黄河源区径流年内分配变化规律分析_郑红星

收稿日期:2003-08;修订日期:2003-11 基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(G1*******-01);第32届博士后基金资助。

作者简介:郑红星(1973-),男,福建人,博士后,主要从事水文水资源研究。

文章编号:1007-6301(2003)06-0585-06黄河源区径流年内分配变化规律分析郑红星1,刘昌明1,2(1.中国科学院地理科学与资源研究所100101; 2.北京师范大学环境科学研究所100875)摘　要:河川径流的年内分配特征与特定的径流补给条件关系密切。

在气候变化以及人类活动的影响下,河川径流的年内分配特征也发生着相应的变化,直接影响水资源的开发利用以及生态系统的健康。

本文根据黄河源区主要测站1952～1997年的月天然径流资料,分析了年内分配不均匀系数、集中度和集中期、变化幅度等特性。

结果表明:1)黄河源区径流的年内分配特征20世纪90年代和70年代较为接近,而80年代则与60年代较为接近。

2)90年代的径流年内分配特征出现了较大的变化,突出表现在汛期径流量的减少;3)玛曲水文站径流年内分配的不均匀性、集中度以及相对变化幅度都略高于唐乃亥,而绝对变化幅度则较小。

关　键　词:年内分配;径流;黄河源区中图分类号:P344;P343.11　引言河川径流的年内分布特征不仅影响人类社会系统的安全,同时也影响自然生态系统的健康。

一方面,河川径流的丰枯变化通常引致水资源供需关系的改变并影响水资源的开发利用;另一方面,河川径流的节律性变化影响着与其相关的一系列物理、化学和生物过程。

河川径流的年内分配与径流补给条件密切相关,河川径流年内分配特征的变化对应着径流补给条件的变化。

在气候变化以及人类活动的驱动下,河川径流的年内分布发生着相应的变化。

径流年内分配的变化必然给水资源管理、农业以及水生生态系统带来一系列的影响[1～5]。

黄河河源区一般指河源至唐乃亥区间,可分为三段,即黄河源头区、黄河沿至玛曲区间和玛曲至唐乃亥区间(图版Ⅳ图1)。

由于自然因素和人类活动的影响,黄河源区原始的景观和脆弱的生态系统遭受了一定程度的破坏,出现了土地沙化、草原退化、水量减少乃至断流等一系列严重的生态环境问题。

这些问题不仅严重制约源区社会经济的发展,同时也影响着黄河中下游沿河地区的工农业生产和生活用水[6,7]。

本文试图通过黄河源区玛曲和唐乃亥两个水文站1956年以后至1997年的月径流实测资料的分析,认识河源区径流年内分配的变化规律,为流域的水资源开发利用提供科学依据。

第22卷第6期2003年11月地　理　科　学　进　展PROG RESS IN GEO GRA PHY 22,N o.6N ov.,20032　径流年内分配特征的描述方法径流的变化通常包含“量”和“结构”的变化。

前者通常是指径流总量、流量等数值上的变化。

而后者则注重从径流过程线的“形状”上进行分析,它反映不同时段内径流的比例。

本文径流年内分配特征的分析即属于后者。

径流年内分配特征的标度有多种不同方法[8,9],通常使用较多的有各月(或季)占年径流的百分比数、汛期～非汛期占年径流的百分比数等。

除了上述方法之外,为了进一步定量分析黄河源区水循环的变化,本文采用年内不均匀系数、集中度(期)以及变化幅度等不同指标,从不同角度分析径流年内分配特征的变化规律。

2.1　不均匀性由于气候的季节性波动,气象要素如降水和气温都有明显的季节性变化,从而在相当大程度上决定了径流年内分配的不均匀性。

综合反映河川径流年内分配不均匀性的特征值有许多不同的计算方法。

本文用径流年内分配不均匀系数C v 和径流年内分配完全调节系数C r 来衡量径流年内分配的不均匀性。

径流年内分配不均匀系数C v 的计算公式如下:C v =e /R -,e =∑12i =1(R i -R -)2,R -=112∑12i =1R (t )(1)式中,R (t )为年内各月径流量,R -为年内月平均径流量。

由式(1)中可以看出,C v 值越大即表明年内各月径流量相差悬殊,径流年内分配越不均匀。

径流年内分配完全调节系数,在有些文献中也称为径流年内分配不均匀系数[8],开始时作为径流完全调节的一种计算,以后移用作年内分配的指标。

年内分配完全调节系数的定义如下式(2)。

表1给出了黄河源区不同区段径流年内分配不均匀性的变化特征。

C r =∑12i =1j (t )[R (t )-R -]/∑12i =1R (t ),j (t )=0,R (t )<R -1,R (t )≥R-(2)表1　黄河源区径流年内分配不均匀性Tab .1　Unevenness of annual runof f distribution in the headwater of Yellow River 时段指标C r C v 玛　曲唐乃亥玛　曲唐乃亥多年平均0.300.310.690.6860年代0.320.300.780.7370年代0.290.300.730.7380年代0.340.320.850.8290年代0.280.270.680.642.2　集中程度集中度和集中期的计算是将一年内各月的径流量作为向量看待,月径流量的大小为向量的长度,所处的月份为向量的方向[8,9]。

