嘉陵江談家莊站徑流空間分布及演變規律研究

崔延芳

(甘肅省隴南水文水資源勘測局，甘肅 成縣 742500)

社會經濟的發展離不開水資源，水資源已經成為制約社會經濟發展的主要因素，水資源的空間分布制約著區域經濟發展。在一些水資源匱乏的地區，這種現象更加明顯。特定的水源具有特定的水資源分布空間[1-4]，李怡穎、范繼輝、廖瑩[5]利用Spearman相關分析、Mann-Kendall對嘉陵江北碚水文站的徑流、泥沙進行了分析，李姝玙[6]基于GIS軟件DEM法對嘉陵江下游的徑流量及水資源空間分布進行了成因分析，孟鋮鋮[7]構建了SWT水文模型，通過主成分分析、聚類分析法及線性回歸法對嘉陵江徑流量模擬計算，發現年內分配極不均勻。但是，對于嘉陵江上游的徑流空間分布和演變規律研究相對較少，本文使用嘉陵江干流談家莊水文站的長系列實測資料對徑流的空間分布及變化規律進行研究，為區域內水資源合理利用提供依據。

1 流域概況

嘉陵江古稱西漢水，屬長江第二大支流，流域面積15.98萬 km2，干流全長1 120 km，高差2 300 m，河道平均比降2.05‰，嘉陵江上游主要包括甘肅省天水、隴南、甘南3市(州)，干流主要是甘肅境內徽縣、兩當縣，流域面積6 925 km2，全長86.2 km。

圖1 嘉陵江流域水系圖

嘉陵江干流自陜西鳳縣西南流入兩當，經西坡兩河口入境，至站兒巷西界區出境入徽縣，沿河屬地鄉鎮有西坡鎮、站兒巷鎮、顯龍鄉，境內流長46 km，落差160 m，平均河寬160 m。兩當段嘉陵江干流流域內海拔高程在780～1 035 m之間，河床為砂礫結構。境內嘉陵江主要支流有紅崖河、兩當河、云屏河、三渡水等，共計137.6 km。

嘉陵江出兩當縣后進入徽縣，是徽縣境內最大的河流，縱貫縣境東部，沿河屬地鄉鎮有嘉陵鎮、虞關鄉，境內自嘉陵鎮大山村明洞口至虞關鄉吳王城長40.2 km。徽縣境內嘉陵江一級支流21條，長317.9 km；二級支流177條，長792.3 km；三級支流279條，長758.2 km；四級支流136條，長298.6 km；五級支流29條，長51.7 km。

研究表明[8]，嘉陵江上游多年平均自產水量0.403 11億 m3，占全縣多年平均自產水資源量的11.3%；多年平均過境水量4.023 53億 m3，占全縣過境水資源量的49.9%；干流區地表水量為4.426 64億 m3，占全縣地表水資源量的38.1%。徽縣境內嘉陵江干流面積289 km2，年徑流總量14.632 7億 m3，自產水量0.687 5億 m3，占全縣多年平均自產水資源量的10.7%；入境水量8.449億 m3，占全縣入境水資源量的68.7%；出境水量14.366億 m3，占全縣出境水資源量的78.5%；干流區地表水量為9.136 5億 m3，占全縣地表水資源量的48.8%。本文通過對嘉陵江談家莊站的徑流演變進行分析，對該區域水資源合理利用有效保障技術支撐。

2 資料與方法

2.1 資料收集

干流設有水文站兩座，茨壩水文站和談家莊水文站，均屬省界斷面。茨壩站位于兩當縣西坡鎮，談家莊站位于徽縣嘉陵鎮，屬嘉陵江上游控制站，兩站之間相距100 km左右。本次共收集到談家莊站降水資料42站年、徑流42站年。為了資料能達到使用要求，使用相關分析法，對漏測資料進行插補，經分析，系列一致，精度能滿足要求。

2.2 研究方法

研究過程中主要采用常用的分析方法進行分析，徑流年內分配采用集中度、集中期分析法[9]；采用輪次分析法[10]對談家莊站徑流量豐、平、枯程度分析；用線性回歸法對徑流變化趨勢進行分析[11]，趨勢檢驗采用Mann-Kendal非參數檢驗。

3 徑流年內變化規律研究

3.1 研究方法

集中度、集中期是反映年內徑流量集中程度的重要指標[13-14]，集中度主要是指徑流量在年內的集中程度，集中期主要是指集中的時間和方位，按照徑流量的的水平、垂直分量的所占的比例來衡量徑流量的程度。對每年中每月的徑流量按照和兩個方向，計算出方位角分別是0°、30°、60°、......330°[15]，按照下列計算公式對嘉陵江上游兩站的徑流量年內分配集中度、集中期及徑流年內分配不均勻性進行估算。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：R為年徑流量，Rx、Ry為水平、垂直分量，Cv為不均勻系數。

