劉 鑫

(1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué), 沈陽(yáng) 110866; 2.遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計(jì)研究院, 沈陽(yáng) 110003)

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大凌河流域徑流演變規(guī)律分析

劉 鑫1,2

(1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué), 沈陽(yáng) 110866; 2.遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計(jì)研究院, 沈陽(yáng) 110003)

利用大凌河流域7個(gè)主要水文站資料，對(duì)大凌河近50 a徑流年內(nèi)變化，年際變化分析，探尋年徑流演變規(guī)律。結(jié)果表明：大凌河徑流7月，8月占全年徑流比例最大，年內(nèi)分配最不均勻是1960s，2000年以后年內(nèi)分配相差最小，干流3站集中度在2000年以前同步性較好，2000年新建水庫(kù)后，同步性變差；年際變化上整體處于下降→顯著下降→上升→顯著下降的趨勢(shì)，從典型站的趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果分析，大凌河徑流減少趨勢(shì)明顯，干流凌海站突變點(diǎn)是1980年，支流哈巴氣站在置信區(qū)間內(nèi)，沒(méi)有發(fā)生突變；從周期性上分析，干流的凌海站和支流的哈巴氣站主周期都是26 a，周期性較明顯。

大凌河流域; 徑流; 演變規(guī)律

大凌河流域介于東經(jīng)118°53′—121°52′，北緯40°28′—42°38′，跨遼寧省、河北省、內(nèi)蒙古自治區(qū)3個(gè)省區(qū)，主要分布在遼寧省境內(nèi)。流域山丘區(qū)面積占98%，平原區(qū)占2%。大凌河上游分西南兩支，南支發(fā)源于建昌市水泉溝，西支發(fā)源于河北省平泉縣水泉子溝，兩支于喀左縣大城子鎮(zhèn)東南相匯，流經(jīng)朝陽(yáng)、北票、義縣，于凌海的南圈河和南井子之間注入渤海。大凌河全長(zhǎng)408 km，流域面積23 263 km2.在遼寧境內(nèi)流域面積19 998 km2。大凌河流域?qū)僦袦貛Ъ撅L(fēng)氣候，夏季多雨，冬季少雨，是遼寧省內(nèi)干旱地區(qū)之一，十年九旱。流域內(nèi)洪水頻繁，主要來(lái)源于干流上窩堡以上以及下游左側(cè)支流。大凌河義縣以下河槽寬淺，河寬達(dá)4 km，沙丘到處可見(jiàn)，有的形成沙堤。

1 資料來(lái)源與研究方法

1.1 資料來(lái)源

根據(jù)大凌河流域1961—2010年3個(gè)主要干流水文站(大城子站、凌海站和朝陽(yáng)站)，4個(gè)主要支流水文站(哈巴氣站、閻家窯站、涼水河子站和復(fù)興堡站)的逐月徑流資料，對(duì)大凌河流域徑流規(guī)律分析研究。各水文站資料如表1所示。

表1 大凌河水文站

1.2 研究方法

1.2.1 徑流年內(nèi)分配特性分析方法 徑流年內(nèi)分配分析采用年內(nèi)分配不均勻系數(shù)、集中度和集中期等指標(biāo)從不同角度來(lái)衡量流域徑流年內(nèi)分配特性。徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)(Cvy)是反映河川徑流年內(nèi)分配不均勻性的一個(gè)指標(biāo)。Cvy的大小反映徑流的年內(nèi)分配不均勻程度，越大表明不均勻程度越高[1]。徑流集中度(RCD)指各月徑流量按月以向量方式累加，其各分量之和的合成量占年徑流量的百分?jǐn)?shù)，其意義是反映徑流量在年內(nèi)的集中程度。集中期(RCP)是指徑流向量合成后的方位，反映全年徑流量集中的重心所出現(xiàn)的月份，以12個(gè)月分量和的比值正切角度表示[2-3]。

1.2.2 徑流年際變化特性分析方法 分析徑流的年際變化規(guī)律，選用反映河川徑流在多年中變化情況的變差系數(shù)(CV)、偏態(tài)系數(shù)(CS)來(lái)衡量徑流在時(shí)程上的分配不均勻性[4-5]。徑流距平百分率和采用MannKendell非參數(shù)檢驗(yàn)方法對(duì)徑流年際變化的趨勢(shì)性和階段性進(jìn)行定性與定量分析[6-10]。利用Morlet復(fù)小波對(duì)徑流演變周期性小波分析[11-12]。CV反映多年徑流分配情況，系數(shù)值越大表示該地區(qū)年際徑流量相差越大，徑流年際分配越不均勻。CS反映各年徑流在多年平均徑流值兩邊的對(duì)稱程度。距平法是一種常用的，可直觀而準(zhǔn)確地分析徑流年際變化階段性特征的方法。M-K法最初用于檢驗(yàn)序列的變化趨勢(shì)，改進(jìn)后，現(xiàn)在多用以突變點(diǎn)的檢測(cè)，這種方法被廣泛用于水文和氣象序列的趨勢(shì)檢驗(yàn)研究中[8]。小波分析是在傅里葉變換的基礎(chǔ)上引入的函數(shù)，小波變化可以把一個(gè)時(shí)間序列分解成為時(shí)間和頻率的貢獻(xiàn)。它對(duì)獲取一個(gè)復(fù)雜時(shí)間序列的周期性規(guī)律，分辨時(shí)間序列在不同尺度上演變特征非常有效。

