羅定江羅定古欖水文站水文特征分析研究

莫鈞雯

(廣東省水文局肇慶水文分局， 廣東 肇慶 526060)

1 測(cè)站概況

羅定古欖站位于羅定江中上游，1958年設(shè)站，為羅定江區(qū)域代表站，屬于國家基本水文站。測(cè)站斷面以上集雨面積為936 km2，至河口距離為129 km。測(cè)驗(yàn)河段比較順直，長約370 m，河寬約50 m，河床為沙石組成，斷面比較規(guī)則、穩(wěn)定。常年觀測(cè)水位、流量、降水量、蒸發(fā)、水質(zhì)等項(xiàng)目，為國家長期收集羅定江的水文基礎(chǔ)信息、分析水文特性規(guī)律、河道演變研究和治理而設(shè)。

2 降水特征研究

羅定古欖水文站處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降雨常年受太平洋及南海海洋性氣候的影響[1]，每年降雨多集中在4—9月，降水有明顯的前后汛期之分，前汛期(4—6月)主要是西南低空急流暴雨和鋒面雨，后汛期(7—10月)的降雨以臺(tái)風(fēng)雨為主。羅定盆地是我省的降雨低值區(qū)，該盆地年最大24 h點(diǎn)雨量均值一般在120 mm以下。該站多年平均降雨量為1 516.0 mm。上游小垌站多年降雨量為1 646.3 mm，下游羅定站多年降雨量為1 318.5 mm。

2.1 降水年內(nèi)分配

受季風(fēng)氣候影響，羅定古欖水文站降水量主要集中在4—9月，占年降水量的77.4%，11月—次年1月降水量較少，只占全年降水量的8.1%，降水量年內(nèi)分配不均勻(見圖1)。

圖1 羅定古欖水文站多年月平均降水量示意

2.2 降水年際變化及頻率分析

由于南方雨水量較充沛，豐水年和枯水年降水量相對(duì)來說變化較小，從資料系列計(jì)算出變差系數(shù)Cv值為0.19，相對(duì)離差程度較小；年際極值比為2.55，表明降水量的年際變化幅度較小，該區(qū)域降水對(duì)徑流的補(bǔ)給相對(duì)穩(wěn)定(見表1)。

表1 羅定古欖站年降水量特征值

將1980—2021年這42 a年降水量資料按數(shù)值大小分組，統(tǒng)計(jì)計(jì)算各組出現(xiàn)的次數(shù)、頻率、累積頻率及組內(nèi)平均頻率密度(見表2)，計(jì)算結(jié)果顯示年降水量出現(xiàn)在1 499.9～1 599.9 mm的頻率最高。圖2和圖3分別是降水量頻率密度圖和降水量頻率分布示意。

表2 羅定古欖水文站降水量分組頻率計(jì)算

圖2 羅定古欖水文站降水量頻率密度示意

圖3 羅定古欖水文站降水量頻率分布示意

2.3 降水變化趨勢(shì)分析

Mann-Kendall(M-K)的檢驗(yàn)方法是非參數(shù)檢驗(yàn)方法，非參數(shù)檢驗(yàn)方法亦稱無分布檢驗(yàn)，是檢驗(yàn)時(shí)間序列單調(diào)趨勢(shì)的有效工具之一，被廣泛應(yīng)用于氣候和水文序列的分析。其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵循一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適用于類型變量和順序變量[2-4]。

采用M-K檢驗(yàn)法對(duì)羅定古欖站的年降水序列進(jìn)行趨勢(shì)分析，從M-K曲線中的UF(見圖4)可以看出，1958—1971年，UF曲線呈現(xiàn)波動(dòng)，沒出現(xiàn)顯著性波動(dòng)上升趨勢(shì)，從1971年之后曲線呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，UF值都>0，說明年降水量呈現(xiàn)上升狀態(tài)，甚至在1986年UF曲線一度超過α=0.05(U0.05=1.96)的顯著性水平臨界值，M-K統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)值達(dá)到2.026，之后從1987—2005年UF曲線趨勢(shì)波動(dòng)下降，并出現(xiàn)多處交點(diǎn)，沒有出現(xiàn)顯著的突變現(xiàn)象，然后自2006年起又平穩(wěn)上升，但一直沒有超過α=0.05的顯著性水平臨界值，說明期間降水變化不顯著，降水偏少時(shí)期和偏多時(shí)期呈現(xiàn)周期性交替。

圖4 降水量的Mann-Kendal檢驗(yàn)曲線示意

3 水面蒸發(fā)

