氣候變化對柴河流域水文特征值的影響分析

孫逸群 徐玉英

(1.河海大學水文水資源學院， 江蘇 南京 210098； 2.遼寧省柴河水庫管理局， 遼寧 鐵嶺 112000)

氣候變化對柴河流域水文特征值的影響分析

孫逸群1徐玉英2

(1.河海大學水文水資源學院， 江蘇 南京 210098； 2.遼寧省柴河水庫管理局， 遼寧 鐵嶺 112000)

本文基于氣候變化對柴河流域整個水文范疇形成影響的反應鏈新觀點，采用數理統計方法，按影響的層次，分析了氣候變化對反應鏈的第一環節——降水、徑流等流域水文特征值及對柴河流域水文特征值產生的明顯影響。

氣候變化； 柴河流域； 水文特征值； 影響

自20世紀七八十年代以來，柴河流域氣候(主要指氣溫)發生了明顯變化。受其影響，流域降雨、徑流特征發生了顯著改變。這些變化引發了流域水文特征值、設計洪水和洪水風險等涉及水庫防洪和供水安全的深層次要素的變化，對流域內水庫防洪標準和安全產生了重要影響。因此，有必要對柴河流域水文方面受氣候變化的影響逐一分析。

為深入研究氣候變化對流域內水文領域產生的重要影響，本文提出氣候變化對流域水文特征值和洪水風險影響形成反應鏈的新觀點，影響鏈結構如圖1所示。

圖1 氣候變化對水文特征和洪水風險影響鏈示意圖

為論證此觀點，本文以資料較完備的柴河流域及其下游的大型水庫為典型,分析氣候變化對反應鏈環節的影響。

1 概 況

柴河是遼河支流，全長143km，流域面積1501km2，其下游建有柴河水庫,控制流域面積1355km2，總庫容6.36億m3。柴河流域及位于遼寧境內，地理坐標為東經123°54′～124°55′，北緯42°08′～42°21′，這一區域的氣溫變化趨勢與遼寧省氣溫變化趨勢完全一致。

本文分析計算采用的主要資料有：年(Py)、汛期(Pf)、主汛期(Pmf)和汛期最大單場降雨量(Pmax)；年(Wy)、汛期(Wf)和主汛期徑流量(Wmf)；汛期內最大洪水的7日(W7)、3日洪量(W3)和洪峰流量(Qm)。詳見圖2～圖4。

圖2 降雨量

圖3 徑流量

圖4 洪峰流量

2 氣候變化對柴河流域降雨特性的影響分析

根據《遼寧氣候變化公報(第一期)》，20世紀七八十年代以來，遼寧省氣溫呈明變暖趨勢，近百年上升了約1.60℃，近50年上升了2℃。1975年開始出現明顯的增暖趨勢，1989年至今氣溫持續偏高。最暖的10年均出現在1990年以后，1998年最暖，1995年和2005分別為第二和第三暖年，詳見圖5。

圖5 1906—2005年遼寧省年平均氣溫距平圖 (引自《遼寧氣候變化公報(第一期)》

柴河流域降雨特性在氣溫持續上升的1989年前后的兩個時期呈現了明顯差異。分別計算氣溫持續上升前、后兩個時期降雨量統計參數及時程分配比重，列入表1。

表1 氣候變暖前后柴河流域降雨量統計參數及時程分配比重對比

上述結果表明：氣溫升高對降雨均值的影響與量值的時間尺度有關。尺度大的，如：年和汛期降雨量均值呈減小趨勢。尺度小的，如：主汛期和汛期最大單場降雨量均值呈增加趨勢。隨著氣候變暖，各類時間尺度的降雨量變差系數Cv均呈增加趨勢；氣溫持續升高后使降雨在時間上的集中程度加大；氣溫升高后，降雨歷時縮短，雨強增加，造峰雨集中程度高；極端降雨事件頻次增加，且程度加深。

3 氣候變化對柴河流域徑流特性的影響分析

依據上述資料，分別計算氣候變暖前后柴河流域徑流量統計參數、徑流量時程分配比重，列于表2。

表2 氣候變暖前后柴河流域徑流量及洪峰流量統計參數及徑流量時程分配對比

上述結果表明：氣溫升高后，徑流的變化趨勢與降雨變化基本一致，變暖后的徑流均值，隨量值時間尺度的減小逐漸增大，即：按年、汛期、主汛期、最大單場依次由減小逐漸過渡到增加；氣候變暖后變差系數均呈增加趨勢，表明離散度明顯增加；氣候變化后的徑流與降雨一樣，在時間上的集中程度加大；氣象因子是形成徑流最直接、最主要的因素。其中，氣溫通過影響降雨、流域蒸散發影響洪水和徑流，降雨則是其直接來源，氣候變化對“對徑流型態”的影響，最終體現于洪水過程，氣候變暖后高強度造峰暴雨形成了峰高量大、陡漲陡落洪水。

