南渡江降水量、徑流量變化特征分析

林淑婧，盧裕景，張仁東，李德立

(海南省水利水電勘測設計研究院有限公司，海南 海口 570203)

流域水文循環過程和水資源演變規律的兩大驅動因素是全球氣候變化和人類活動，而降水與徑流是水文循環過程中的重要環節，是水文要素變化最為直接的表征[1- 2]。

目前關于長江經濟帶、黃河流域高質量發展、粵港澳大灣區等國家重大戰略區域流域水文演變規律的研究較為集中[3- 5]，而針對海南自由貿易港降水量與徑流量變化特征研究相對較少。在全球氣候變暖、ENSO事件等變化環境背景下，探索海南自由貿易港最大河流流域降水量與徑流量分配特征、趨勢特征和周期特征等流域水文演化規律，對區域水資源合理開發利用和人水關系和諧以及經濟社會高質量發展具有重要意義[6]。

1 區域概況

南渡江流域面積為7033km2，干流總長334km，是海南島流域最大、河流最長的河流，流域面積約占全島面積的21%；流域屬熱帶季風海洋性氣候，發源于南峰山，向東北流經白沙、儋州等8個市縣后至海口沙上港匯入瓊州海峽[7- 8]。

流域形態呈狹長型，自松濤水庫壩址以上為上游段，屬中低山區，河谷狹窄，坡降大、急灘多；松濤水庫—九龍灘為中游段，屬低山丘陵，山間溝谷發育，河道迂回彎曲；九龍灘—龍塘壩為下游段，主要屬丘陵臺地及濱海平原三角洲，河道寬闊，坡降平緩，龍塘壩址以下至沙上港稱河口段。干流基本特征見表1。流域平均坡降為0.72‰，多年平均年降水量約為1900mm，多年平均年蒸發量約為1450mm，松濤壩址控制徑流量僅占全河的21%，松濤至龍塘區間多年平均天然流量約為180m3/s。

表1 南渡江干流基本特征表

2 資料來源

南渡江干流現狀自上游至下游依次布設有福才站、南豐站(徑流資料不完整)、邁灣站(臨時水文觀測站)和龍塘站，站點信息見表2，站點分布如圖1所示。

圖1 南渡江流域水文站點分布

表2 南渡江干流各水文站點信息表

考慮到系列代表性、完整性和一致性，本次研究數據來源為第三次海南省水資源調查評價報告1956—2016年流域上游福才站和下游龍塘站降水量與徑流量數據(徑流量換算為徑流深)，通過統計參數、累積曲線和小波分析等方法分析其變化特征。

3 分配特征

3.1 年內分配

南渡江流域1—3月降水量與徑流量呈下降趨勢，4月開始緩慢增加，到10月降水量與徑流量達到最大值。5—10月降水量占全年的82%，徑流量占全年的77%，年內分配一般呈單峰型。

降水量、徑流量年內分配均勻狀況采用年內分配不均系數Cvy進行分析，Cvy值越大，表示年內分配越不均勻，計算方法如下：

(1)

南渡江屬雨源型河流，福才站降水量Cvy為[0.62，1.76]，徑流量Cvy為[0.41，2.04]；龍塘站降水量Cvy為[0.64，1.53]，徑流量Cvy為[0.48，2.10]。兩站降水量和徑流量年內分配不均系數較大，且Cvy均呈上升趨勢，說明氣候變化和人類活動造成徑流年內分配不均系數增大，降雨年內穩定程度降低。

3.2 年際變化

年際變化采用變差系數Cv、極值比Km和不均勻系數β進行分析[9]。

Cv值為標準差與平均數之比，反映總體系列離散程度。Cv值越大，表示年際變化越劇烈，易發生洪澇災害；Cv值越小，表示年際變化越平緩，有利于水資源開發利用。

Km值為最大值與最小值之比，反映兩個極端值的倍數關系，Km值越大，表示年際變化越不均勻。

β值為平均值與最大值之比，反映年際變化的不均勻特征。β越接近1，表示年際變化越均勻。詳見表3。

由表3可知，南渡江福才站、龍塘站降水量Cv值均小于徑流量Cv值，且徑流量Cv值福才站大于龍塘站，說明南渡江徑流量多年變化大于降水量，上游相比下游徑流量多年變化更大。