羅定古欖水文站自1964年設(shè)立蒸發(fā)量觀測(cè)，1964—1978年使用80 cm口徑外有套盤的蒸發(fā)皿，1979年至今使用E601型蒸發(fā)皿進(jìn)行觀測(cè)。為統(tǒng)一成果，使成果保證數(shù)據(jù)系統(tǒng)性、連續(xù)性，統(tǒng)計(jì)1979—2021年蒸發(fā)量資料，羅定古欖站多年平均蒸發(fā)量為971.4 mm，年最大蒸發(fā)量為1 222.4 mm(1986年)，年最小蒸發(fā)量為811.4 mm(2000年)，年際極值比為1.51，Cv值為0.10，相對(duì)離差程度較小。

3.1 水面蒸發(fā)年內(nèi)分配

羅定古欖水文站水面蒸發(fā)主要集中在5—10月，占年蒸發(fā)量的63.6%；月最大蒸發(fā)量出現(xiàn)在7月，占年蒸發(fā)量的12.3%，月最小蒸發(fā)量出現(xiàn)在1—3月，占年蒸發(fā)量的15.6%。

3.2 年際變化及趨勢(shì)

采用M-K檢驗(yàn)法對(duì)羅定古欖站的年蒸發(fā)序列進(jìn)行趨勢(shì)分析，從M-K曲線中的UF(見圖5)可以看出，1979—1991年UF曲線波動(dòng)上升；1988—1991年超過α=0.05(U0.05=1.96)的顯著性水平臨界值，期間上升趨勢(shì)明顯；從1992年開始至2002年UF曲線持續(xù)下降，在2003年出現(xiàn)了一個(gè)小幅上漲以后曲線平穩(wěn)波動(dòng)，UF值≤0但沒有超過顯著性水平臨界值，證明下降趨勢(shì)不明顯。從歷年總蒸發(fā)量的過程線上看，水面蒸發(fā)量逐年變化成波動(dòng)性，在變化過程中前期蒸發(fā)偏多，后期偏少，變化幅度不算顯著。

圖5 蒸發(fā)量的Mann-Kendal檢驗(yàn)曲線示意

4 徑流特征

4.1 徑流補(bǔ)給和年內(nèi)分配

羅定江流域徑流主要來源于降水補(bǔ)給，河川基流小，洪峰水量集中，洪峰水量的大小取決于降水，降水的時(shí)空分布決定了徑流在年內(nèi)、年際及時(shí)段上的分配特征[5]。由于1983年—2004年該站流量停測(cè)，因此徑流數(shù)據(jù)用1959—1982年和2005—2021年的流量資料進(jìn)行分析。

羅定古欖水文站多年平均流量為25.2 m3/s，多年平均徑流量為7.97億m3/s，年內(nèi)最小流量出現(xiàn)在1—3月，占8.7%；4月以后氣溫逐漸升高，清明前后開始春汛降水量增多，流量逐漸增大；5—10月份受龍舟水和臺(tái)風(fēng)雨的影響，降水集中，河流補(bǔ)給充足，占年徑流總量的75.4%，流量過程與降水過程基本相對(duì)應(yīng)；11—12月降水逐漸減少，河流退水，占年徑流總量的10.3%(見圖6)。

圖6 羅定古欖水文站多年平均月徑流量年內(nèi)分配示意

4.2 豐枯水劃分

利用羅定古欖水文站年徑流P-III型頻率曲線，采用頻率分析法確定統(tǒng)計(jì)參數(shù)和各頻率設(shè)計(jì)值作為劃分徑流量豐平枯水年標(biāo)準(zhǔn)[6-7](見表3)。

表3 羅定古欖水文站年徑流量豐平枯水年劃分標(biāo)準(zhǔn)

在以上范圍內(nèi)，找出相應(yīng)的模比系數(shù)值，得出各特征年的模比系數(shù)值(見表4)：

表4 羅定古欖站年徑流模比系數(shù)Kp值

模比系數(shù)Kp=某一年徑流量/多年平均徑流量

(1)

該站年徑流量呈現(xiàn)交替性，豐水年、枯水年、平水年交替出現(xiàn)，且由表5可以看出，該站在各年代出現(xiàn)偏豐水年的幾率最大，平水年次之，豐水年最小。早年(1959—1982年)豐水年偏多，近年(2005—2021年)沒有豐水年份，且特枯水年份出現(xiàn)的概率是早年的7倍。

表5 羅定古欖站不同時(shí)段豐平枯水年統(tǒng)計(jì) a

4.3 年際變化及趨勢(shì)

徑流年際變異性常用變差系數(shù)Cv與年際極值比來表示，Cv用來說明水文變量長期變化的穩(wěn)定程度，其值越大，年徑流量的年際變化越大，是反應(yīng)年際變化不均勻性的重要指標(biāo)[8-9]。由表6可知，羅定古欖水文站年徑流年際變率相對(duì)較小，徑流量較穩(wěn)定。

