徐建新, 张伟杰, 赵尚飞, 王新

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)

贵州省径流变化特征分析

徐建新, 张伟杰, 赵尚飞, 王新

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)

径流分配特征是水资源评价的基础,常被作为水利规划、水文区划、农业区划的重要指标,同时也是划分河流类型的重要指标之一。研究径流分配的变化特征及其演变规律,对水资源的合理开发及综合利用具有重要意义。选取1985—2012年贵州省6个典型水文站的径流统计资料,应用年内分配比、年内分配不均匀系数、集中度、集中期、变化幅度、年际距平与模比系数、变差系数与年极值比来衡量贵州省径流的年内和年际变化特征及其演变规律。研究结果表明:贵州省6个典型水文站的径流年内和年际变化具有明显的同步性,各典型径流量年内分配不均匀性呈先增大、后减小的变化趋势,由不均匀向相对均匀转变；径流量年内集中程度总体呈先增大、后减小的变化趋势,各站径流量年内集中期主要在7月,从时间分配来看径流量年际变化不大,总体呈先增大、后减小的变化趋势;从空间分配来看南部地区年际变化大,而北部地区则相对稳定。通过对贵州省径流变化特征的分析,可为合理开发、综合利用和优化配置水资源提供科学依据。

径流量;变化特征;贵州省；年内变化；年际变化

近年来，随着工业化、城镇化和农业现代化的快速发展,生态环境逐渐恶化。水资源短缺程度日益加剧，水污染问题逐渐凸显，水生态损害日趋严重,尤其是水资源短缺问题已经成为制约社会经济发展的关键。根据新闻通气会发布的数据显示,我国水资源开发利用程度已经逼近红线，全国用水总量逐步接近国务院确定的2020年用水总量控制目标,水资源开发空间十分有限[1]。近年来,众多学者对水资源及径流的变化趋势进行了研究。2000年，刘昌明等[2]利用控制黄河流域汇水的主要水文站近40年的逐月径流资料,较为全面地揭示了黄河流域径流序列的变化规律;2008年，Bae等[3]对韩国近34年来139个流域的降水-径流时空演变特征进行了调查分析,并对流域年、季、月尺度的降水-径流演变趋势进行了研究;2012年，李珊珊等[4]采用长江源区气象站的降水资料分析了长江源区降水的年际和年代变化特征。

笔者选取1985—2012年贵州省6个典型水文站的径流统计资料,应用年内分配比、年内分配不均匀系数、集中度、集中期、变化幅度来衡量贵州省的径流年内变化特征及其演变规律,应用年际距平与模比系数、变差系数与年极值比来衡量贵州省的径流年际变化特征及其演变规律,以期为合理开发、综合利用、优化配置水资源提供科学依据。

1 研究区概况

贵州省分属长江流域和珠江流域,以中部偏南的苗岭为分水岭,分水岭以北属于长江流域,流域面积115 747 km2,占全省总面积的65.7%;分水岭以南属于珠江流域,流域面积60 420 km2,占全省总面积的34.3%[5]。

贵州省的径流主要由降雨形成,年均径流深为200～1 200 mm。1985—2012年贵州省年均径流深为602.8 mm。径流在年内分配极不均匀,汛期(5—10月)水量占全年总水量的75%～80%；非汛期(11月至次年4月)水量不足全年总水量的20%。贵州省的洪水暴涨暴落,峰高量小,历时不长,经常是“洪水一条线,干旱一大片”。贵州省各种自然灾害中,旱灾发生的频率最高,受灾面积最广,大致规律是“3年一小旱,5年一中旱,10年一大旱”。

文中选取贵州省6个典型水文站进行分析计算,6个水文站的分布情况如图1所示。

图1 贵州省6个典型水文站的分布情况

图1中的6个典型水文站名称分别为凤岗站、旺草站、黄猫村站、修文站、马岭站、巴铃站，这6个水文站的径流统计资料大体上可以代表贵州省的径流变化特征。

2 径流年内分配特征分析

径流的补给受到具有季节变化特征的气温、风速、降雨等气象要素的影响,表现出季节性的变化特征,这些特征将引起河川径流的年内分配出现不均匀性。目前,有多种方法可以用来表征径流的年内分配特征,笔者选取年内分配比、年内分配不均匀系数、集中度、集中期以及变化幅度，从多个角度分析贵州省的径流年内分配特征。

2.1 径流年内分配比

贵州省的径流年内分配格局基本保持稳定,年内月径流量最大值基本稳定在7月。1985—2012年贵州省6个典型水文站月平均径流量占年均径流量的百分比见表1。由表1可以看出:贵州省6个典型水文站的径流年内分配极不均匀，年中大、两头小,呈“单峰型”分布；从季节分配来看,夏季径流量最大,占全年径流总量的50%～60%;冬季径流量最小,不足全年径流总量的10%。

