西北半干旱地區河流徑流量變化特征研究

李春玲,楊彩霞

(中水北方勘測設計研究有限責任公司,天津 300222)

1 概 述

在我國西北半干旱地區,生態環境較為脆弱,自然因素和人類活動對河流徑流有著重要影響,河流徑流的變化會引起嚴重的生態安全問題。當河流徑流量變大時,形成不同程度的洪澇災害;當河流徑流量變小時,在高溫條件下會造成嚴重災情,影響農田灌溉。

為此,許多學者對河流徑流的特征進行了多方面研究。劉柏君等[1]對干旱區河流徑流演變及成因進行了分析,結果表明,清水河徑流變化主要受流域氣候變化與水土保持治理的影響。倪明霞等[2]對氣候變化下南疆主要河流徑流變化及水資源風險進行了研究,結果表明,在降水極端少的干旱年份,冰川融水徑流量在總徑流量中的占比遠高于流域平均水平。郭曉娜等[3]對山東省主要河流近60年徑流變化及其歸因進行了分析,結果表明,河流徑流變化受氣候變化和人類活動的共同影響。王萬禎[4]對石羊河流域主要河流徑流演變特征及趨勢進行了分析,結果表明,流域內主要河流年徑流量變化受大氣降水與冰雪消融影響明顯。崔豪等[5]對氣候變化與人類活動影響下大清河流域上游河流徑流響應進行了研究,結果表明,在河流徑流量的變化中,人類活動為影響徑流的主導因子,氣候變化較人類活動影響徑流稍小。徐俏等[6]研究了氣候因素對白洋淀上游主要河流徑流的影響,結果表明,氣溫變化影響徑流量的大小,而降雨周期變化對徑流周期影響更顯著。

以上文獻以多個水域為例,對河流的徑流變化進行了研究,對影響徑流的因素進行了分析。本文參考上述文獻,以神木市境內烏蘭木倫河和牛河為例,對西北半干旱地區的河流徑流量變化特征進行研究,研究成果可為水資源開發利用提供參考。

2 研究區概況

研究區為陜西北部的神木市,該市地處黃河中游,長城沿線,為陜北黃土丘陵向沙漠的過渡地帶。地形西北高而東南低,最高點海拔為1 448.7m,最低點海拔738.7m;年平均降水量440.8mm,降水主要集中在7-9月份;年平均水面蒸發量1 336.6mm,為降水量的3倍。研究區地貌主要分為土石山區、丘陵溝壑區和沙漠草灘區,區內有大型煤礦13個,小型煤礦100多個;河流主要由黃河、窟野河、烏蘭木倫河和牛河以及部分支流組成內陸水系。

本文選取烏蘭木倫河和牛河作為研究對象,采用神木氣象站和水文站1970-2022年逐月水文資料作為研究的基礎數據,根據對水文數據的分析,對烏蘭木倫河和牛河的徑流量變化特征進行研究。

3 研究方法

河川徑流的形成、分布和變化,主要受氣候、地形和人類改造自然活動的影響,影響徑流量的因素有河流補給、地形、流域面積及蒸發量等。本研究采用徑流量歷時曲線法、降雨歷時曲線法、累積曲線法等分析方法,對烏蘭木倫河和牛河的徑流量和降雨量變化趨勢進行研究,并對徑流量的變化特征進行分析。

4 研究結果與分析

4.1 河流徑流量年內變化特征

根據神木氣象站和水文站1970-2022年逐月水文資料,烏蘭木倫河和牛河徑流量年內逐月分布情況見圖1。

圖1 河流年內徑流量分布圖

由圖1可知,河流的徑流量隨著月份的不同均呈上下波動趨勢,并且具有兩個波峰的特點。由圖1(a)可知,在1970-1989年時,烏蘭木倫河在3、4月份的徑流量分別為14.64和10.74m3/s;在1990-2009年時,河流3、4月份的徑流量分別為11.35和9.37m3/s;在2010-2022年時,河流3、4月份的徑流量分別為7.35和5.89m3/s。由圖1(b)可知,在1970-1989年時,牛河在3、4月份的徑流量分別為13.22和6.28m3/s;在1990-2009年時,河流3、4月份的徑流量分別為9.95和4.32m3/s;在2010-2022年時,河流3、4月份的徑流量分別為3.82和1.94m3/s。由于該時期雪水融化,雨量增多,河流處于豐水期,徑流量相較于1和2月份明顯增加。

