藏東南尼洋河流域降水徑流水量平衡問題

王建群陳紅紅洛珠尼瑪

（1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京 210098；2.西藏自治區(qū)水文局，西藏拉薩 850000）

藏東南尼洋河流域降水徑流水量平衡問題

王建群1，陳紅紅1，洛珠尼瑪2

（1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京 210098；2.西藏自治區(qū)水文局，西藏拉薩 850000）

為了深入分析藏東南尼洋河流域水文特征及產(chǎn)匯流機(jī)理，對(duì)該流域降水徑流水量平衡問題進(jìn)行研究?；谀嵫蠛恿饔蚬げ冀_(dá)、巴河橋、更張等水文站日降水、流量等水文氣象觀測(cè)資料，對(duì)采用傳統(tǒng)泰森多邊形法計(jì)算的尼洋河流域面平均雨量小于徑流量這一現(xiàn)象進(jìn)行分析，提出降雨徑流水量平衡問題；針對(duì)尼洋河流域地形地貌特征、降水空間分布規(guī)律和測(cè)站分布的實(shí)際情況，提出尼洋河流域面平均雨量分布式計(jì)算方法，并進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：目前對(duì)尼洋河流域降水空間分布特征缺乏正確認(rèn)識(shí)；采用傳統(tǒng)的泰森多邊形法計(jì)算面平均雨量是導(dǎo)致出現(xiàn)水量不平衡問題的主要原因。指出尼洋河流域面平均雨量計(jì)算應(yīng)考慮降水的垂直分布差異。

降水；徑流；水循環(huán)要素變化特征；水量平衡；青藏高原；藏東南地區(qū)；尼洋河流域

青藏高原因其海拔高、地表物理性質(zhì)復(fù)雜等特點(diǎn)，是全球變化研究的熱點(diǎn)區(qū)域［1］。西藏自治區(qū)是青藏高原的主體部分，有著“世界屋脊”之稱。關(guān)于西藏地區(qū)氣溫、降雨、徑流等水循環(huán)要素在全球氣候變化背景下的演變趨勢(shì)有著大量的研究，例如：文獻(xiàn)［2?4］主要研究了氣溫和降水演變趨勢(shì)，文獻(xiàn)［5?8］研究了徑流演變趨勢(shì)，文獻(xiàn)［9］研究了積雪特征和變化趨勢(shì)。盡管關(guān)于西藏高原地區(qū)氣候變化背景下的水循環(huán)要素演變趨勢(shì)有著大量的研究，但關(guān)于藏東南地區(qū)水文特征及產(chǎn)匯流機(jī)理還缺少研究。藏東南尼洋河流域具有高山深谷地貌，氣候、土壤、植被分布隨海拔高度不同而發(fā)生明顯的垂直分異，流域內(nèi)同時(shí)分布著多年凍土、季節(jié)凍土和瞬時(shí)凍土，水循環(huán)特征獨(dú)特，產(chǎn)匯流機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜。文獻(xiàn)［10］采用混合線性回歸模型方法建立了尼洋河洪水預(yù)報(bào)模型；文獻(xiàn)［11］建立了考慮藏東南寒區(qū)水文特征的尼洋河流域分布式生態(tài)水文模型；文獻(xiàn)［12?13］研究了尼洋河流域代表站氣溫、降雨及徑流的變化特征。文獻(xiàn)［14?15］對(duì)尼洋河流域水電梯級(jí)開發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響、可持續(xù)的水資源開發(fā)利用等問題進(jìn)行了深入研究。2006年以來，尼洋河流域相繼開工建設(shè)了雪卡、老虎嘴、多布等水電站。尼洋河流域水電的開發(fā)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)水安全提出了較高的要求。關(guān)于對(duì)尼洋河流域的降雨徑流特征和水量平衡關(guān)系還缺少深入研究。本文主要研究尼洋河流域水循環(huán)要素變化特征及降水徑流水量平衡問題。

1 水量平衡問題的提出

藏東南尼洋河流域位于北緯29°24′～30°39′、東經(jīng)92°10′～94°30′之間，東西長(zhǎng)245km，南北寬143km，流域面積17900km2。尼洋河是雅魯藏布江的支流，長(zhǎng)286km，落差2273m，發(fā)源于拉聞拉、俄拉等一系列山峰上的高原湖泊和冰川，自西向東流經(jīng)工布江達(dá)縣、八一鎮(zhèn)、林芝縣，在林芝縣的魯定村附近匯入雅魯藏布江。尼洋河流域水文觀測(cè)站僅有4個(gè)，即工布江達(dá)、巴河橋、更張、八一（見圖1）。尼洋河流域1997—2002年降水量、徑流深觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1、表2。