表6 羅定古欖水文站年徑流特征值 108 m3/s

采用M-K檢驗(yàn)法對(duì)羅定古欖站的年徑流量序列進(jìn)行趨勢(shì)分析(見圖7)：1959—1972年，UF曲線上下波動(dòng)；1972—2005年，UF值>1，但沒有超過0.05顯著性水平置信線，說明該時(shí)間段年徑流量上升趨勢(shì)不明顯；從2006年起，UF<0，說明年徑流量呈下降趨勢(shì)，且在近幾年一度低于0.05顯著性水平置信線，徑流量進(jìn)入短期顯著減少階段。

圖7 徑流量的Mann-Kendal檢驗(yàn)曲線示意

5 洪水特征

羅定江雖處粵西的大云霧山、云開大山的背風(fēng)坡，但靠近南海，流域東南分水嶺均有缺口，故臺(tái)風(fēng)影響較大，其歷史調(diào)查洪水及實(shí)測(cè)大洪水多為臺(tái)風(fēng)暴雨所形成。洪水多發(fā)于8—10月，一般年份有2～3場(chǎng)中等以上洪水出現(xiàn)，干流洪水歷時(shí)約3 d，洪水規(guī)模相對(duì)較小，特點(diǎn)是匯流時(shí)間短、來勢(shì)猛、暴漲暴落、持續(xù)時(shí)間較短。羅定古欖水文站歷史實(shí)測(cè)最高洪峰水位為12.03m，發(fā)生于1972年11月9日，洪峰流量為 1 860 m3/s，超50年一遇。對(duì)該站的歷史洪水調(diào)查計(jì)算，重現(xiàn)期5 a、10 a較為常見，洪峰流量分別是1 130 m3/s 和1 350 m3/s；重現(xiàn)期20 a、50 a的洪峰流量分別是1 560 m3/s和1 810 m3/s，出現(xiàn)概率小。

羅定江上游建有金銀河、羅光、湘垌、山垌、山田5座中型水庫，由于水庫蓄水，每年首場(chǎng)洪水一般偏小，后期洪水如果調(diào)蓄不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致人工洪峰，改變洪水天然傳播規(guī)律。

6 結(jié)語

1) 該站降水量年內(nèi)分配不均，年降水量出現(xiàn)在 1 499.9～1 599.9 mm的頻率最高；在年際變化中曾出現(xiàn)短暫的明顯上升趨勢(shì)，但其他年份降水變化不顯著，降水偏少時(shí)期和偏多時(shí)期呈現(xiàn)周期性交替。

2) 蒸發(fā)量年內(nèi)分配受季節(jié)性影響明顯，年際變化成波動(dòng)性，在變化過程中前期蒸發(fā)偏多，后期偏少，變化幅度不算顯著。

3) 徑流量年內(nèi)分配不均勻，流量過程與降水過程基本相對(duì)應(yīng)。該站在各年代出現(xiàn)偏豐水年的幾率最大，但近年(2005—2021年)出現(xiàn)特枯水年份的概率增大，可能是因?yàn)闅夂虻淖兓⒘髁繙y(cè)驗(yàn)方式的改進(jìn)或是受附近水利工程的影響。徑流量年際變率相對(duì)較小，但近兩年進(jìn)入短期顯著減少階段。

4) 近幾年出現(xiàn)徑流與降水量不匹配的情況，是因?yàn)楦浇こ淘谏嫌沃苯咏亓鳎橛靡蚴墙晁畮煺{(diào)節(jié)和人類活動(dòng)干預(yù)比較頻繁，導(dǎo)致徑流減少；根據(jù)目前對(duì)中國眾多流域的研究發(fā)現(xiàn)，人類活動(dòng)對(duì)于流域徑流量變化的貢獻(xiàn)率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過50%[10-12]。因此，需注意低水流量的監(jiān)測(cè)，保障好生態(tài)流量。

5) 本文主要用Mann-Kendal檢驗(yàn)和較為簡單的水文統(tǒng)計(jì)學(xué)法對(duì)歷年的水文資料進(jìn)行分析，對(duì)水文情勢(shì)變化趨勢(shì)有一定的參考價(jià)值，但是Mann-Kendal檢驗(yàn)只能揭示過去時(shí)間序列的趨勢(shì)特征，對(duì)流域未來水文情勢(shì)發(fā)展趨勢(shì)的指導(dǎo)性不強(qiáng)，本次未能詳細(xì)分析水利工程建設(shè)等要素的情況，分析結(jié)果有一定的局限性。