云南省徑流年內(nèi)變化特性研究

谷桂華，李學(xué)輝，余守龍，段路松

(1.云南省水文水資源局玉溪分局，云南 玉溪 653100；2.云南省水文水資源局，云南 昆明 650106；3.云南省水文水資源局臨滄分局，云南 臨滄 677000)

受季節(jié)影響，云南徑流的年內(nèi)分配不均勻，一般呈現(xiàn)單峰變化，部分地區(qū)有雙峰過(guò)程。徑流的年內(nèi)分配不均對(duì)人類的生產(chǎn)生活影響很大，特別是對(duì)防汛抗旱、水利工程建設(shè)、水資源調(diào)度、水資源配置等均有直接影響。隨著水資源開(kāi)發(fā)利用程度不斷提高，人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響日益顯著，徑流的不確定性更突出；在氣候變化與人類活動(dòng)的雙重驅(qū)動(dòng)下，流域徑流特性也隨之發(fā)生相應(yīng)變化。因此,開(kāi)展變化環(huán)境下的徑流年內(nèi)變化特性研究,是水文特性研究的一項(xiàng)必要工作。劉學(xué)鋒等[1]應(yīng)用有序聚類法等和HBV模型研究了氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)灤河流域人類活動(dòng)影響期間徑流的定量影響程度，認(rèn)為隨著人類活動(dòng)影響的加劇,氣候變化對(duì)灤河流域徑流的影響在逐漸減弱,人類活動(dòng)對(duì)該流域的影響在增強(qiáng)；谷桂華等[2]應(yīng)用分離評(píng)判法定量評(píng)價(jià)了氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)南盤(pán)江上游徑流的變化影響，人類活動(dòng)對(duì)徑流的年內(nèi)分配影響主要表現(xiàn)在月徑流的均勻化和峰值的坦化現(xiàn)象上；鐘華昱等[3]采用多方法、多維度綜合分析了變化環(huán)境下漢江流域徑流的時(shí)空演變規(guī)律。以上研究大都偏重于從年的尺度去分析和揭示徑流演變規(guī)律，雖然能夠很好的反映徑流的漸進(jìn)變化，但對(duì)于河流生態(tài)需水要求、水資源利用與保護(hù)以及美麗河湖建設(shè)等工作，還需對(duì)徑流的年內(nèi)變化特點(diǎn)進(jìn)行具體分析。

目前，水資源評(píng)價(jià)中常用最大4個(gè)月徑流占年徑流總量的比例、汛期和非汛期比例、年內(nèi)分配過(guò)程線等表示徑流年內(nèi)分配狀況。也有不少學(xué)者利用集中度等相關(guān)指標(biāo)研究徑流在年內(nèi)的不均勻性：李艷等[4]利用徑流年內(nèi)分配不均勻性、集中程度等指標(biāo)研究了北江流域徑流年內(nèi)分配變化規(guī)律；王金星等[5]對(duì)中國(guó)六大流域徑流的年內(nèi)分配不均勻性和集中度進(jìn)行了變化趨勢(shì)分析；田黎明等[6]利用徑流年內(nèi)分配不均勻性、集中度等指標(biāo)分析了白龍江流域上游徑流年內(nèi)分配變化規(guī)律；張曉曉等[7]應(yīng)用年內(nèi)分配比例、年內(nèi)不均勻系數(shù)、集中度和集中期、變化幅度等指標(biāo)，分析了疏勒河上游徑流年內(nèi)變化規(guī)律；馬正耀[8]以徑流的年內(nèi)百分比、不均勻系數(shù)、集中度等不同指標(biāo)，具體分析了黑河徑流年內(nèi)分配的變化規(guī)律。由于徑流集中度、集中期能夠充分定量地表征徑流在年內(nèi)分配的非均勻性[9]，本文利用年內(nèi)不均勻系數(shù)、集中度和相對(duì)變化幅度等指標(biāo)，對(duì)云南60多年實(shí)測(cè)徑流資料進(jìn)行分析，研究徑流年內(nèi)分配變化特性，可為省內(nèi)水旱災(zāi)害研究、流域水資源管理、水生態(tài)保護(hù)和水資源開(kāi)發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

