某水庫天然入庫徑流演變規律的分析

波拉提·胡曼江

（阿勒泰水文水資源勘測局 新疆 阿勒泰 836700）

在流域水文變化過程中，徑流的變化是整個變化的重點，流域面上徑流在出現匯流時，會對河流水的流動速度、河流水的水位、河流水的流量變化情況等造成影響，對流域中生態系統能量和物質的輸出與輸入也會造成一定的影響。可以說流域生態安全性和其所在的徑流有比較大的聯系。在流域的徑流產生變化時，會對流域的人為活動、自然因素變化產生一系列突變性、累積性的響應。為了更加合理地對水流資源進行配置，研究水庫徑流的演變規律具有重要意義。

1 案例介紹

某水庫控制的總流域面積為1168km2，大約為整個干江河流面積的92.3%，屬于大型、重點防洪水庫，承擔著此地區洪水的攔蓄，保證下游幾十萬人口的安全。整個水庫工程是一個集灌溉、供水和發電為一體的綜合性水利工程。干流總長度為98.6km，地區洪水、暴雨等頻繁，并且暴雨具有匯流時間段、強度大等特點。

2 水庫徑流年際演變規律

2.1 徑流演變的趨向性

通過對某水庫進行多年的跟蹤觀察發現，該水庫入庫徑流變化幅度較為顯著，年徑流豐枯變化現象非常劇烈。年徑流平均值達到3.6215億m3。為了將一年內不同時間段徑流的演變規律表現出來，將實際觀測到的徑流資料分成兩類進行分析：一是實測年徑流序列；二是汛期（6月～8月）徑流序列。根據Kendall秩次相關法（注：Kendall秩次相關法指的是n個同類的統計對象按特定屬性排序，同序對和異序對之差與總對數（n*（n-1）/2）的比值定義）對這兩類序列依次進行了徑流整體趨勢演變檢驗,計算公式如下：

在公式中：Kendall的統計量為τ，方差為Var，標準變量為M，徑流序列所有的對偶觀測值（Xi，Xj，j＞i）中產生Xi＜Xj的個數為Q，序列長度為N。經過計算，得出具體檢驗結果如表1所示。

2.2 徑流演變的周期性

（1）可根據徑流序列自相關函數（注：自相關函數指的是研究隨機信號中一個信號時刻和另一個信號時刻之間的依賴關系，主要是研究時刻和t+t時刻中隨機變量的之間的關聯性）的變化，將徑流演變中豐水期和枯水期相互交替的信息近似反映出來。從圖1中可知，r（k）～k曲線在k=7,11,19三個階數范圍內上下波動,在7階,11階和19階，其相關結構一致,也就是說徑流豐、枯交替規律大致為7年,11年和19年。

表1 水庫演變的趨勢檢驗表

圖1 水庫入庫年徑流和汛期徑流的相關函數表示圖

圖2 水庫入庫徑流的方差譜密度法識別周期圖

（2）通過對水庫入庫徑流序列的方差周期圖譜的分析得出水庫入庫徑流的變化規律，如圖2所示。從圖2可知，方差譜密度曲線比較明顯峰值一共有三個，其對應的顯著周期約為7年，11年和19年；位于前三位的諧波頻率所對應的顯著周期分別為7年,11年和19年,方差和大約為總累計方差的34.2%，所以，將顯著周期分別確定為7年，11年和19年是正確的。綜上所述，此水庫徑流的周期變化規律約為7年，11年，19年。

2.3 徑流演變的驟變性

在理想狀態下，徑流演變是遵循一定的規律的，但是當自然條件的變化或是人為條件的影響下，會使得徑流序列發生一定的變化，即從一種發展狀態變化成另一種形態，同時和其對應的動力學統計特征也會與正常狀態下的徑流演變特征有所不同。在識別水庫徑流可能存在的突變點時，通常會使用有序聚類分析法（聚類分析是一組將研究對象分為相對同質的群組的統計分析技術，具有直觀、簡單的特點）對其進行識別。經過分析，1984年～1985年期間的年徑流躍度為2.772億m3，汛期徑流躍度為2.715億m3；在1995年～2001年期間的年徑流躍度為0.545億m3，汛期徑流躍度為0.243億m3。汛期徑流分別為年徑流量的84.13%和78.54%。