2 結(jié)果與分析

2.1 年徑流特性

大凌河干流3個(gè)水文站從上游至下游分別是大城子站、朝陽(yáng)站、凌海站。支流5個(gè)水文站，多年平均徑流總量大小為復(fù)興堡>哈巴氣>閻家窯>涼水河子。大凌河干流3站多年徑流變化趨勢(shì)基本一致，徑流最大的2年出現(xiàn)在1962年和1994年，支流上除涼水河子的最大值在1963年以外，其他3站也均出現(xiàn)在與干流相同的年代。以10 a為周期，分析大凌河流域7個(gè)水文站年平均徑流，見(jiàn)表2?？傮w趨勢(shì)是下降→下降→上升→下降，各站1960s均是流量最大的10 a，最小的流量除復(fù)興堡站是在1980s，其他所有站均在2000—2010年，圖1給出了干流3站的年徑流變化曲線，也充分說(shuō)明了干流徑流的變化特點(diǎn)。產(chǎn)生這種變化有兩個(gè)原因：①1960s有連續(xù)的幾個(gè)大水年，而1962年是多數(shù)站有資料以來(lái)流量最大的年份，直接抬高了1960s的年平均徑流量；②1999—2000年期間在大凌河興建了白石水庫(kù)和閻王鼻子兩個(gè)大型水庫(kù)，影響朝陽(yáng)站和凌海站。

表2 大凌河各水文站不同徑流系列均值 104 m3

2.2 徑流年內(nèi)分配特性

從大凌河流域各水文站月徑流年內(nèi)分配圖(圖2)及各站多年月平均徑流占年徑流百分比(表3)，可以看出：1)大凌河干流朝陽(yáng)、大城子站、支流復(fù)興堡和哈巴氣站7—10月為徑流連續(xù)最大的4個(gè)月，所占比例分別是67.59%，64.31%，71.64%和56.92%；凌海、閻家窯、涼水河子站6—9月4個(gè)月徑流所占比例最大，分別為70.02%，55.39%，59.17%。2)7，8兩月徑流量占全年徑流比例相差不大，兩月合計(jì)占全年徑流在大凌河流域38%～55%左右。說(shuō)明大凌河的徑流的分配情況比較集中，年內(nèi)不均勻，也不利水資源的開(kāi)發(fā)利用。為了進(jìn)一步分析徑流在年內(nèi)分配規(guī)律，本文將進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

圖1 大凌河干流站徑流變化

表3 各水文站多年月平均徑流占年徑流百分比 %

圖2 大凌河各水文站多年月平均徑流分布

對(duì)大凌河各站年內(nèi)分配分析，從表4看出，各站趨勢(shì)大致相同，1960s不均勻系數(shù)最大，其次是1990s；年內(nèi)分配相差最小的是2000年以后，均小于 多年平均值。產(chǎn)生這種差別的原因是徑流總量的差異和10 a內(nèi)徑流的變化導(dǎo)致的。以大城子站為例，1960s是徑流最大的10 a，其中超過(guò)或接近均值的有6 a，最大為1962年的137 372.46萬(wàn)m3，是均值的2.21倍，最小是1968年17 955.65萬(wàn)m3，是均值的28.9%，1960s汛期徑流占年徑流的73.59%，這就使不均勻系數(shù)相對(duì)比較大；相反年徑流最小的2000s，10 a中超過(guò)平均徑流的有3 a，汛期徑流占年徑流的50.74%。

表4給出了各站年內(nèi)分配集中度，與年內(nèi)分配不均勻系數(shù)具有較好的同步性變化規(guī)律，凡是不均勻系數(shù)較高的時(shí)期，集中度也較高，而集中度的變化幅度小于不均勻系數(shù)，不均勻系數(shù)在表示年內(nèi)徑流分布時(shí)更敏感。

表4 大凌河各站年內(nèi)分配特征值

圖3所示為大凌河干流3站1961—2010年50 a集中度年際變化圖，從圖中可以看出，這3個(gè)站1961—1999年趨勢(shì)同步性顯著，2000年以后同步性變差，其主要原因是在1999—2000年在大凌河干流新建了兩處大型水庫(kù)，即閻王鼻子水庫(kù)和白石水庫(kù)，其中閻王鼻子水庫(kù)位于朝陽(yáng)站上游，白石水庫(kù)位于凌海站上游，水庫(kù)的修建，人為改變了流域上下游集中度的一致性，很明顯這兩座水庫(kù)的修建對(duì)調(diào)洪起到了顯著的作用。