表3 南渡江徑流量、降雨量年際變化

南渡江福才站、龍塘站徑流量Km值均大于降水量Km值，且福才站徑流量Km值大于龍塘站，說明南渡江徑流量不均勻程度較降水量大，上游相比下游徑流量受降水量變化影響較大。

南渡江福才站、龍塘站徑流量β值均小于降水量β值，且降水量β值兩站變化不大，但徑流量β值福才站小于龍塘站，說明南渡江徑流量年際變化均勻度較差，且上游降水量相比下游均勻，但徑流量年際變化不均勻。

4 趨勢特征

南渡江福才、龍塘站降水量和徑流量年際變化趨勢如圖2所示。由圖2可知，南渡江福才、龍塘站年降水量呈現總體緩慢上升的趨勢(斜率k>0)，通過相關系數檢驗法分析，其上升趨勢較顯著(α=0.05)；南渡江福才、龍塘站年徑流量呈現總體緩慢下降的趨勢(斜率k<0)，通過相關系數檢驗法分析，其下降趨勢較顯著(α=0.05)。

圖2 南渡江1956—2016年降水與徑流量線性趨勢

為了更好地說明流域下墊面對降水量、徑流量的影響程度，采用徑流系數和降雨徑流累積曲線進行趨勢特征分析。

實測徑流系數k是反映降水所產生徑流受人類活動影響的程度，計算公式為k=R/P，其中，R為徑流量，P為降水量。降雨徑流雙累積曲線是以累積降水量作為參考變量，通過降水徑流雙累積曲線分析其一致性或長期演變趨勢，初步判別人類活動對徑流量的影響程度。

由圖3可知，南渡江福才、龍塘站實測徑流系數k均呈現下降趨勢。由圖4可知，降雨徑流福才、龍塘站降雨徑流關系變化規律基本一致，且1956—1969年、1970—2000年和2001—2016年3個階段的降雨徑流關系存在減小的規律。由此可見，下墊面條件變化、水資源開發利用程度提高，會導致流域徑流能力減弱。

圖3 南渡江徑流系數變化曲線

圖4 南渡江降水-徑流累積曲線圖

5 周期特征

采用Morlet小波函數分析南渡江降水量與徑流量周期特征。小波分析是可以一種實現多時間尺度序列結構特征分析及反映其局部化規律的方法，能夠準確地判斷水文時間序列周期的具體時段。利用Morlet小波函數同時從時域和頻域揭示徑流量信號變化特性，尺度較大時，可得到信號整體特征；尺度較小時，能提取信號細節特征[10]。

通過繪制小波方差圖反映時間序列中各個尺度擾動的相對強度。以Var(a)為縱坐標、a為橫坐標繪制小波方差圖，如圖5所示，其峰值所對應的是徑流量主周期。

圖5 南渡江年降水量與年徑流量小波方差圖

由圖5可知，南渡江相同水文站點年降水量和年徑流量周期時間尺度一致性較好。不同水文要素均存在不同尺度的3個較為明顯的峰值。其中：

年降水量周期特征中，27年、28年時間尺度為第一主周期；12年為第二主周期，同時還存在5年、4年的次周期。

年徑流量周期特征中，27年、28年時間尺度為第一主周期；12年、13年為第二主周期，同時還存在9年、5年、4年的次周期。詳見表4。

表4 南渡江年降水量與年徑流量主要周期 單位：年

6 結論

(1)南渡江福才、龍塘站1956—2016年降水、徑流豐枯等級變化波動較為頻繁，且豐枯歷時較短；實測降水量呈上升趨勢，實測徑流量呈下降趨勢；實測徑流量多年變化和不均勻程度均大于降水量；徑流系數呈顯著下降趨勢，且位于下游的龍塘站下降幅度大于位于上游的福才站。

(2)年降水量周期特征中，27年、28年時間尺度為第一主周期；12年為第二主周期，同時還存在5年、4年的次周期。年徑流量周期特征中，27年、28年時間尺度為第一主周期；12年、13年為第二主周期，同時還存在9年、5年、4年的次周期。

(3)文章對徑流量變化分析未考慮基流因子、下墊面變化等因素，對降水量變化分析也忽略了蒸發量與人類活動的影響，因此，下一步仍需要不斷深入和改進南渡江降水量與徑流量變化影響的定量研究。