劉 偉, 何俊仕, 陳 楊

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院, 沈陽(yáng) 110161)

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渾河流域降水與徑流變化特征及同步性分析

劉 偉, 何俊仕, 陳 楊

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院, 沈陽(yáng) 110161)

為了科學(xué)預(yù)測(cè)渾河流域降水對(duì)徑流的影響，利用渾河流域1956—2011年56年的逐月降水與徑流資料，借助累積距平、滑動(dòng)平均等方法分析了渾河流域降水量與徑流量的變化趨勢(shì)及時(shí)間尺度上的相關(guān)性。結(jié)果表明：(1) 渾河流域降水集中在6—9月(7月最大)，徑流集中在7—8月，且流域降水年內(nèi)分配的不均勻性由上游至下游逐漸遞增，而徑流年內(nèi)分配的不均勻程度總體呈現(xiàn)由上游至下游逐漸減小的趨勢(shì)。(2) 渾河流域降水量與徑流量的相關(guān)系數(shù)為0.682，累積距平曲線和滑動(dòng)平均曲線均顯示渾河徑流量與降水量的年際變化趨勢(shì)是一致的，70年代之前好于70年代之后，豐水年份好于枯水年份。結(jié)合累積距平曲線和滑動(dòng)平均曲線分析得出渾河流域降水量和徑流量具有較高的相關(guān)性，可為渾河流域水資源的可持續(xù)利用及區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的永續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

降水量; 徑流量; 變化趨勢(shì); 渾河

降水是水文要素在時(shí)空上發(fā)生變化的重要影響因子，也是徑流形成的首要環(huán)節(jié)。降雨在河槽水面上的雨水可以直接形成徑流。近幾十年受氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響，區(qū)域水循環(huán)過程發(fā)生了明顯的變化[1-2]，其中以降水的頻率與強(qiáng)度變化最為明顯。王厚杰等研究了黃河徑流量的變化情況，發(fā)現(xiàn)黃河徑流在降水量減少和用水量劇增的共同影響下減小顯著[3]。降水和徑流的改變將會(huì)對(duì)流域的可持續(xù)發(fā)展造成直接影響，而研究區(qū)徑流來源主要為降雨徑流，而在渾河流域，沿岸大大小小數(shù)十個(gè)排污口持續(xù)排污，要保證流域的可持續(xù)發(fā)展，降雨就尤為重要。所以，研究流域降水量的變化趨勢(shì)，分析徑流量的變化趨勢(shì)是否與降水量的變化趨勢(shì)一致，研究降水與徑流的變化是否同步，這將在預(yù)防流域洪澇災(zāi)害、維護(hù)流域水資源的可持續(xù)利用方面發(fā)揮重要作用。

渾河為遼河支流，屬于不對(duì)稱水系。近年來，很多學(xué)者對(duì)渾河土地利用和覆被變化、治污排污等方面做了大量研究，但對(duì)流域降水、徑流的變化趨勢(shì)等方面研究較少。本文以渾河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，利用滑動(dòng)平均法、累積距平法等方法分析渾河1956—2011年降水與徑流的年內(nèi)、年際變化特征，探討降水變化對(duì)徑流變化的影響，分析徑流對(duì)降水的響應(yīng)，從而為渾河流域水資源的可持續(xù)利用及區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

渾河流域地處遼寧中部(北緯122.13°—125.21°，東經(jīng)40.71°—42.17°)，南鄰太子河，北接遼河，東與渾江毗鄰，為遼河支流。全長(zhǎng)415.4 km，流域面積11 481 km2。渾河為不對(duì)稱水系，東側(cè)支流密集，水量豐富，西側(cè)支流很少，水量不大，渾河流域水系圖參見圖1。