云南省地處中國(guó)西南邊陲，位于青藏高原東南側(cè)，地勢(shì)高聳，山高谷深，地形地貌極為復(fù)雜。全省1956—2016年平均自產(chǎn)水資源量2 141億m3，多年平均徑流深558.8 mm。徑流總的分布規(guī)律是：西多東少、南多北少；同時(shí)由于幾條近似南北走向的大山脈對(duì)氣流的阻隔，徑流深地帶分布呈現(xiàn)出明顯的高低相間特點(diǎn)，主要表現(xiàn)為河谷小、山區(qū)大。云南徑流深超過(guò)800 mm的區(qū)域主要分布在碧羅雪山以西、伊洛瓦底江等區(qū)域，無(wú)量山、哀牢山南段和中越、中老國(guó)境線一帶和滇東北的高山地區(qū)也有分布；200～800 mm范圍主要分布在瀾滄江流域的絕大部分地區(qū)及金沙江下段、珠江、紅河等地區(qū)；滇中壩子和河谷地區(qū)徑流深不足200 mm，是云南水資源最匱乏地區(qū)。由于復(fù)雜的自然地理及“立體氣候”的影響，年徑流垂直變化也十分明顯[10]。

根據(jù)流域代表性，在長(zhǎng)江、珠江、紅河、瀾滄江、怒江和伊洛瓦底江六大流域共選用 9個(gè)代表站進(jìn)行分析，各站均具有56年以上實(shí)測(cè)月年徑流資料，代表站基本情況見(jiàn)表1。

表1 各流域水文代表站基本情況

1.2 方法

1.2.1不均勻性

徑流不均勻系數(shù)Cu是分析徑流年內(nèi)變化的一個(gè)重要指標(biāo)，Cu值越大,各月徑流量與月平均徑流量差異越大,說(shuō)明徑流的年內(nèi)分配越不均勻[11]。

徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cu的表達(dá)式為：

Cu=σ/R

(1)

式中Ri——各月徑流量,萬(wàn)m3；R——月平均徑流量，萬(wàn)m3。

1.2.2集中程度

徑流集中程度Cn是河川徑流年內(nèi)分配集中程度的一種統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，即表示徑流量年內(nèi)分配集中的程度[12]。本文按月為時(shí)間尺度分析年內(nèi)分配的集中程度，以月徑流量大小為向量長(zhǎng)度，所處的月份為向量方向，以每個(gè)月的中間日期(約為15°)作為該月向量的方向。各月代表的角度1月為15°、2月為45°、3月為75°,其余各月角度均按30°累加。集中度表示徑流年內(nèi)不均勻分布的狀況，Cn越接近1表示徑流越集中在某幾個(gè)月，為0則表示年徑流平均分配在12個(gè)月。

集中度Cn表達(dá)式為：

(2)

式中Ri——各月徑流量；R——合成量。

12個(gè)月的分量和構(gòu)成合成量的水平、垂直分量為：

1.2.3相對(duì)變化幅度

徑流年內(nèi)變化幅度對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水影響很大，本文用極大比Cmax和極小比Cmin表示,分別為最大月平均流量Qmax和最小月平均流量Qmin與年內(nèi)月平均流量Q(單位均為m3/s)之比，計(jì)算公式為:

Cmax=Qmax/Q,Cmin=Qmin/Q

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 年內(nèi)變化分析

2.1.1指標(biāo)分析

根據(jù)式(1)、(2)、(3)計(jì)算各水文代表站不同年段的年內(nèi)徑流分配不均勻系數(shù)Cu、集中度Cn、極大比Cmax和極小比Cmin，各指標(biāo)分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各代表站不同年段徑流年內(nèi)變化指標(biāo)

2.1.2年內(nèi)變化特性

a)從多年平均徑流年內(nèi)分配過(guò)程看，以塘上站為代表的滇西北地區(qū)的多年平均Cu為0.55，為全省Cu較小區(qū)域，說(shuō)明該區(qū)域徑流年內(nèi)分配較為均勻；以地索站和小龍?zhí)墩緸榇淼牡嶂械貐^(qū)多年平均Cu大于1.0，說(shuō)明該區(qū)域徑流年內(nèi)分配極不均勻；其他流域區(qū)域多年平均Cu在0.67～0.76之間。從多年平均集中度Cn看，集中程度較高的區(qū)域也是滇中缺水地區(qū)(以小龍?zhí)丁⒌厮髡緸榇淼膮^(qū)域)，集中度Cn值超過(guò)0.6。

b)從1956—1980年、1981—2000年、2001—2016年3個(gè)不同時(shí)段徑流平均年內(nèi)分配過(guò)程看，全省各階段Cu總體為下降趨勢(shì)，下降幅度在0.01～0.18之間，其中道街壩站Cu下降幅度最小，為0.01；江邊街、允景洪和豆沙關(guān)Cu下降幅度較大，分別為0.18、0.17和0.13；說(shuō)明全省徑流年內(nèi)分配在逐漸向均勻化演變，其中滇西片怒江流域均勻化演變不明顯，滇東珠江流域、滇南瀾滄江流域和滇東北長(zhǎng)江流域均勻化較為明顯。從不同年代階段Cn看，均勻化較明顯的是滇南瀾滄江允景洪和滇東珠江江邊街站，2001—2016年比1980年以前Cn下降幅度分別為0.13和0.11。