由表1、表2可知，更張測(cè)站（斷面）1997年的年徑流深為877.2 mm，大于1997年尼洋河流域4個(gè)雨量站中年降水量最大值（804.7 mm）。若采用傳統(tǒng)的泰森多邊形法計(jì)算更張以上流域面平均降水量，計(jì)算的更張以上流域1997年面雨量不會(huì)超過4個(gè)雨量站中年降水量最大值（804.7 mm），小于更張斷面年徑流深。這里，還沒有考慮流域面上的蒸發(fā)，采用傳統(tǒng)的泰森多邊形法計(jì)算的更張斷面以上流域1997年面降水量小于 1997年的年徑流深，水量似乎不平衡。對(duì)1998—2002年的每一年進(jìn)行分析，同樣存在著水量似乎不平衡現(xiàn)象。水量平衡問題的出現(xiàn)迫使人們必須深入研究流域降雨徑流特征和產(chǎn)匯流機(jī)理。

2 水循環(huán)要素特征分析

2.1 氣溫

尼洋河流域氣溫年較差小、日較差大。例如，尼洋河谷工布江達(dá)水文站多年平均氣溫7.98℃，最低氣溫-15.15℃，最高氣溫29.07℃，年氣溫較差44.22℃；2003年，尼洋河谷工布江達(dá)水文站最大日較差為34℃，相應(yīng)日最低氣溫、最高氣溫分別為-18.5℃、15.5℃，發(fā)生在1月21日；年平均日較差為15.6℃。氣溫隨海拔的升高由東向西水平過渡也比較明顯。海拔3000m的八一水文站，多年平均氣溫9.96℃，向西過渡到海拔3085m的更張水文站，多年平均氣溫8.83℃（氣溫下降了1.13℃）；過渡到海拔3415m的工布江達(dá)水文站，多年平均氣溫7.89℃（氣溫又下降了0.94℃）。以上事實(shí)驗(yàn)證了氣溫隨海拔增高呈直線遞減的規(guī)律。

2.2 降水

尼洋河流域干濕季節(jié)分明。每年5—10月為雨季，沿雅魯藏布江河谷進(jìn)入的暖濕氣流控制本流域，天氣溫暖、濕潤(rùn)、多雨；11—4月為干季，主要受西風(fēng)帶的影響，天氣干燥、晴朗，晝夜溫差大。此外，尼洋河流域多夜雨，少暴雨。更張水文站1997—2002年間的最大1日降雨僅有40.4 mm。尼洋河流域降水在地區(qū)上的分布從東到西逐漸減少。根據(jù)1997—2002年的資料分析，八一水文站測(cè)得多年平均年降水量772 mm，工布江達(dá)水文站測(cè)得多年平均年降水696mm；據(jù)估計(jì)，河源處河谷年降水約在550mm左右。降水的垂直分布也存在著差異。冬末初春，河谷里還是干旱少雨季節(jié)，而兩岸山坡上已是白雪皚皚，這說明在同一地點(diǎn)降水量隨著海拔的升高而增加。根據(jù)拉薩附近的流沙河流域雨量自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的雨量觀測(cè)資料分析，海拔3650m處的年降水為440mm，隨著海拔的升高，年降水量遞增率在15mm／100m左右。

2.3 蒸散發(fā)

尼洋河流域蒸發(fā)強(qiáng)度在空間上的分布規(guī)律比較復(fù)雜。根據(jù)1997—2002年的資料分析，海拔3000m的八一水文站測(cè)得的多年平均年蒸發(fā)強(qiáng)度為1026.4mm，海拔3085m的更張水文站測(cè)得的多年平均年蒸發(fā)強(qiáng)度為966.4mm，海拔3415m的工布江達(dá)水文站測(cè)得的多年平均年蒸發(fā)強(qiáng)度為1240.3mm?？梢钥闯觯淮嬖诙嗄昶骄暾舭l(fā)強(qiáng)度隨海拔升高而逐漸增加或逐漸減少的規(guī)律。尼洋河流域的地形對(duì)蒸散發(fā)有較大的影響。由于強(qiáng)烈的太陽輻射，向陽坡的蒸發(fā)強(qiáng)度比背陽坡的蒸發(fā)強(qiáng)度大得多；由于降水量不多，以及向陽坡和背陽坡蒸發(fā)強(qiáng)度的不同，向陽坡的土壤含水量遠(yuǎn)小于背陽坡的土壤含水量，向陽坡的植被不如背陽坡的植被茂盛，這與南方濕潤(rùn)地區(qū)的情況截然相反。