表1 1985—2012年贵州省6个典型水文站月平均径流量占年均径流量的百分比 %

2.2 径流年内分配不均匀性

径流年内分配不均匀性通常采用不均匀系数和完全调节系数来描述[6],笔者选用径流年内分配不均匀系数Cv,月来分析所选取水文站的径流量。径流年内分配不均匀系数越大,说明年内各月径流量序列的差异越大,径流年内分配不均匀程度越高。径流年内分配不均匀系数Cv,月的计算公式如下:

(1)

(2)

(3)

采用1985—2012年贵州省6个典型水文站的月径流实测序列,对贵州省的径流年内分配不均匀性进行计算,结果见表2。由表2可以看出:贵州省6个典型水文站的径流年内分配不均匀系数的变化过程具有明显的同步性,各个站点的径流年内分配比较均匀。随着时间的推移,研究区域的径流年内分配不均匀系数大体呈现出先增大后减小的变化趋势。由此说明，近年来贵州省径流量的年内分配由不均匀向相对均匀转变,河流的季节调节能力增强,年径流中非汛期径流量所占的比重有所增大。

表2 1985—2012年贵州省6个典型水文站径流年内分配不均匀系数

2.3 集中度与集中期

通过对1985—2012年贵州省6个典型水文站的月径流实测数据进行计算,分别用集中度和集中期来表示年径流分配的集中程度和最大径流出现的时间[7]。用向量表示年内各月径流,向量的模表示各月径流量的大小，向量的方向指向对应的月份，方向以圆周方位来表示(1个圆周的360°作为1年的12个月,30°相当于1个月[8])。将一年中代表各月径流的向量求和,年径流集中度(RCDyear)即为合向量的模与年径流量的比值;年径流集中期(RCPyear)则为合向量的方向,即水平分量与垂直分量比值的正切角度。RCDyear和RCPyear的计算公式可表示为：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:Ryear为年径流量;RX、RY分别为各月径流的水平分量和垂直分量之和;θi为第i个月径流的向量角度。

年径流集中度很好地反映了径流的年内集中程度。当(RCDyear)等于100%时,此时为最大极限值,表明该区域全年的径流量都集中在1个月内;当(RCDyear)等于0%时,此时为最小极限值,表明该区域全年的径流量在12个月内平均分配,即每个月径流量都相等[9]。

分别计算1985—2012年贵州省6个典型水文站年径流的集中度、集中期,计算结果见表3—4。

表3 1985—2012年贵州省6个典型水文站年径流集中度计算结果 %

由表3可以看出: 1990—1999年贵州省6个典型水文站的年径流集中度最大,其中黄猫村站和巴铃站较其他站点最大，均为63%; 2000—2012年的年径流集中度最小,其中凤岗站较其他站点最小，为38%;总体上看，1985—1999年的年径流集中度呈上升趋势， 1990—2012年呈下降趋势，即整体呈先增大后减小的变化趋势。表明近年来贵州省年径流分配的集中程度有所下降,径流年内分配渐趋均匀。

表4 1985—2012年贵州省6个典型水文站年径流集中期计算结果

由表4可知:1985—2012年贵州省6个典型水文站的年径流集中期最晚出现在8月6日,最早出现在6月27日；1990—1999年的年径流集中期较1985—1989年有所提前，其中马岭站的提前天数最长，可达30 d; 2000—2012年的年径流集中期较1990—1999年有所推迟，马岭站的推迟天数最长，为15 d；近年来年径流集中期基本出现在7月中旬。

2.4 年内变化幅度

径流的年内变化幅度越大,水资源的调节和开发利用程度越低,水生态环境越不稳定,对生态环境的威胁越严重[10]。笔者选用相对变化幅度和绝对变化幅度两个指标来衡量贵州省典型径流的变化幅度。用最大月径流量Smax与最小月径流量Smin之差来表示径流量绝对变化幅度Sr；用最大月径流量Smax与最小月径流量Smin之比来表示径流量相对变化幅度Sa。Sr和Sa的计算公式分别如下:

Sr=Smax-Smin,

(8)

(9)

由式(8)—(9)可知，径流量相对变化幅度和径流量绝对变化幅度的值越大,最大月径流量与最小月径流量相差越多,径流年内分配越不均匀。1985—2012年贵州省6个典型水文站径流年内变化幅度见表5。