2.4 水庫入庫徑流的年內變化特征

該水庫所在地區的氣候為溫帶季風型氣候，常年降水量多集中在夏季，尤其是在6月份～8月份期間，降雨量占到全年降雨總量的六成以上，其他月份降雨量相對較少。通過多年的調查我們發現水庫徑流在汛期的三個時期表現基本相類似，其中在六月入庫徑流占全年總入庫徑流量的78.6%，七月入庫徑流量占全年總入庫徑流量的58.8%，而八月份入庫徑流量占全年總入庫徑流量的50.7%，從分析我們可得知剛入夏時汛期徑流所占的比例較高，繼而呈遞減趨勢。根據水庫在1984年～2014年平均入庫旬徑流的統計分析結果，發現經過多年的分析調查入庫旬徑流最大的峰值出現在7月的上、中旬，旬徑流量占到年平均總徑流量的21.2%，8月上旬的旬徑流量占到年平均徑流量的15.7%。水庫的入庫徑流量，從年初開始多年平均旬徑流呈緩慢增長趨勢，到七月上旬旬徑流從0.1290億m3突增至0.3909億m3,增長幅度達到了203.02%；在七月下半月旬徑流略有下降，但8月上旬洪水峰值進一步增加，會比前一峰值高出45.8%[2]；而從八月中旬直至年末，旬徑流趨勢逐漸下降。

3 水庫入庫徑流演變的推動力剖析

在水庫流域內對河川徑流演變起主要推動力的有兩類：一是自然推動力；二是人類驅動力。自然推動力主要表現在降水在一年內的變化情況。而人類的作用主要表現兩層含義：其一隨著人口數量的持續上漲以及經濟的飛速發展，城鎮居民以及工業用水也在持續增長；其二隨著農業耕種方式的不斷改革，水土保持措施和水利工程的興建對河川徑流的演變造成一定的影響。

3.1 降水與徑流演變之間的聯系

經過分析發現，該水庫控制流域的降水量與入庫徑流量之間存在正向關聯性。隨著時間的推移，兩者之間的關聯性呈下降趨勢。在1984以前，徑流量和降水之間有明顯的相關性，相關系數為0.912；而在1984年～2014年期間,徑流量和降水量之間的相關系數則下降為0.778。可以得出如下結論：80年代前期,降水是影響水庫入庫徑流和汛期徑流的主要因素；但是在80年代中后期，水庫汛期徑流和入庫徑流受降水的影響逐漸變小。

3.2 人類活動對徑流演變的作用

隨著人口數量的持續上漲，在改造自然方面，人類的能力不斷增強，人類活動對流域水文的變化影響程度愈發突出。為了將人類的活動對該流域徑流的影響作用清晰的表現出來，可用Wr來表示各個時期人類活動對河川徑流演變的貢獻率,公式如下：

在上式中各字母所代表的含義:Qt表示天然年徑流量，Qs表示實測年徑流量。根據上式繪制出人類活動對徑流產生的影響，見圖3。

圖3 人類活動與水庫入庫徑流量之間的關系圖

根據圖3可以看出，人類驅動力對徑流影響的貢獻率的變化較為繁雜，規律性不強，但總體的變化趨勢呈增長趨勢。在1984年以前,人類的活動幾乎對該水庫的上游徑流不會造成影響，河道徑流表現為天然徑流的基本特性。在1984年～2001年期間,人口數量的持續上漲，不斷增加的農業灌溉需求量，使得徑流量年平均分配不均衡。再加上干江河流域降水多集中在夏季，占到全年降水量的六成以上，經過仔細的分析得出降水與徑流的正相關性達到0.868,在降水的影響下，年內徑流分配均勻性差，汛期6月～8月入庫徑流量占全年徑流總量的50.7%～78.6%。然而該區域莊稼灌溉的時間通常集中在2月～3月，正處于干旱、缺水的時間段，為了滿足農業發展之所需，修建大量的水利工程對農田進行灌溉,加之枯水期河道會出現間斷的無水現象，但在汛期又可能會引發洪澇等災害[3]。導致水資源供求和徑流量年平均分配之間的矛盾不斷激化，使入庫徑流逐漸產生變化。

4 結論

綜上所述，人類驅動力對該水庫徑流演變有比較大的影響，并且整體上呈現出不斷增加的勢頭。隨著工業用水、灌溉用水、居民用水量不斷增加，水資源和徑流分配的矛盾也不斷深化，需要相關部門提高重視力度，深入研究人類活動對徑流的影響，進而達到調整和控制人類活動的徑流演變的目的。※

[1]楊欣,延軍平,劉寶元.無定河年徑流量變化特征及人為驅動力分析[J].地球科學進展,2005,20（6）:637-642.

[2]李艷,陳曉宏,王兆禮.人類活動對北江流域徑流系列變化的影響初探[J].自然資源學報,2006,21（6）:910-915.

[3]高華中,姚亦鋒.近50年來人類活動對博斯騰湖水位影響的量化研究[J].地球科學,2005,20（3）:305-309.