延河流域主要水文要素时变过程分析

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简介： 对延河流域降水、径流和泥沙等水文要素从20世纪中叶到21世纪初的年内分配及年际变化进行了时变过程分析。以探求区域植被重建对流域水文过程的影响情况。结果表明，三个水文基本要素都有不同程度的年内分布趋于均匀和年际变化趋缓的趋势。20世纪70—90年代比60年代流域平均面雨量分别减少了10.5%，11.7%和14.0%，年径流量分别减少了19.0%，12.9%和22.6%，年输沙量分别减少了21.1，%46.2%和41.7%。
关键字：延河流域 时变 主要水文要素

文献标识码：A    文章编号：1000—288X（2005）01—0000—00  中图分类号：

Temporal Change Analysis of Hydrological Factors

in the YanHe River Basin

Basang Chilie¹, MU Xing-min^2,3,WANG Shuang-yin³,GAO Peng^2,3,WANG Wei^2,3

（ 1.The Tibet Bureau of Hydrology， Lhasa 850000，Tibet China;

2.Institude of soil and Water Conservation ,CAS and MWR, Shaanxi Yangling 712100，China;

3. Northwest Sci-Tech University of Agriculture and Forestry Shaanxi Yangling 712100,China）

Abstract: The main hydrology factors in one river includes precipitation, runoff and sediment discharge. These three hydrology factors are impacted largely by regional land use/ land cover change. The YanHe River Basin with the area of 7725km² and in middle of the Loess Plateau, is one of the hot-spots for regional afforestation and soil ＆ water conservation in China. So studying on the temporal change of the main hydrology factors in the YanHe River Basin is very essential for providing the basic information and supporting the decision of local government.

We collected the precipitation data and worked out the regional tendency from the 6 wide-spreaded rain gauge stations from the middle of 20^th century to 21^st century. We also got the runoff and sedimentation discharge data from 2 hydrology stations in the same period. It’s founded:

1) The monthly distribution of each of those three main hydrology factors tended to be uniform, and the yearly change was prone to be tempered.

2) Compared to the average in 1960s, the annual precipitation in the 1970s, 1980s and 1990s in the basin, has respectively reduced by 10.5%, 11.7% and 14.0%.

3) The annual water yield in the basin has separately reduced by 14.1%, 13.1% and 21.4%.

4) The annual sediment discharge reduced by 21.1%, 46.2% and 41.7%.

Keywords: the YanHe River Basin; Temporal Change; the Main Hydrology Factors 

　　延河流域位于黄土高原水土流失较严重的区域，长期以来由于土地利用不合理，滥垦、滥伐、滥牧，导致水土流失加剧，农业自然资源遭到严重破坏，以至造成生态经济系统失调，水旱灾害频发，给当地群众生产生活带来严重威胁。随着区域水土保持治理措施的加强，流域下垫面条件发生了系统性变化，而流域水文规律主要决定于气候气象条件及下垫面条件。下垫面条件的改变能显著改变水量平衡各要素的对比关系 ^[1]。因而针对流域生态水文方面的研究近来也变得越发重要和急需。本文所进行的水文要素时变过程分析，正好迎合了这一研究潮流，通过探究各要素自20世纪中叶至21世纪初的变化趋势分析，力求能够对区域水文响应过程及状况的分析提供专业支持。

1 流域概况

延河是黄河右岸、中游区上段的河口镇至龙门段的一级支流，位于东经108°45′—110°28′，北纬36°23′—37°17′之间，发源于陕西省靖边县东南天赐湾乡周山，由西北向东南流经志丹、安塞、宝塔、延长等四县区，在延长县南河沟乡凉水岸附近汇入黄河。延河干流总长286.9km，流域面积7725 km²，平均坡度为4.3‰，河网密度约为4.7km/ km²，主要支流有杏子河、西川、蟠龙川和南川等^[2]。流域多年平均降水量为495.6mm，年平均气温9℃，主要灾害类型为旱灾、霜冻、冰雹及暴雨。流域内黄土丘陵沟壑面积占全流域的90％，其中延长以上为黄土梁峁状丘陵沟谷区，安塞至延长之间沿河一带为河阶地，延长以下为黄土宽梁残塬沟谷区，流域出口处为黄土覆盖石质丘陵沟谷区^[2]。

流域内设有20多处分布比较均匀的雨量站，水文站有上游杏河流域的杏河站（379km²）、延水流域延安站（3208km²）及下游控制断面甘谷驿站（6150km²（1957-1964年）、5898km²(1965-1970年)、5891km²(1971-1989年)）等3个。