c)除了滇西怒江流域的道街壩站不同年代月徑流極大比Cmax微增0.03外，其他站均為減小，減小幅度在0.03～0.46之間，其中江邊街、允景洪和豆沙關(guān)站下降幅度較大，分別為0.46、0.43和0.24。不同年代徑流年內(nèi)極小比Cmin基本呈逐漸增大趨勢(shì)，其中允景洪、江邊街和豆沙關(guān)增長(zhǎng)幅度較大。因此，滇東珠江流域、滇南瀾滄江流域和滇東北長(zhǎng)江流域的徑流年內(nèi)分配極大比Cmax總體在減小，極小比Cmin總體在增大。

d)全省多年平均年內(nèi)徑流主要集中在7、8、9月，其中以拉賀練、道街壩站為代表的滇西片伊洛瓦底江、怒江流域年內(nèi)最大徑流出現(xiàn)在7月，其他區(qū)域年內(nèi)最大徑流基本出現(xiàn)在8月；以塘上站為代表的滇西北瀾滄江流域年內(nèi)徑流出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象，即除了8月出現(xiàn)最大峰值外，在4月也有一個(gè)徑流次峰；以地索站和小龍?zhí)墩緸榇淼牡嶂虚L(zhǎng)江流域、紅河流域片，徑流集中程度較高，8月徑流占全年徑流的24.6%～27.2%，其他區(qū)域8月(7月)徑流占全年徑流的15.2%～19.7%,見(jiàn)圖1。

圖1 代表站徑流多年平均年內(nèi)分配過(guò)程

e)全省不同年段徑流年內(nèi)分配過(guò)程特點(diǎn)表現(xiàn)為：1980年以后分配過(guò)程比1980年以前過(guò)程平緩，其中江邊街和允景洪站變化(坦化)最明顯，見(jiàn)圖2、3。

圖2 江邊街站不同年段年內(nèi)徑流年內(nèi)分配過(guò)程

圖3 允景洪站不同年段年內(nèi)徑流年內(nèi)分配過(guò)程

2.2 年內(nèi)變化影響因素

2.2.1人類活動(dòng)影響

對(duì)瀾滄江流域和珠江流域主汛期(7—9月)的降水、徑流占全年百分比的變化情況進(jìn)行分析，見(jiàn)表3。2000年后，瀾滄江流域的水電建設(shè)逐步加大，目前干流水電站總庫(kù)容達(dá)500多億m3，占流域水資源量的70%以上；珠江流域一直是云南人口密集、經(jīng)濟(jì)社會(huì)較發(fā)達(dá)的地區(qū)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水需求較大，水資源開(kāi)發(fā)利用率是云南最高的流域。從表3中可以看出，2001—2016年段與1956—1980年段相比，瀾滄江流域和珠江流域主汛期降水占全年比的變化率都不大，如瀾滄江流域的降水變化率2.3%，遠(yuǎn)小于徑流變化率-17.5%，說(shuō)明徑流年內(nèi)均勻化主要是被水電工程調(diào)蓄。珠江流域的降水變化率-7.7%，也小于徑流的變化率-12.9%；這除了2000年以后兩次大旱對(duì)徑流的影響外，經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水對(duì)徑流年內(nèi)變化也有較大影響。因此，人類活動(dòng)是徑流年內(nèi)分配均勻化和削峰填谷的主要影響因素。

表3 流域主汛期(7—9月)降水和徑流占全年比變化率 單位：%

2.2.2氣候變化影響

為分析氣候變化對(duì)徑流的影響程度，選用降水因子對(duì)瀾滄江流域和珠江流域的不均勻系數(shù)的一致性和差異性進(jìn)行對(duì)比分析。在瀾滄江流域和珠江流域分別選擇28、39個(gè)具有1956—2016年系列的降水代表站以及流域控制站允景洪和江邊街水文站，分析降水和徑流的年內(nèi)分配變化情況，見(jiàn)表4。從中可以發(fā)現(xiàn)，2001—2016年段與1956—1980年段相比，瀾滄江流域和珠江流域的降水年內(nèi)不均勻系數(shù)在不同年段變化都不明顯，Cu僅上升了0.02；但徑流不同年段的不均勻系數(shù)變化卻很大，Cu分別下降了0.17和0.18。這在一定程度上說(shuō)明，以降水為代表的氣候因素影響對(duì)徑流的年內(nèi)分配均勻化作用不明顯。