4 氣候變化對柴河流域極端水文事件的影響

氣候變暖以復雜的方式影響徑流過程。氣候變暖使降雨量增加，但也使流域蒸散發量增加，降雨初損增加。若前者作用大于后者，則會形成更大量級洪水；若后者作用大于前者，則會發生更嚴重的干旱。表3以氣候變暖時間點為界，列出了柴河流域有資料記載以來極端水文事件發生次數。

表3 氣候變暖前后柴河流域極端水文事件發生次數對比

上述結果表明：氣候變暖后，平均每10年，重現期大于5年的大洪水發生的次數是變暖前的2.6倍，嚴重干旱發生的次數是變暖前的3.1倍。可見氣候變化使流域洪水徑流呈明顯的兩極分化趨勢，使極端水文事件的量值和發生頻率明顯增加。

5 柴河流域氣候變化對萬年一遇以下各頻率水文特征值的影響

5.1 分析方法及結果

為配合氣候變化對流域內水庫防洪標準影響的分析，且考慮現行水庫設計洪水的復核方法，選取以下3個時間系列的Qm、W3、W7資料進行分析：

1935—1970年系列：氣候未出現變暖趨勢(柴河水庫設計資料)；

1935—1988年系列：氣候已出現變暖趨勢，但氣溫未持續上升；

1935—2008年系列：包含氣候未變暖，氣候已出現變暖趨勢，但氣溫未持續上升和氣溫已持續上升3個階段資料。

對Qm、W3、W7進行非參數假設檢驗(χ2擬合優度法)，在95%水平上，不拒絕對數P-Ⅲ分布。因此，選用這種概率分布分別模擬上述3個時間系列的Qm、W7，通過比較其分布參數的差異，分析氣候變化對萬年一遇以下洪水的影響。按照設計規范方法計算經驗頻率及理論頻率，采用“三點法”進行理論和經驗頻率曲線的適配。計算結果列入下頁表4。

表4 氣候變暖前后柴河水庫流域不同頻率水文特征值對比

*此值偏大，原因是原設計樣本系列較短，抽樣誤差較大。

5.2 影響的初步結論

a.1935—1970年，水庫設計系列與氣溫持續升高后的1935—2008年系列比較。氣溫升高后系列低于設計系列均值，但Cv在增加，氣溫升高后小于等于P=1%各頻率設計Qm和W7仍大于設計系列，增加量值隨頻率的減小而逐漸增大。但大于P=1%各頻率Qm和W7值均小于原設計值，減小的量值隨頻率的減小而減小，Cv、Cs值均呈增大趨勢，這表明柴河流域洪水的離散程度在逐漸增大，趨于兩級分化。

b. 1935—1988年與1935—2008年系列比較。氣溫持續升高后，Qm和W7均值增加，Cv、Cs值均呈增大趨勢，各頻率設計值全部呈明顯的上升趨勢。

6 結 語

氣候變化對柴河流域水文特征值和洪水風險的影響形成了一個連鎖反應鏈，在這個影響鏈中位置越靠前的水文特征值，受氣候變化影響越直接，越靠后，受氣候影響越間接。但是氣候變暖對位于影響鏈后端的水文特征值在量值和頻率上影響程度卻超過位于前端的水文特征值，位置越靠后的水文特征值，對氣候變化越敏感，響應程度越高。

氣候變化的直接和間接共同作用，使柴河流域徑流時空重新分配，年內和年際變化不均勻，百年到萬年一遇流域水文特征值呈明顯的增加趨勢。氣候變化也強化了柴河流域水文過程的非平穩性和水文事件的非均勻性，使洪水和干旱的兩級分化越來越嚴重。

氣候變化對柴河流域水文特征值產生的影響，會按照蝴蝶效應對流域內水庫的水文特征值產生影響。

Analysis on impact of climatic changes on hydrological characteristics in Chaihe River basin

SUN Yiqun1, XU Yuying2

(1.HydrologyandWaterResourcesCollegeofHohaiUniversity,Nanjing210098，China;2.LiaoningChaiheReservoirAuthority,Tieling112000，China)

The paper analyzes the obvious impact of climatic changes on basin hydrological characteristic values such as rainfall and runoff as well as hydrological characteristics of Chaihe basi—the first link of reaction chain, based on new reaction chain views of the influence of climatic changes on the whole hydrological scope of Chaihe River basin using mathematical statistics method.

climatic change; Chaihe River basin; hydrological characteristic value; impact

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2015.03.021

TV211

A

1005-4774(2015)03-0076-05