2 降雨径流年内分配

2.1资料与方法

降水分析采用了蟠龙（1956—1989年）、招安（1957—1989年）、化子平（1953—1989年）、甘谷驿（1952—2000年）、安塞（1956—2001年）和邻近周河流域志丹（1952—1987年）等6个系列较长的雨量站实测资料；流量分析采用了流域出口控制站甘谷驿站1957—2003年的实测资料；泥沙分析采用了甘谷驿站1952—2000年的实测含沙量和输沙量资料。并利用降水—径流、站—站相关等方法，对相应缺测资料进行了适当插补。

降水、径流年内分配分析采用了不均匀系数C_L法，即通常用大于年平均流量的累积值（以计）与超过年平均流量的天数乘年平均流量值（以nQ₀计）之差与一年的总经流量的比值来表示。C_L值越大，说明降水、径流也越集中，年内分配越不均匀。由于此法计算过程繁琐，为简化起见，可用月平均流量值代替日平均流量^[3]。

其公式为：                                 或 

式中：C_L—降水、径流年内不均匀系数；

P_m、Q_m—大于月均值的各月降水、径流量；

P₀、Q₀—月平均降水径流量； K—月降水、径流量大于月平均降水、径流量的个数。

2.2  年内分配分析

　　延河流域各水文要素的年内分配很布均匀（图1），其中多年平均降水量年内分配主要集中在夏季，尤其汛期3个月（7—9月份）占年降水量的60.6％，其中7—8月份最大，12月和1月份最小；径流的年内分配情况与降水略有不同，除了汛期所占比例达到56.9％外，3月份的径流量相对枯季其它月份的大一些，出现了小的汛情（春汛情况），这与少量冰雪融水补给有关；而含沙量的年内分配和季节变化与暴雨洪水分布有密切关系，且比降水、径流量更集中。最大月平均含沙量出现在7或8月,约占年含沙量的90%，连续最大4个月（6—9月）含沙量占全年的95%—99%，除5月份有少量泥沙外，其余月份几乎没有河流泥沙情况。

　　从长系列年内分配变化情况及不同年代分配变化过程看(表1、表2及图2)：降水量多年平均C_L为0.43,最大的0.55,最小的0.31。可以看出降水量C_L的年际变化不大，总体上略有下降的趋势，和超过机率略有分散的趋势，说明降水分布略趋均匀。超过月平均值的月份也主要集中在5—10月，其中7月份年年超过了均值，8月份次之，而12—翌年2月历来没有超过均值；径流量多年平均C_L为0.37，最大的0.53，最小的0.20,与降水相比变幅更大而且在上下波动中也有逐步变小的趋势，超过机率分布情况也出现了分散趋势，说明年内分配趋于缓和。超过均值的月份主要集中在7—10月，而并没有出现年年都超过均值的现象，其中7，8月超过机率最高，3月份和6，9，10月份差不多，平均也有40%左右的超过均值机率，12和1月一直小于均值；泥沙的分配情况也随径流的变化和暴雨洪水的分布变化而变化，而且7，8月占比例明显趋平了。

表1  延河流域水文要素不同年代年内分配统计  

表2    延河流域降水和径流不同年代超过平均月值的机率统计

3 年际变化

化分年际变析时，降水量考虑到延河流域面积相对小、雨量站分布基本均匀而且站点密度较高的特点，直接采用了算术平均法求出流域面雨量；径流分析中，考虑到流域控制站资料系列的单位统一和站点迁移所带来的面积因素影响，采用径流深代替了径流量；各要素频率分析采用了PⅢ型频率分析软件^*进行适线和频率计算^{[4] [5]}。

3.1年值分析

　　延河流域多年平均面雨量为495.6mm，流域最大为840mm（1964年），最小267.5mm（1997年）。1952—2001年的变差系数Cv＝0.245，Cs＝2Cv，1952—1969年的Cv＝0.254，Cs＝2.5Cv，1970—2001年Cv＝0.236，Cs＝2Cv，呈逐步减小趋势。流域面雨量历年时变过程和不同年代变化也呈弱减小趋势（图3和表3）；流域径流量的年际变化总的趋势是逐渐减少，1957—2003年Cv＝0.378，Cs＝3Cv，1957—1969年Cv＝0.472，Cs＝3.5Cv，1970—1989年Cv＝0.394，Cs＝2.5Cv，1990—2003年Cv＝0.348，Cs＝3Cv，随着年代的向后推移，流域不同年代平均径流量、极值比和变差系数等特征值都出现了减少趋势（图3和表3）；从年输沙量过程线（图3）中可以看出延河流域输沙量年际变化很大，除了1977年，其余年份自20世纪70年代以来有明显减小的趋势。1953—2000年Cv＝0.828，Cs＝2Cv，1953—1969年Cv＝0.816，Cs＝2Cv，1970—1979年Cv＝0.943，Cs＝2Cv，1980—1989年Cv＝0.838，Cs＝3.5Cv，1990~2000年Cv＝0.842，Cs＝2Cv，随着年代的推进，流域不同年代平均输沙量、极值比和变差系数等特征值也都出现了明显减少的趋势（表3）。