2.4 冰雪徑流

尼洋河流域內(nèi)不但有古冰川作用的遺跡，同時(shí)現(xiàn)代海洋性冰川也很發(fā)育，雪線在海拔5700m左右。海洋性冰川由于它的補(bǔ)給和消融水平都比較高，對(duì)河流的發(fā)育和水文特性帶來較大的影響。在尼洋河流域，冰雪融水是河川徑流的重要水源，以更張水文站為例，冰雪徑流占47%。冰川是一個(gè)巨大的水庫(kù)，它獲得液態(tài)和固態(tài)2種降水，并儲(chǔ)蓄這些降水，然后在以后的日子里逐漸釋放出來，具有明顯的以年為周期的變化。

2.5 凍融與土壤水分運(yùn)動(dòng)

尼洋河流域?yàn)楦呱缴罟鹊孛差愋?，分布有許多高出海拔5000m的高山，最高山峰海拔6691m，尼洋河谷海拔一般都在3000～4000m以下。尼洋河流域的高山深谷地貌，導(dǎo)致氣溫垂直變異較大，流域內(nèi)同時(shí)分布著多年凍土、季節(jié)性凍土和瞬時(shí)凍土。由于凍融過程的存在，包氣帶土壤水分運(yùn)動(dòng)更加復(fù)雜。在凍結(jié)期，相當(dāng)于不透水層的凍結(jié)界面出露地面，包氣帶厚度為零。在融化期，凍土層的存在使下滲受到明顯的阻擋；事實(shí)上，在氣溫轉(zhuǎn)暖初期，最初的融雪水和降雨以形成飽和地面徑流為主；隨著凍土的融化，壤中流的比重會(huì)逐步增加。

3 水量平衡問題原因分析及計(jì)算方法

3.1 水量平衡原因分析

由尼洋河流域水循環(huán)要素特征分析可知，尼洋河流域降水在地區(qū)上的分布呈從東到西逐漸減少狀況；尼洋河流域高山深谷地貌，降水的垂直分布也存在著差異。設(shè)在尼洋河谷的工布江達(dá)、巴河橋、更張、八一測(cè)站觀測(cè)到的降水量偏小，不能代表流域的整體情況。來源于這些測(cè)站的數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致人們對(duì)尼洋河流域降水空間分布特征缺乏正確認(rèn)識(shí)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)、采用傳統(tǒng)的泰森多邊形法計(jì)算面平均雨量是導(dǎo)致水量平衡問題出現(xiàn)的主要原因。

3.2 計(jì)算方法

針對(duì)尼洋河流域地形地貌特征、降水空間分布規(guī)律以及測(cè)站分布的實(shí)際情況，筆者提出尼洋河流域面平均雨量分布式計(jì)算方法步驟如下：

3.2.1 子流域劃分

根據(jù)尼洋河流域水系和水文觀測(cè)站位置情況，把尼洋河流域劃分為14個(gè)子流域（見圖1）。

3.2.2 計(jì)算單元?jiǎng)澐?/p>

由于流域下墊面和氣候因素具有時(shí)空變異性，為了便于分布式模擬，將流域細(xì)分為若干個(gè)計(jì)算單元。采用自然子流域?水文響應(yīng)單元?jiǎng)澐址ǎ總€(gè)自然子流域的每一水文響應(yīng)單元是一種單一的高程、土壤、植被和坡向的組合，是最基本的計(jì)算單元。根據(jù)每個(gè)子流域的高程、土壤植被和土地利用等下墊面組合情況及尼洋河流域高程?土壤?植被之間的關(guān)系概化（見表3），將每個(gè)子流域劃分為5個(gè)水文響應(yīng)單元。

3.2.3 雨量空間插值

a.在尼洋河源頭的次波郎與白曲交匯處虛設(shè)河源河谷雨量站，利用工布江達(dá)水文站測(cè)得的雨量來插補(bǔ)河源河谷雨量站雨量。尼洋河流域降水在地區(qū)上的分布為從東到西逐漸減少，據(jù)此估計(jì)河源河谷處降水量插補(bǔ)關(guān)系為

式中：P1——工布江達(dá)水文站雨量；P2——河源河谷雨量站雨量；α——參數(shù)。

根據(jù)1997—2002年的資料分析，八一水文站的多年平均年降水量772 mm，工布江達(dá)水文站的多年平均年降水696mm，河源河谷處多年平均年降水在550mm左右，據(jù)此可取α＝0.78。

b.采用線性插值法插補(bǔ)尼洋河谷沿線雨量。

c.對(duì)各水文響應(yīng)單元雨量進(jìn)行插補(bǔ)，公式為

式中：P、Z——水文響應(yīng)單元面平均日雨量和平均海拔高程；P0、Z0——與水文響應(yīng)單元所在子流域形心同經(jīng)度的尼洋河谷日雨量和海拔高程；β——參數(shù)，與每個(gè)子流域的梯度降水特性有關(guān)（根據(jù)降水特征分析，可取β＝0.001）。

d.面雨量計(jì)算。采用面積加權(quán)法計(jì)算各子流域面平均降水量，并分別計(jì)算工布江達(dá)、巴河橋、更張等3個(gè)斷面集水區(qū)域的面平均降水量，結(jié)果見表4。