圖1渾河流域水系圖

渾河流域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷漫長(zhǎng)，夏季炎熱多雨，春季干燥多風(fēng)沙，秋季歷時(shí)短，年內(nèi)溫差較大[4]。流域多年平均降水量718.3 mm，年徑流量30.52億m3。流域內(nèi)降水時(shí)空分布極不均勻，地區(qū)分布差別較大，東多西少，由東向西逐漸遞減，蒸發(fā)量則西南向東北呈遞減狀態(tài)；降雨集中在7—8月，且尤以7月下旬至8月上旬為暴雨集中期，同時(shí)降水年際變化大。流域生成暴雨天氣系統(tǒng)的主要有西南系統(tǒng)(臺(tái)風(fēng)、華北氣旋、渤海氣旋)、西北系統(tǒng)(高空槽、冷峰)和東北系統(tǒng)(東北低壓倒槽)。

2　資料來源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

本研究所用降水?dāng)?shù)據(jù)和水文資料為渾河干流北口前站、撫順站、沈陽(yáng)站、黃臘坨站和邢家窩棚站5個(gè)雨量站1956—2011年56 a逐月降水量資料以及逐月徑流量資料。

2.2研究方法

2.2.1滑動(dòng)平均滑動(dòng)平均用時(shí)間序列的平滑值來顯示變化趨勢(shì)，是趨勢(shì)擬合技術(shù)的基礎(chǔ)方法。對(duì)樣本量為56 a的降水、徑流序列，計(jì)算其7 a滑動(dòng)平均序列，可表示為

(1)

式中：k——滑動(dòng)長(zhǎng)度，在本研究中取7。經(jīng)過滑動(dòng)平均后，序列中短于滑動(dòng)長(zhǎng)度的周期大大削弱，顯現(xiàn)出變化趨勢(shì)[5]。

2.2.2累計(jì)距平累計(jì)距平是一種常用的由曲線直觀判斷變化趨勢(shì)的方法[5]。對(duì)降水、徑流序列，其某一時(shí)刻t的累計(jì)距平可表示為

(2)

2.2.3不均勻系數(shù)采用年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cv來評(píng)價(jià)降水、徑流年內(nèi)分配的不均勻性。Cv值越大，說明年內(nèi)各月降水量、徑流量相差越懸殊，Cv值越小，說明年內(nèi)各月降水量、徑流量越均衡。降水量和徑流量年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cv的計(jì)算公式如下：

(3)

2.2.4相關(guān)性分析相關(guān)性分析可參照董曉輝等[6]關(guān)于降水、徑流相關(guān)性的計(jì)算方法，公式為：

(4)

(5)

-1≤σx，y≤1

(6)

式中：x，y——逐年降水量系列和水文測(cè)站的逐年徑流系列；xi，yi——逐年降水量系列和水文測(cè)站的逐年徑流量系列中的單一數(shù)據(jù)值；ux，uy——逐年降水量系列和水文測(cè)站的逐年徑流量系列的均值；n——系列長(zhǎng)度(本研究中取n=56)；σx，σy——逐年降水量系列和水文測(cè)站的逐年徑流量系列的標(biāo)準(zhǔn)差。ρx,y絕對(duì)值的大小表征的是逐年降水量系列與水文測(cè)站的逐年徑流量系列的線性相關(guān)程度。當(dāng)ρx，y絕對(duì)值越大，則逐年降水量系列和水文測(cè)站的逐年徑流量系列的線性相關(guān)程度較好，反之亦然。當(dāng)ρx,y=0時(shí)，逐年降水量系列和水文測(cè)站的逐年徑流量系列不相關(guān)。