在5、6月份時,由于河流處于枯水期,在該時期降水量減少,河流補水量不足,且表面水份蒸發較大,河流徑流量減少。由圖1(a)可知,在1970-1989年時,烏蘭木倫河7、8月份的徑流量分別為15.63和20.18m3/s;在1990-2009年時,河流7、8月份的徑流量分別為10.25和11.53m3/s;在2010-2022年時,河流7、8月份的徑流量分別為5.55和7.09m3/s。由圖1(b)可知,在1970-1989年時,牛河在7、8月份的徑流量分別為11.71和23.4m3/s;在1990-2009年時,河流7、8月份的徑流量分別為10.29和13.42m3/s;在2010-2022年時,河流7、8月份的徑流量分別為2.61和3.39m3/s。由于該時期處于降雨季節,降水較大,各支流匯入河流,在此階段河流徑流量最大。

烏蘭木倫河3、4月份的徑流量在1970-1989年占全年比例的17.3%;在1990-2009年占全年比例的18.5%;在2010-2022年占全年比例的17.6%,河流徑流量變化較小。烏蘭木倫河7、8月份的徑流量在1970-1989年占全年比例的24.4%;在1990-2009年占全年比例的20.5%;在2010-2022年占全年比例的16.8%。河流徑流量逐漸減小,減小速度有明顯變化。

牛河3、4月份的徑流量在1970-1989年占全年比例的21.9%;在1990-2009年占全年比例的24.7%;2010-2022年占全年比例的22.5%,河流徑流量變化較小。牛河7、8月份的徑流量在1970-1989年占全年比例的39.5%;在1990-2009年占全年比例的41%;在2010-2022年占全年比例的23.5%。河流徑流量在1970-2009年變化較小,在2009年后逐漸減小,減小幅度為17.5%,變化極為明顯。

4.2 河流徑流量年際變化特征

根據神木氣象站和水文站1970-2022年水文資料,烏蘭木倫河和牛河徑流量年際變化特征見圖2。

圖2 河流年際徑流量分布圖

由圖2可知,烏蘭木倫河和牛河的年徑流量曲線呈上下波動趨勢,根據其擬合曲線,河流的徑流量呈線性減小。由圖2(a)可知,烏蘭木倫河在1970-2020年的年平均徑流量為2.83×108m3,其中最大徑流量發生在1978年,為4.94×108m3。根據水文資料,在該時期烏蘭木倫河地區暴雨較多,降水匯集河流,引起河流徑流量快速增加。由圖2(b)可知,牛河在1970-2020年的年平均徑流量為1.48×108m3,其中在1978年河流徑流量快速增大。該時期徑流量最大為3.21×108m3,次年河流徑流量快速減小,1988年河流達到年際最大徑流量為3.64×108m3。根據烏蘭木倫河和牛河年徑流量擬合曲線,兩條河流的徑流量變化趨勢基本相似。

根據神木氣象站和水文站1970-2022年水文資料,烏蘭木倫河和牛河的年徑流量距平累積曲線見圖3。

圖3 年徑流量距平累積變化特征

由圖3可知,徑流量的特征為階段式變化。根據曲線的變化特征,烏蘭木倫河在1970-1988年,河流的年徑流量距平累積快速增大,變化趨勢極為明顯;1989-1995年,河流的年徑流量距平累積增加趨勢逐漸變緩,處于相對穩定狀態;1996-2008年,河流的年徑流量距平累積處于緩慢下降趨勢,曲線較緩;2009-2022年,河流的年徑流量距平累積快速下降,表示河流的徑流量在該階段急劇減小。