从1月到12月每月的方位角θi 分别为0,30,60,…,360度,并把每个月的径流量分解为x 和y 两个方向上的分量,则x 和y 方向上的向586地 理 科 学 进 展 22卷量合成分别为:R x =∑12i =1R (t )cos θi ,R y =∑12i =1R (t )sin θt (3)于是径流的合成为:R =R 2x +R 2y (4)定义集中度C d 和集中期D 如下式:C d =R /∑12i =1R (t ),D =arctg (R y /R x )(5) 由式(5)可以看出,合成向量的方位,即集中期D 指示了月径流量合成后的总效应,也就是向量合成后重心所指示的角度,即表示一年中最大月径流量出现的月份。

而集中度则反映了集中期径流值占年总径流的比例。

从这个角度看,集中度与通常采用的汛期径流占全年径流比有明显的相关关系。

表2给出黄河源区各区段径流年内分配的集中度和集中期。

表2　黄河源区径流年内分配的集中度和集中期Tab .2　Concentration rate and period of annual runoff distribut ion in the headwater of Yellow River 时段指标C r C v 玛　曲唐乃亥玛　曲唐乃亥多年平均0.450.457.97.960年代0.470.468.07.970年代0.440.457.97.980年代0.500.487.97.990年代0.430.417.57.52.3　变化幅度径流变化幅度的大小对于水利调节和水生生物的生长繁殖都有重要的影响。

变化幅度过大,水资源的开发利用难度相应增加,水利调节的力度就必须相应地加强。

另一方面,河川径流形势适当的变化幅度是一些水生生物重要的生存条件,过于平稳或者过于激烈的变化则可能导致水生生物生境的破坏,威胁生态安全。

本文用两个指标来衡量河川径流的变化幅度,一个是相对变化幅度,即取河川径流最大月流量(Q max )和最小月流量(Q min )之比,如式(6);另一个是绝对变化幅度,即最大最小月河川径流之差,定义如式(7)。

表3为黄河源区不同区段径流年内变化幅度的计算结果。

表3　黄河源区径流年内变化幅度Tab .3　Variation range of annual runoff distribut ion in the headwater of the Yellow River 时段指标C m ΔQ /m 3s -1玛　曲唐乃亥玛　曲唐乃亥多年平均11.610.21109145560年代11.410.01162139270年代10.110.21025141780年代14.312.21407192690年代10.27.9877310235876期 郑红星等:黄河源区径流年内分配变化规律分析C m =Q max /Q max(6)ΔQ =Q max -Q min (7)3　结果分析3.1　径流年内分配时间上的变化根据表1～3所得的结果以及图2可以看出,玛曲水文站的径流年内分配的不均匀性,不论是年内分配不均匀系数还是年内分配完全调节系数的变化规律都基本相似,即表现为20世纪70年代和90年代的不均匀性较小,而60和80年代径流年内分配的不均匀性较高,其中以90年代径流年内分配的不均匀性为最小,而80年代最高。

从径流年内分配的集中性看(表2),玛曲水文站的径流年内分配集中度70年代和90年代较小,而60年代和80年代较大。

其中90年代的集中度为最小(0.43)。

就集中期而言,60～80年代,玛曲水文站的径流集中期为7月底8月初。

到90年代,集中期有所提前,为7月中旬。

相对多年平均而言,径流集中期约提前半个月。

从径流年内变化幅度看,相对变化幅度和绝对变化幅度在70年代和90年代都较低,而以80年代为最高。

总体上看,玛曲水文站的径流年内分配60年代与80年代较为相似,都表现为明显的“双峰型”,其峰值分别出现在7月份和9月份;而70年代与90年代相似,“双峰”的特征不是十分明显(图2)。

由图2中还可以看出,玛曲水文站90年代径流量明显小于其它年代,而这种差距主要表现在汛期(7～10月)水量的差异上。

这在一定程度上蕴示了气候波动的影响。

图2　黄河源区径流年内分配特征(左:玛曲;右:唐乃亥)Fig .2　Dist ributio n of annua l r uno ff in the headw ate r of the Yello w Riv er (left :M aqu ;righ t :Tangnaihai )588地 理 科 学 进 展 22卷分析唐乃亥水文站径流年内分配规律的变化可以发现,总体而言,其变化规律与玛曲水文站基本相似,即表现为60年代和80年代的径流年内分配具有较高的不均匀性、径流的变化幅度相对较大、集中度较高,而集中期出现于7月底;相反,70年代和90年代,径流年内分配相对较为均匀、径流变化幅度小,而集中度也较低,集中期则提前至7月中旬。

由图2进一步还可以看出,60年代和80年代径流年内分配曲线为明显的“双峰型”,峰值分别出现在7月和9月;而70年代和90年代则为“单峰型”,其峰值在70年代出现在9月份,而90年代则出现在7月份。

图2还表明,90年代唐乃亥径流量较其它年代小,其差距主要表现在汛期的水量差异上。

3.2　径流年内分配空间上的差异比较玛曲水文站和唐乃亥水文站径流年内分配的特征可以看出,虽然两者时间上的变化特征较为相似,但是由于受集水面积等因素的影响,它们的径流年内分配也存在一些差异。