表5 1985—2012年贵州省6个典型水文站径流年内变化幅度

从1985—2012年贵州省6个典型水文站径流量的绝对变化幅度Sr来看,各站点最大值出现的时期不同,其中凤岗站和旺草站的最大值出现在1985—1989年,黄猫村站、修文站、马岭站的最大值出现在1990—1999年,巴铃站的最大值则出现在2000—2012年;从径流量的相对变化幅度Sa来看,除巴铃站外,其余5个典型水文站的径流量相对变化幅度最大值均出现在1990—1999年,尤以黄猫村站、巴铃站最为明显。总的来说,研究区域的径流年内变化幅度呈先增大、后减小的变化趋势,表明近年来，贵州省年内最大月径流量与最小月径流量的差距逐渐缩小,径流年内分配渐趋均匀。

3 径流年际分配特征分析

根据1985—2012年贵州省凤岗站、旺草站、黄猫村站、修文站、马岭站以及巴铃站共6个典型水文站的年径流实测序列,通过年际距平与模比系数、变差系数与年极值比初步分析贵州省典型径流量的年际特征。

3.1 年际距平与模比系数

在水文预报规范中，通常采用径流距平百分比P与径流模比系数Kp来作为丰、平、枯水年的划分标准(表6)。其中用径流序列中某一年的数值与序列平均值的差值来表示径流距平值；用距平值与序列平均值的比值来表示径流距平百分比；用某一年的径流量数值与径流序列均值的比值来表示径流模比系数。显然，任何序列经距平化处理后,均可以转化为均值为0的序列,如此,可以给分析带来便利并且使计算结果更加直观。从其计算原理分析可知，径流模比系数与径流距平百分比之间只是相差了数值“1”,因此，可以径流距平百分比为参数进行贵州省径流年际丰枯变化分析,结果见表7。

表6 径流距平百分比与径流模比系数判别表

表7 1985—2012年贵州省6个典型水文站径流距平百分比

由表7可知,1985—1989年,凤岗站、旺草站、马岭站以及巴铃站的径流距平百分比均在-10%～10%范围内,属于平水年,而黄猫村站和修文站表现为偏枯水年；1990—1999年，旺草站和巴铃站表现为平水年,其他水文站点均表现为偏丰水年；2000—2012年，6个典型水文站点的径流量均表现为平水年。可以看出，贵州省6个典型水文站的径流量年际变化具有明显的同步性,年际变化不大,就6个典型水文站的多年平均径流量来看,1985—1989年的径流距平百分比为-5.47%,表现为平水年；1990—1999年的径流距平百分比为-10.34%,表现为偏枯水年； 2000—2012年的径流距平百分比为-5.85%,表现为平水年。虽然用径流的多年平均值来描述丰、平、枯水年不够精确,但根据水文预报规范中的规定,从侧面还是能够反映出径流量的年际水平。因此，从径流距平百分比可看出，1985—2012年贵州省径流量总体呈先增大、后减少的变化趋势,2000—2012年的径流量较1990—1999年有所下降。3.2 变差系数与年极值比

径流年际变化特征常用径流变差系数或年径流极值比表征。对径流过程来说,径流变差系数Cv,年是衡量径流相对离散程度的参数,其数值的大小反映了河川径流多年的变化情况,值越大表明径流年际变化越激烈,越容易导致旱、涝事件的发生,并且不利于水资源的开发利用;反之,则表明径流的多年分配更均匀、稳定。径流变差系数Cv，年的计算公式如下:

(10)

年径流极值比反映了径流的年内变化幅度,用序列年径流量最大值与最小值的比值表示,且径流量变差系数较大的序列,其年极值比也较大。1985—2012年贵州省6个典型水文站径流变差系数与径流年极值比见表8。

表8 1985—2012年贵州省6个典型水文站径流变差系数与年径流极值比

从表8可以看出,1985—2012年贵州省6个典型水文站的径流变差系数自凤岗站、旺草站到马岭站、巴铃站逐渐变大,表明贵州省南部地区的径流年际变化较大,而北部地区则相对稳定；除巴铃站外,其余各水文站的历史最大径流量均出现在2000年前,而黄猫村站、修文站以及马岭站的历史最小径流量均出现在2011年。

4 结论与展望

4.1 结论

通过对1985—2012年贵州省6个典型水文站的径流统计资料分析，得出以下主要结论：

1)6个典型水文站的径流年内和年际变化具有明显的同步性。

2)径流年内分配极不均匀，年中大、两头小,呈“单峰型”分布。

3)径流年内集中程度总体呈先增大、后减小的变化趋势,表明近年来贵州省径流量年内分配由不均匀向相对均匀转变。

4)径流年内集中期经过先提前、后推迟的变化后,近年来主要集中在7月。

5)径流变化幅度先增大、后减小,表明近年来贵州省年内最大月径流量与最小月径流量的差距逐渐缩小。

6)从时间分配来看，贵州省径流量年际波动变化不大,总体呈先增大、后减小的变化趋势；从空间分配来看，南部地区的径流量年际变化较大,而北部地区则相对稳定。

总的来说,由于人类对自然资源的肆意开发,导致生态环境逐步恶化,加之水库调蓄作用没有充分发挥,导致径流年内分配不均匀程度有所增加;近年来，人类逐渐意识到生态环境的重要性,水库的调蓄作用也得以发挥,使得径流年内分配由不均匀向相对均匀变化。