3.2 年內分配

將該站徑流實測資料進行分組，按照5 a為一組的方法，談家莊站可以分成8組，算出每組的平均年徑流量，點繪該站不同時代逐月平均流量關系曲線(圖2)，從圖2 可以看出，平均流量呈階梯狀增加趨勢。1-3月份，平均流量趨于緩和，變化不明顯，流量趨于穩定，4-6月份，流量逐漸增大，7-10月，屬全年流量最大期，主要受上游降水影響，由于降水主要集中在6-10月，尤其是7-9月，在這一帶，多發性暴雨持續時間較長，導致流量增大；1980-1984年間，平均流量屬最大，主要是在1981年，流域內發生歷史最大洪水導致。

圖2 談家莊站不同時代逐月平均流量變化趨勢

對該站多年平均流量計算，得出該站流量年內分配表(表1)，從表1看出，徑流量主要集中在7-10月，期間徑流量占全年的68.6%，非汛期11-4月占全年徑流量的26.65%，在11-12月，水量相對穩定，隨后進入三個月不等的枯水期，直到4月及河流逐漸增多。

表1 談家莊站徑流量年內分配表

3.3 集中度及不均勻性計算

按照分組及前面給出的計量公式計算，該站徑流量集中程度最大值在0.72，最小值0.23，平均值為0.47，極值比為3.1，從而證明該站徑流年內變化較集中。徑流年內變化平均Cv值為0.93，最大值為1.65，最小值為0.41，倍比為4.0,年內變化較大，點繪年內不均勻系數隨年際的變化曲線如圖3，Cv值變化及其明顯，說明徑流年內變化大，年內分配不均。

圖3 談家莊站年內徑流不均勻系數變化曲線

4 徑流年際變化規律分析

4.1 徑流豐枯分析

輪次長和輪次和是時間序列輪次的重要特征量，對于給定的水文序列和切割水平Y,就可得到M個輪次長，即l1、l2、l3、…lm，同樣就有M個輪次和與之對應，即d1、d2、d3、…dm，按照統計量：

(6)

(7)

(8)

可以給特定水文序列一個分割點，對于年徑流量來說，這里給定多年平均流量為分割點Y,基于上述計算方法，可以對談家莊站的徑流的豐枯程度輪次進行分析。

通過計算該站長系列徑流資料計算，得出多年平均年徑流為11.76億 m3，計算徑流的輪次及負輪次，點繪輪次變化關系線如圖4，距平見圖5。

圖4 談家莊站年際徑流輪次變化圖

從圖4，圖5看出，該站年際徑流豐水和枯水年輪次大體相當，最大負輪長為9 a，發生在1994-2002年間。大于多年平均流量的年代數為20 a，小于多年平均流量的年代數為22 a，二者較接近，說明該站年際徑流豐枯程度變化不大，年際徑流變化不大。通過計算計算徑流變差系數Cv，得Cv值0.55,徑流變化不大，Cv正好驗證了的前面所述觀點。從圖4看出，枯水年基本以2～3 a為一個周期出現，但是水量相對穩定，變化較小。

圖5 談家莊站年際徑流距平分析圖

4.2 徑流年際變化趨勢分析

點繪該站多年徑流量變化曲線(見圖6)，可得到年徑流量線性回歸方程：y=-0.206 1x+16.191，添加多項式，可以看出，1975-1981年，這個時期徑流量呈增大趨勢；1981-1997年，這個時期年徑流呈減少趨勢；1997-2011年又呈現增大趨勢；2012-2019年呈減少趨勢。

圖6 談家莊站年際徑流整體變化圖

年徑流整體呈減少趨勢。主要原因是由于降水量的逐年減少，蒸發量逐年增大造成；近幾年，環境保護的力度加大，水量有所上升，目前分析來看，效果還不明顯，需要一個長期的過程。利用Mann-Kendal對該站徑流減少趨勢檢驗，結果表明：減小趨勢不顯著。

5 結語

通過分析談家莊站的徑流資料可以得出：徑流量主要集中每年在7-10月，主要受上游降水量不平衡影響，徑流年內變化平均Cv值為0.93，年內變化相對較大，年內分配不均勻。在本次分析的系列資料中，豐枯水年數相當，豐水年20 a、枯水年22 a；最大負輪長為9 a，發生在1994-2002年間，這期間，為該站連續枯水年。由于蒸發量增大、降水量持續減少，徑流量呈逐年減少的趨勢，利用Mann-Kendal法對徑流減少顯著性檢驗，結果為不顯著。