3.2 暴雨分析

本文分析了1952—1989年间延河流域降雨资料。流域最大1d降水量出现在1983年8月14日（金盆湾站）为170.1mm，从1952—1989年暴雨频率分析（Cv＝0.386，Cs＝2Cv）中可以看出，此次暴雨已经接近了100a一遇的强度，而1977年在招安站出现的165.9mm为次最大值，也超过了50a一遇的强度。频率小于25％的特大暴雨在70年代之前没有出现过，而70年代出现了1次，80年代2次。从1952 年以来，尽管面雨量有逐渐减少趋势，但最大1d降水量次数则有增加的情况，说明暴雨分布的不确定性很大。

3.3  洪水分析

延河流域出口控制站的洪峰流量在实测资料（1957—1989）中特大值出现在1977年7月6日，为9050 m³/s，超过了该站实测资料频率分析（Cv＝0.755，Cs＝2Cv）结果的1000a一遇洪量。从不同年代最大洪峰流量分析，70年代前后的洪量大小有明显差异，超过2000 m³/s的20世纪60年代有3次，而70、80年代各只有1次，说明流域下垫面条件的改变对流域降水产流机制所产生的影响很大，对流域暴雨洪水一定的削峰和滞洪作用。

3.4  经流系数分析^[6]

　　径流系数是指流域出口断面径流量与相应集水区降水量的比值。通过分析径流系数可以在消除集水面积影响下能够衡量单位降水在流域内产水量的大小及变化情况。流域径流系数有逐年减小的趋势（图4），也就是单位降水量所产生的径流量在逐步减少，说明流域生态治理增强了下垫面的降雨入渗能力，增大了流域植被的下渗量和截留量，从而影响了流域产汇流机制的通常状况，对出口控制站的洪峰流量起到了缓解和削峰的作用。  

4 结 论

经过对延河流域自20世纪50年代初以来的降水、径流及泥沙实测资料进行时变过程分析，可以判断出，区域水土流失治理措施对流域水文响应的影响程度，其中对降水量变化的影响相对小些，而对径流尤其是对河流泥沙的影响很明显。降水量的年内分配变化不大，不均匀系数变幅也很小，面雨量的年际变化也不大，变差系数随年代在缓慢变小；径流量的年内分配变化比降水要大，不均匀系数在波动中逐步变小趋势，年径流量的年际变化比降水剧烈，变差系数也比降水量大，而且逐步在减小；河流泥沙情况，随降水、径流的变化而变化，尤其是受流域暴雨洪水的分布和变化的影响更大。含沙量年内分配的变化情况，主要是最大两个月间逐步趋向平均，年输沙量的年际变化比径流的变化还大，变差系数也大，并随着流域治理程度的逐步加大，年输沙量在显著变小。

各水文要素总体从20世纪70年代以来开始呈现明显的减少趋势。上世纪70—90年代流域面雨量phngj面雨量，较60年代分别减少了10.5%，11.7%和14.0%； phngj年径流量分别减少了19.0%，12.9%和22.6%；年输沙量分别减少了21.1%，46.2%和41.7%。

[ 参 考 文 献 ]

[1]穆兴民.黄土高原水土保持对河川径流及土壤水文的响应[D].杨凌:中国科学院水利部水土保持研究所.2002

[2]张孝中，张经济，冀文慧,等.无定河延河流域水沙变化现状、成因及发展趋势的研究[R].陕西省水土保持勘测规划研究所.1998..

[3]汤奇成，李秀云 中国科学院地理研究所 径流年内分配不均匀系数的计算和讨论[J].自然资源学报,1982（3）:59－65.

[4] 中华龙—水文频率分析CAD系统[Z].http://www.wiseperson.com

[5] 水利水电工程设计洪水计算规范[S]. 44-93

[6]黄锡荃，李惠明，金伯欣，等. 水文学[Z].高等教育出版社,1998

收稿日期：2004-07

资助项目：中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX3-SW-421)；Regional impacts of re-vegetation on water resources of the Loess Plateau, China and the Middle and Upper Murrumbidgee Catchment, Australia

作者简介：巴桑赤烈(1976-),男(藏族),西藏日喀则，助工，从事水文水资源，“中国科学院人才援藏计划培养”学者。电话（0891）6554824 E-mail:bscl52168@163.com

通信作者：穆兴民，电话（029）87012875 E-mail:xmmu@ms.iswc.ac.cn