4.2 展望

本研究仅应用有限的指标来衡量贵州省径流的年内和年际变化特性及其演变规律,由于各个指标之间存在相关性和不可替代性,所以若要更充分地研究径流的年内和年际分配特征,需进一步探索更适合的方法,同时还要根据贵州省的特殊地貌——喀斯特地貌以及全球气候变暖所造成的影响来进行更深入的分析研究。

[1]刘佳骏,董锁成,李泽红.中国水资源承载力综合评价研究[J].自然资源学报,2011,26(2):258-269.

[2]刘昌明,成立.黄河干流下游断流的径流序列分析[J].地理学报,2000,67(3):257-265.

[3]BAE D H.Long-term trend of precipitation and runoff in Korean river basins[J].Hydrological Processes,2008,22(14):2644-2656.

[4]李珊珊,张明军,汪宝龙,等.近51年来三江源区降水变化的空间差异[J].生态学杂志,2012,31(10):2635-2643.

[5]黄鑫,陈学凯,杨静,等.贵州湄潭降水量演变特征及趋势预测[J].华北水利水电大学学报(自然科学版),2015,36(3):13-16.

[6]朱佳君,张钰,唐颖丰,等.洮河干流径流变化特征分析[J].人民黄河,2012,34(1):27-30.

[7]刘贤赵,李嘉竹,宿庆,等.基于集中度与集中期的径流年内分配研究[J].地理科学,2007,27(6):791-795.

[8]王渤权,王丽萍,李传刚,等.雅砻江流域径流年内分配特性研究[J].中国农村水利水电,2015(11):81-84.

[9]吴益.和田河流域径流过程分析与模拟[D].南京:河海大学,2006:15-25.

[10]麦麦提吐尔逊·艾则孜,海米提·依米提,马蓉.1956—2010年新疆焉耆盆地径流变化特征及驱动力分析[J].冰川冻土,2014,36(3):670-677.

(责任编辑：张陵)

Analysis of Runoff Variation Characteristics in Guizhou Province

XU Jianxin, ZHANG Weijie, ZHAO Shangfei, WANG Xin

(North China University of Water Resource and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

The characteristics of runoff distribution are the basis of water resources evaluation. They are often used as one of the important indexes of water planning, hydrological regionalization and agricultural zoning, and also an important indicator of river type classification. Studying the characteristics of the runoff distribution and its evolution is of great significance to the rational exploitation and comprehensive utilization of water resources. The runoff statistics of six typical hydrological stations in Guizhou Province from 1985 to 2012 were selected to measure the annual and interannual variability of annual runoff in Guizhou Province by using the annual distribution ratio, the annual heterogeneity coefficient, the concentration degree, the concentration period, the variation range, the interannual anomaly and the coefficient of the runoff modulus, the coefficient of variation and the ratio of the annual extreme value and other indicators. The results show that the six typical hydrological stations in Guizhou have obvious synchrony. The distribution heterogeneity of the typical runoff increased and then decreased from non-uniform to relatively uniform. The annual concentration of runoff increased first and then decreased. The annual runoff concentration in each station is mainly concentrated in July. From the time distribution, the interannual fluctuation of runoff has little change, and the whole trend of the change is the first increase and then the decrease. In terms of spatial distribution, runoff in the southern region varies greatly while that in the northern region is relatively stable. Through the analysis of runoff characteristics, it can provide scientific basis for reasonable development, comprehensive utilization and optimal allocation of water resources.

runoff; changing characteristics; Guizhou Province; annual variation; interannual variation

2016-09-20

甘肃省科技支撑计划(144NKCD238);贵州省水利厅科技专项经费资助项目(KT201313);华北水利水电大学研究生教育创新课题计划(YK2016-12)。

徐建新(1954—),男,吉林长春人,教授,博导,博士,从事区域水资源高效利用方面的研究。E-mail:xujianxin@ncwu.edu.cn。 通信作者：张伟杰(1992—),男,内蒙古赤峰人,硕士研究生,从事区域水资源高效利用方面的研究。E-mail:906561772@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.01.007

TV211.1+1

A

1002-5634(2017)01-0030-06