大凌河干流徑流集中期一般在8月，如表5所示。徑流較小時(shí)容易提前，徑流較大時(shí)受個(gè)別年份大洪水時(shí)間影響較大。大凌河流域降雨的集中期是7—8月中旬，而從徑流集中期分析，各站由降雨直接形成徑流的可能性比較大。但各站斷面以上因植被覆蓋、上游水利工程、取水等情況不同，徑流集中期也產(chǎn)生不同。

圖3 大凌河流域典型站集中度年際變化

表5 各站年內(nèi)分配集中期

2.3 徑流年際變化特性

衡量徑流年際變化的特征值，用變差系數(shù)、偏差系數(shù)和徑流距平表示。從表6可看出除了閻家窯站0.59外，其他各站徑流變差系數(shù)Cv均超過(guò)0.7，說(shuō)明除閻家窯站徑流年際分布相對(duì)均勻，其他各站年際分配相差較大，最大為大城子站，達(dá)到0.86；偏態(tài)系數(shù)Cs中閻家窯最大，是由于1962年的徑流與其他年份差別非常大，1962年閻家窯站徑流總量是該站均值的4.1倍，導(dǎo)致同在老虎山河的德立吉水庫(kù)(中型)垮壩。偏態(tài)系數(shù)均為正偏，說(shuō)明徑流中流量偏小的頻率比較多，也就是徑流偏少情況較多，而洪澇現(xiàn)象比較少，這與大凌河流域現(xiàn)狀基本吻合。

表6 各水文站徑流年際Cv，Cs變化

凌河干流3站的徑流距平百分率看圖4，豐枯情況基本一致。1962—1979年共18 a主要表現(xiàn)為豐水過(guò)程，豐水年有12 a，1962—1966連續(xù)5 a豐水年，各站徑流距平均超過(guò)50%，在1962年大城子站和朝陽(yáng)站徑流距平超過(guò)250%，為系列最高水平；1980—1993年共14 a間，主要表現(xiàn)為枯水過(guò)程，其中枯水年共12 a，其中距平超過(guò)-50%的有7 a，連續(xù)枯水年有3個(gè)時(shí)間段，分別是1980—1985年、1987—1989年和1992—1993年段；在1994—1998年的5 a中，有4 a是豐水年，其中1994—1996年3 a連續(xù)，特別在1994年，大城子、朝陽(yáng)距平在150%左右，凌海站超過(guò)250%，說(shuō)明1994年的洪澇災(zāi)害中，下游的洪水情況比上游嚴(yán)重；在1999—2010年12 a間，全部是枯水年，說(shuō)明進(jìn)入21世紀(jì)以后，大凌河干流河流趨于干旱。造成這一現(xiàn)象主要因?yàn)?，進(jìn)入2000年以后，大凌河流域內(nèi)的降雨明顯偏少，水資源利用量增大，造成水文斷面上徑流的減少。

用M-K法分析大凌河上兩個(gè)代表站徑流變化趨勢(shì)，如圖5所示，凌海在1966年之前徑流量是不明顯的上升趨勢(shì)，1966—2010年期間徑流呈下降趨勢(shì)，其中1981—2010年下降趨勢(shì)顯著，在1983—1993年和2003年以后甚至超過(guò)0.001顯著水平μ0.001=±2.56，表明大凌河凌海站的徑流的下降趨勢(shì)是十分顯著，在系列中凌海站徑流有一次突變現(xiàn)象發(fā)生在1980年。支流哈巴氣站的徑流變化趨勢(shì)與凌海站的趨勢(shì)基本一致，均是在1966年以后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，下降趨勢(shì)顯著的時(shí)間都是在1980年以后，而哈巴氣站在95%的置信區(qū)間內(nèi)，沒(méi)有突變的時(shí)間。

圖4 大凌河干流3站徑流距平

基于1961—2010年流域7個(gè)水文站年徑流量，選取Morlet復(fù)小波進(jìn)行一維連續(xù)小波變換，計(jì)算小波方差，并繪制凌海站和哈巴氣站的小波系數(shù)實(shí)部等值線圖和小波方差圖(圖6—7)。由圖可以看出：1) 凌海站以上區(qū)間20世紀(jì)70年代中期以前主要存在8 a的周期變化，90年代存在約5 a的周期變化，1975年以后可見(jiàn)14 a左右的周期變化，在26 a時(shí)間尺度上周期特性相對(duì)顯著。2) 支流哈巴氣站以上區(qū)域20世紀(jì)70年代以前存在3 a的周期性，之后小尺度的周期性不明顯，在26 a的時(shí)間尺度上存在較明顯的周期性。3) 從方差圖上凌海站主周期和次周期分別是26 a和14 a。4) 哈巴氣站的徑流小波方差圖上看，該站的主周期和次周期分別是26 a和13 a。

