緩和。超過均值的月份主要集中在7—10月，而并沒有出現(xiàn)年年都超過均值的現(xiàn)象，其中7，8月超過機率最高，3月份和6，9，10月份差不多，平均也有40%左右的超過均值機率，12和1月一直小于均值；泥沙的分配情況也隨徑流的變化和暴雨洪水的分布變化而變化，而且7，8月占比例明顯趨平了。

表1  延河流域水文要素不同年代年內分配統(tǒng)計  

表2    延河流域降水和徑流不同年代超過平均月值的機率統(tǒng)計

3 年際變化

化分年際變析時，降水量考慮到延河流域面積相對小、雨量站分布基本均勻而且站點密度較高的特點，直接采用了算術平均法求出流域面雨量；徑流分析中，考慮到流域控制站資料系列的單位統(tǒng)一和站點遷移所帶來的面積因素影響，采用徑流深代替了徑流量；各要素頻率分析采用了PⅢ型頻率分析軟件^*進行適線和頻率計算^{[4] [5]}。

3.1年值分析

　　延河流域多年平均面雨量為495.6mm，流域最大為840mm（1964年），最小267.5mm（1997年）。1952—2001年的變差系數(shù)Cv＝0.245，Cs＝2Cv，1952—1969年的Cv＝0.254，Cs＝2.5Cv，1970—2001年Cv＝0.236，Cs＝2Cv，呈逐步減小趨勢。流域面雨量歷年時變過程和不同年代變化也呈弱減小趨勢（圖3和表3）；流域徑流量的年際變化總的趨勢是逐漸減少，1957—2003年Cv＝0.378，Cs＝3Cv，1957—1969年Cv＝0.472，Cs＝3.5Cv，1970—1989年Cv＝0.394，Cs＝2.5Cv，1990—2003年Cv＝0.348，Cs＝3Cv，隨著年代的向后推移，流域不同年代平均徑流量、極值比和變差系數(shù)等特征值都出現(xiàn)了減少趨勢（圖3和表3）；從年輸沙量過程線（圖3）中可以看出延河流域輸沙量年際變化很大，除了1977年，其余年份自20世紀70年代以來有明顯減小的趨勢。1953—2000年Cv＝0.828，Cs＝2Cv，1953—1969年Cv＝0.816，Cs＝2Cv，1970—1979年Cv＝0.943，Cs＝2Cv，1980—1989年Cv＝0.838，Cs＝3.5Cv，1990~2000年Cv＝0.842，Cs＝2Cv，隨著年代的推進，流域不同年代平均輸沙量、極值比和變差系數(shù)等特征值也都出現(xiàn)了明顯減少的趨勢（表3）。

3.2 暴雨分析

本文分析了1952—1989年間延河流域降雨資料。流域最大1d降水量出現(xiàn)在1983年8月14日（金盆灣站）為170.1mm，從1952—1989年暴雨頻率分析（Cv＝0.386，Cs＝2Cv）中可以看出，此次暴雨已經接近了100a一遇的強度，而1977年在招安站出現(xiàn)的165.9mm為次最大值，也超過了50a一遇的強度。頻率小于25％的特大暴雨在70年代之前沒有出現(xiàn)過，而70年代出現(xiàn)了1次，80年代2次。從1952 年以來，盡管面雨量有逐漸減少趨勢，但最大1d降水量次數(shù)則有增加的情況，說明暴雨分布的不確定性很大。

3.3  洪水分析

延河流域出口控制站的洪峰流量在實測資料（1957—1989）中特大值出現(xiàn)在1977年7月6日，為9050 m³/s，超過了該站實測資料頻率分析（Cv＝0.755，Cs＝2Cv）結果的1000a一遇洪量。從不同年代最大洪峰流量分析，70年代前后的洪量大小有明顯差異，超過2000 m³/s的20世紀60年代有3次，而70、80年代各只有1次，說明流域下墊面條件的改變對流域降水產流機制所產生的影響很大，對流域暴雨洪水一定的削峰和滯洪作用。

3.4  經流系數(shù)分析^[6]

　　徑流系數(shù)是指流域出口斷面徑流量與相應集水區(qū)降水量的比值。通過分析徑流系數(shù)可以在消除集水面積影響下能夠衡量單位降水在流域內產水量的大小及變化情況。流域徑流系數(shù)有逐年減小的趨勢（圖4），也就是單位降水量所產生的徑流量在逐步減少，說明流域生態(tài)治理增強了下墊面的降雨入滲能力，增大了流域植被的下滲量和截留量，從而影響了流域產匯流機制的通常狀況，對出口控制站的洪峰流量起到了緩解和削峰的作用。  

4 結 論

經過對延河流域自20世紀50年代初以來的降水、徑流及泥沙實測資料進行時變過程分析，可以判斷出，區(qū)域水土流失治理措施對流域水文響應的影響程度，其中對降水量變化的影響相對小些，而對徑流尤其是對河流泥沙的影響很明顯。降水量的年內分配變化不大，不均勻系數(shù)變幅也很小，面雨量的年際變化也不大，變差系數(shù)隨年代在緩慢變?。粡搅髁康哪陜确峙渥兓冉邓?，不均勻系數(shù)在波動中逐步變小趨勢，年徑流量的年際變化比降水劇烈，變差系數(shù)也比降水量大，而且逐步在減??；河流泥沙情況，隨降水、徑流的變化而變化，尤其是受流域暴雨洪水的分布和變化的影響更大。含沙量年內分配的變化情況，主要是最大兩個月間逐步趨向平均，年輸沙量的年際變化比徑流的變化還大，變差系數(shù)也大，并隨著流域治理程度的逐步加大，年輸沙量在顯著變小。

各水文要素總體從20世紀70年代以來開始呈現(xiàn)明顯的減少趨勢。上世紀70—90年代流域面雨量phngj面雨量，較60年代分別減少了10.5%，11.7%和14.0%； phngj年徑流量分別減少了19.0%，12.9%和22.6%；年輸沙量分別減少了21.1%，46.2%和41.7%。

[ 參 考 文 獻 ]

[1]穆興民.黃土高原水土保持對河川徑流及土壤水文的響應[D].楊凌:中國科學院水利部水土保持研究所.2002

[2]張孝中，張經濟，冀文慧,等.無定河延河流域水沙變化現(xiàn)狀、成因及發(fā)展趨勢的研究[R].陜西省水土保持勘測規(guī)劃研究所.1998..

[3]湯奇成，李秀云 中國科學院地理研究所 徑流年內分配不均勻系數(shù)的計算和討論[J].自然資源學報,1982（3）:59－65.

[4] 中華龍—水文頻率分析CAD系統(tǒng)[Z].http://www.wiseperson.com

[5] 水利水電工程設計洪水計算規(guī)范[S]. 44-93

[6]黃錫荃，李惠明，金伯欣，等. 水文學[Z].高等教育出版社,1998

收稿日期：2004-07

資助項目：中國科學院知識創(chuàng)新工程重要方向項目(KZCX3-SW-421)；Regional impacts of re-vegetation on water resources of the Loess Plateau, China and the Middle and Upper Murrumbidgee Catchment, Australia

作者簡介：巴桑赤烈(1976-),男(藏族),西藏日喀則，助工，從事水文水資源，“中國科學院人才援藏計劃培養(yǎng)”學者。電話（0891）6554824 E-mail:bscl52168@163.com

通信作者：穆興民，電話（029）87012875 E-mail:xmmu@ms.iswc.ac.cn