表4 流域年內(nèi)降水和徑流不均勻系數(shù)Cu分析成果 單位：%

從降水和徑流的年內(nèi)分配變化分析結(jié)果可看出，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水需求的增加和水利工程控制能力的增強(qiáng)，人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響將越來(lái)越大；從瀾滄江流域上、下游站的徑流年內(nèi)不均勻系數(shù)Cu變化來(lái)看，2001—2016年段與1956—1980年段相比，上游塘上站下降了0.06，下游允景洪站下降了0.17，說(shuō)明上、下游徑流年內(nèi)過(guò)程分配均勻化趨勢(shì)的發(fā)展與流域內(nèi)水資源開(kāi)發(fā)利用程度逐漸增強(qiáng)、水利工程對(duì)徑流調(diào)節(jié)力度不斷增大有關(guān)。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)徑流起到了削峰填谷作用，使下游枯期徑流增加，汛期徑流減少[13-14]；這種變化對(duì)河道水文天然態(tài)勢(shì)有較大影響，同時(shí)會(huì)改變河流水生生物多樣性發(fā)展?fàn)顩r[15-16]。

3 結(jié)論與討論

a)云南省多年平均徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cu在0.55～1.21。其中，滇西北區(qū)域的徑流年內(nèi)分配較為均勻，滇中長(zhǎng)江流域中部和紅河流域上游等缺水地區(qū)的徑流年內(nèi)分配極不均勻。

b)從各年代徑流不均勻系數(shù)Cu和集中度Cn比較，兩系數(shù)總體為下降趨勢(shì)；其中，瀾滄江和南盤(pán)江下游徑流變化最明顯，瀾滄江允景洪站Cu減少0.17，Cn減少0.13；南盤(pán)江江邊街站Cu減少0.18，Cn減少0.11；長(zhǎng)江流域豆沙關(guān)Cu減少0.13，Cn減少0.09。從各區(qū)域分布看，滇西怒江流域均勻化演變不明顯，滇南瀾滄江流域、滇東珠江流域和滇東北長(zhǎng)江流域的徑流年內(nèi)分配均勻化較為明顯。

c)各月徑流的相對(duì)變化幅度顯示，極大比Cmax為減少趨勢(shì)，極小比Cmin為增大趨勢(shì)；說(shuō)明各地區(qū)徑流最大月占的比重減少，枯季最小月的徑流增大，徑流年內(nèi)分配過(guò)程有坦化現(xiàn)象，最明顯的是滇東珠江流域和滇南瀾滄江流域。

d)云南省徑流主要集中在7、8、9月，其中伊洛瓦底江、怒江年內(nèi)最大徑流出現(xiàn)在7月，其他區(qū)域年內(nèi)最大徑流基本出現(xiàn)在8月。滇中長(zhǎng)江流域和紅河流域徑流集中程度較高，8月徑流占全年徑流的24.6%～27.2%，其他區(qū)域8月(7月)徑流占全年徑流的15.2%～19.7%。

本文從實(shí)測(cè)資料分析徑流年內(nèi)變化的基本特征，揭示人類活動(dòng)對(duì)云南省徑流年內(nèi)分配的影響，各指標(biāo)變化顯示，徑流的年內(nèi)分配有均勻化趨勢(shì)。徑流年內(nèi)過(guò)程分配均勻化趨勢(shì)與流域內(nèi)水資源開(kāi)發(fā)利用程度逐漸加大、水利工程對(duì)徑流調(diào)節(jié)能力不斷增強(qiáng)有關(guān)；水利工程對(duì)徑流的調(diào)節(jié)起到削峰填谷作用，是年內(nèi)徑流分配過(guò)程坦化的主要因素。徑流年內(nèi)分配的均勻化和年內(nèi)峰值的坦化，一定程度減輕了流域下游的防汛抗旱壓力，并有利于滿足下游地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的用水需求。

云南省徑流年內(nèi)分配不均勻，隨著流域水資源開(kāi)發(fā)利用程度加大，徑流的年內(nèi)分配過(guò)程有均勻化趨勢(shì)，特別是2000年以后；云南六大流域中，水電開(kāi)發(fā)影響較大的瀾滄江流域均勻化趨勢(shì)最顯著，其次開(kāi)發(fā)利用程度較高的長(zhǎng)江流域和珠江流域均勻化趨勢(shì)也較明顯。分析結(jié)果展現(xiàn)了長(zhǎng)江、珠江和瀾滄江等流域徑流的現(xiàn)狀和變化趨勢(shì)，為流域水資源管理和保護(hù)提供參考依據(jù)，對(duì)美麗河湖建設(shè)有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。但人類活動(dòng)對(duì)徑流影響及其變化機(jī)制較復(fù)雜，未來(lái)可加強(qiáng)氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流影響的貢獻(xiàn)率、水電群開(kāi)發(fā)對(duì)徑流影響機(jī)制等方面的研究。