圖5 典型站M-K趨勢(shì)曲線

圖6 天然徑流系列小波變換系數(shù)實(shí)部等值線

圖7 典型站徑流序列小波方差

3 結(jié) 論

大凌河流域徑流年內(nèi)分配不均勻，且更多集中在7，8月份。不均勻系數(shù)和集中度都可以表達(dá)這種不均勻性?？v向分析，系列內(nèi)徑流總量大的時(shí)期，年內(nèi)分布集中較高，這是因?yàn)榇藭r(shí)汛期徑流占年徑流的70%以上，也就推高了徑流年內(nèi)集中度。橫向看，大凌河干流3站在2000年閻王鼻子水庫(kù)和白石水庫(kù)建成后，年內(nèi)分配發(fā)生變化，水庫(kù)調(diào)洪作用導(dǎo)致了這一變化。大凌河流域年際分配上看，大凌河年徑流總量呈減少趨勢(shì)，尤其是1999年以后徑流量總量偏少且年際變化不大，趨勢(shì)穩(wěn)定。年際徑流變化趨勢(shì)比較明顯，干流的凌海站和支流的哈巴氣站的M-K檢驗(yàn)顯示，兩站在1966年之后都進(jìn)入徑流減少趨勢(shì)，而且大部分減少顯著，尤其在1999年以后，這與徑流年際分析結(jié)果一致，另M-K分析顯示凌海站有明顯的突變點(diǎn)，突變時(shí)刻為1980年，支流哈巴氣站在置信區(qū)間沒(méi)有突變。徑流變化原因首先是降雨，降雨是徑流的主要來(lái)源，在沒(méi)有人工干涉時(shí)當(dāng)降雨減少時(shí)，徑流受到顯著影響，比如1980—1982年大凌河流域連續(xù)3 a干旱，和1994年的洪澇，就是由降雨變化導(dǎo)致的；其次水利工程，人工干預(yù)也會(huì)影響徑流，水庫(kù)建成后，庫(kù)區(qū)水面增大，增加了滲漏和蒸發(fā)；最后，近年來(lái)大凌河流域不斷實(shí)施水土保持措施，這些措施使林草增加，增強(qiáng)了流域涵養(yǎng)水源的能力，使水分更多的在流域內(nèi)被耗散和利用[13]，以葉柏壽站為例，在1960s初，森林覆蓋率僅有2%，而到2006年該流域的森林覆蓋率已經(jīng)上升到30%[14]，這可能是進(jìn)入21世紀(jì)，大凌河干流徑流不斷減少的另一個(gè)原因。從周期性上分析，干流的凌海站和支流的哈巴氣站主周期都是26 a，周期性較明顯，次周期分別是14 a和13 a，同步性不明顯。

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Analysis of Variation Characteristics of Runoff in Dalinghe River Basin

LIU Xin1,2

(1.ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang110866,China; 2.LiaoningjiangheWaterConservancyandHydropowerNewTechnologyDesignResearchInstitute,Shenyang110003,China)

The evolution regularities of the monthly runoff time-series of hydro-meteorological data from 7 stations distributing in different areas of Dalinghe River basin during the period of 1961—2010 were analyzed in this paper. The variation and skewness coefficients, Mann-Kendall trend test, complex Morlet wavelet and runoff concentration degree (RCD) were used to investigate the inhomogeneity, trends, cycle and concentration of the monthly runoff time-series. The results demonstrated that the most runoff flow presented in July and August and the most uneven distribution within a year occurred in 1960s, respectively. The RCD synchronization of three stations in the main stream maintained relatively good state before some new reservoirs were built. But after the operation of these reservoirs, the RCD synchronization gradually weakened and a decrease in annual distribution differences was found after 2000. With respect to the interannual variability, all the runoff time-series from 7 stations showed a significant dropping—dropping—increasing—dropping trend. Moreover, Mann-Kendall trend test proved that the runoff flow of Dalinghe River decreased obviously and the abrupt negative trend shift at Linghai station became significant around the year of 1980. Abrupt changes were not found at Habaqi station within the confidence interval. Periodic analysis via complex Morlet wavelet indicated a strong cycling was found in the runoff time-series with a 26-year main cycle from both Linghai and Habaqi.

Dalinghe River basin; runoff; evolution law

2014-08-02

2014-09-22

劉鑫(1980—),女,遼寧丹東人,博士生,主要從事水利工程水資源方向的研究。E-mail：Lnliuxin1118@126.com

TV121

1005-3409(2015)02-0165-06