與烏蘭木倫河的年徑流量距平累積曲線相似,牛河在1970-1988年,河流的年徑流量距平累積快速增大;1989-1994年,河流的年徑流量距平累積處于相對平穩狀況;但在1995年,河流的年徑流量距平累積快速增大,達到最大值16.01×108m3;1997年,開始小幅度下降,然后再上升;在1998-2007年,河流的年徑流量距平累積處于緩慢下降趨勢,其中2007年時河流的年徑流量距平累積有小幅度上升;在2008年后極速下降,變化趨勢極為明顯,表明該時期河流的徑流量快速減小。

由此可知,兩條河流的年徑流量距平累積變化趨勢均先快速增大再逐漸趨于穩定,隨著年份的增加,年徑流量距平累積再緩慢減小,最后快速減小。

4.3 降雨量變化特征

根據神木氣象站和水文站1970-2022年水文資料,神木市降雨量年際變化見圖4。

圖4 降雨量年際變化

由圖4可知,年際降雨量呈無規律上下波動狀態。在1975年,年降雨量最小,最小值為138mm;在1976年,年降雨量最大,最大值為726mm。由降雨量的擬合曲線可知,年際降雨量呈緩慢減小趨勢。在1970年,年際平均降雨量最大,最大雨量為396.4mm;在2022年,年際平均降雨量最小,最小雨量為343.2mm。由此可知,隨著年份的增長,年際降雨量呈逐漸緩慢下降的趨勢,且逐年的降雨量上下波動,無明顯規律。其中,1976年年降雨量最大;1975年年降雨量最小。

4.4 降雨和人類活動對徑流變化的影響

累積降水量和累積徑流量的雙累積曲線變化特征,可以反映人類活動對河流徑流量的影響。根據神木氣象站和水文站1970-2022年水文資料,神木市降雨量和徑流量雙累積曲線見圖5。

圖5 累積降水量和累積徑流量曲線

由圖5可知,在人類活動較弱的條件下,降水量的大小對河流徑流量影響較大,雙累積曲線有小幅度波動現象,其變化趨勢基本保持線性狀態;隨著年份的增加,人類活動增強且活動范圍增大的情況下,雙累積曲線的增大趨勢逐漸下降,由于自然環境的改變,河流的徑流也逐漸改變。

烏蘭木倫河和牛河的雙累積曲線在前期階段均保持平穩狀態,隨著累積降水和累積徑流量的增加,曲線逐漸變化。根據水文資料,結合雙累積擬合曲線,烏蘭木倫河在1990年前、牛河在2000年前,影響河流徑流量的變化主要為自然降水,雨水充足時,徑流量增大,遭遇干旱時,徑流量減小。隨著年份的增加,人類對河流徑流量的影響逐漸增大,河流徑流量逐漸減小。

5 結 論

本文以烏蘭木倫河和牛河為例,對西北半干旱地區的河流徑流量變化特征進行了研究。結論如下:

1)烏蘭木倫河和牛河的徑流量隨著月份的不同均呈上下波動趨勢。在3、4月份時,雪水融化,雨量增多,徑流量增大;在5、6月份時,河流處于枯水期,河流補水量不足,河流徑流量減少;在7、8月份時,該時期處于降雨季節,降水較大,此階段河流徑流量最大。

2)隨著年份的增長,烏蘭木倫河和牛河的年際降雨量呈逐漸緩慢下降的趨勢;烏蘭木倫河在1990年前、牛河在2000年前,影響河流的徑流量變化主要為自然降水,隨著人類對自然環境的改造,人類對河流徑流量的影響逐漸增大,河流徑流量逐漸減小。