由表2、表4可計(jì)算得工布江達(dá)、巴河橋、更張3個(gè)水文站的多年平均徑流系數(shù)分別為0.68、0.68、0.63。由此可知降雨徑流關(guān)系合理，不再發(fā)生水量平衡問題。

4 結(jié) 語

a.尼洋河流域降水在地區(qū)上的分布呈從東到西逐漸減少趨勢(shì)；該流域呈高山深谷地貌，降水的垂直分布存在著差異。尼洋河流域雨量站稀少，且分布在尼洋河河谷一線，根據(jù)這些測(cè)站的數(shù)據(jù)采用傳統(tǒng)的泰森多邊形法計(jì)算尼洋河流域面平均雨量，所得面平均降水量小于徑流量，存在水量不平衡問題。

b.針對(duì)尼洋河流域地形地貌特征、降水空間分布規(guī)律和測(cè)站分布的實(shí)際情況，筆者提出適用于該流域面平均雨量分布式計(jì)算方法步驟，并進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算。結(jié)果表明：對(duì)尼洋河流域降水空間分布特征缺乏正確認(rèn)識(shí)、采用傳統(tǒng)的泰森多邊形法計(jì)算面平均雨量是導(dǎo)致降雨徑流水量平衡存在問題出現(xiàn)的主要原因。尼洋河流域面平均雨量計(jì)算應(yīng)考慮降水的垂直分布差異。

c.筆者提出的尼洋河流域面平均雨量分布式計(jì)算方法還較粗略，具有一定的針對(duì)性和特殊性。為了深入地研究尼洋河流域水文特征和產(chǎn)匯流機(jī)理、建立流域水文模型、更好地為水資源預(yù)報(bào)和防洪減災(zāi)決策服務(wù)，需要增加降水的垂直分布差異觀測(cè)站點(diǎn)、積累觀測(cè)資料，進(jìn)一步量化降水的空間分布規(guī)律，驗(yàn)證和修正面平均雨量分布式計(jì)算公式。

d.藏東南地區(qū)具備高山深谷地貌，氣候、土壤、植被分布隨海拔高度不同而發(fā)生明顯的垂直分異；融雪徑流和冰川徑流是該流域河川徑流的重要水源；流域內(nèi)同時(shí)分布著多年凍土、季節(jié)凍土和瞬時(shí)凍土。對(duì)藏東南地區(qū)的水文特征開展試驗(yàn)觀測(cè)和機(jī)理研究，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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Precipitation?runoff water balance problem in Niyang River catchment in Southeast Tibet

WANG Jianqun1，CHEN Honghong1，Luozhunima2
（1.College of Hydrology and Water resources，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.Hydrology and Water Resources Investigation Bureau of Tibet Autonomous Region，Lhasa 850000，China）

In order to deeply analyze the hydrological characteristics and the mechanism of runoff generation and concentration in the Niyang River catchment in Southeast Tibet，the precipitation?runoff water balance problem is examined.Based on meteorological and hydrological observation data，such as daily precipitation and flow，at Gongbujiangda，Baheqiao，Gengzhang hydrological stations etc.in the Niyang River catchment，the phenomenon of watershed average precipitation calculated with the traditional Thiessen polygons method being less than the runoff is analyzed.The precipitation?runoff water imbalance problem is described.The method and steps for distributed computing of the watershed average precipitation for the Niyang River catchment considering the topographical features，spatial distribution regularity of precipitation，and distribution of hydrological stations are proposed，and an example calculation is given.The results show that misunderstanding of the spatial distribution of precipitation in the Niyang River catchment and the calculation of watershed average precipitation with the traditional Thiessen polygons method are the main causes of the water imbalance problem.The calculation of the watershed average precipitation should consider the vertical distribution differences of precipitation in the Niyang River catchment.

precipitation；runoff；change characteristics of water cycle elements；water balance；Qinghai?Tibetan Plateau；Southeast Tibet；Niyang River catchment

P339

A

1000-1980（2015）04-0283-05

10.3876／j.issn.1000-1980.2015.04.001

2014-1112

國(guó)家自然科學(xué)基金（40830639）

王建群（1960—），男，江蘇句容人，教授，博士，主要從事流域水文模擬及水資源規(guī)劃管理研究。E?mail：wangjq＠hhu.edu.cn