3　結(jié)果與分析

3.1降水與徑流年內(nèi)特征協(xié)同分析

3.1.1降水與徑流年內(nèi)分配比例分析降水量在年內(nèi)各月份的分配情況可以發(fā)現(xiàn)(圖2)，渾河干流各雨量站6—9月份為年降水量比較集中的時(shí)期，占全年降雨量的72.7%，其中均以7月份降水量最大，其次分別為8月份、6月份和9月份。7月份均超過年降水量的25%，平均達(dá)到26.7%，而撫順和邢家窩棚7月份降水量更是占到全年降水量的27.3%和27.4%；8月份除邢家窩棚站全年降水量的26.2%外，其余各雨量站降水量占全年降水量的比例均超過年降水量的20%，平均為23.2%；6月份各雨量站降水量占全年降水量的11.5%～14.7%；9月份各雨量站降水量較5月份略大，平均占全年降水量的9.4%。而12月到次年3月份降水量所占比例最小，各雨量站平均僅為8%，是研究區(qū)域一年當(dāng)中降水較少的時(shí)段。

分析各水文測(cè)站徑流的年內(nèi)分配情況可以看出(圖3)，各測(cè)站年最大徑流量多集中在7—8月份，其中又以8月份流量最大，流域各測(cè)站8月份徑流量約為全年平均徑流量的3.3～3.9倍，平均為3.6倍。以渾河上游北口前水文站為例，其多年平均徑流量8月份最大，僅次之的7月份多年平均徑流量不及8月份的70%，9月份約為8月份的1/3。渾河中游的撫順、沈陽(yáng)兩站年徑流最大月份集中在6—9月，其中以8月份最大。下游的黃臘坨和邢家窩棚年徑流量主要集中在7—8月兩個(gè)月，其中邢家窩棚8月份徑流量尤為集中，約為同測(cè)站7月份徑流量的2倍。

圖2渾河流域各月降水量占年降水量比例

圖3渾河流域河川徑流年內(nèi)分配

從降水量和徑流量的年內(nèi)分配來看，降水量主要集中在6—9月，其中7月份是降水量最大的月份，超過年降水量的25%；流域徑流量主要集中在7—8月，其中又以8月份最為集中。降雨量和徑流量年內(nèi)分配具有相似的特征，但在下游測(cè)站表現(xiàn)最為突出，中游次之，與降水年內(nèi)分配特征相比，徑流年內(nèi)分配更為集中。

3.1.2降水量年內(nèi)分配不均勻性采用年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cv來評(píng)價(jià)降水、徑流年內(nèi)分配的不均勻性。Cv值越大，說明年內(nèi)各月降水量、徑流量相差越懸殊，Cv值越小，說明年內(nèi)各月降水量、徑流量越均衡。渾河北口前站、撫順站、沈陽(yáng)站、黃臘坨站和邢家窩棚站5個(gè)雨量站的多年平均降水量不均勻系數(shù)Cv分別為1.066，1.152，1.147，1.120，1.242，其中最大的為邢家窩棚，其次分別為撫順站和沈陽(yáng)站，最小的為北口前站。這就說明渾河干流年內(nèi)降水量分配最不均勻的為下游邢家窩棚站，其次為中游撫順、沈陽(yáng)，降水量年內(nèi)分配最均勻的為渾河上游。5個(gè)水文站中，上中游的口前站和撫順站年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cv值較高，中游的沈陽(yáng)站Cv值約為1.104，下游的黃臘坨站和邢家窩棚站徑流量年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cv值分別為0.885，0.934，整個(gè)渾河干流徑流量年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cv值總體呈現(xiàn)由上游至下游逐漸減小的趨勢(shì)，這與降水量年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cv值的變化趨勢(shì)恰好相反(圖4)。

圖4渾河降水量年內(nèi)分配不均勻系數(shù)

3.2降水與徑流年際變化趨勢(shì)協(xié)同分析

3.2.1累積距平采用時(shí)間序列累積距平線分析渾河徑流量與降水量的年際變化特征，當(dāng)距平值增加時(shí)，累積距平曲線呈上升趨勢(shì)，表示徑流量和降水量為增加趨勢(shì)；當(dāng)距平值減小時(shí)，累積距平曲線就表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，說明徑流量和降水量具有減小趨勢(shì)。同時(shí)，根據(jù)累積距平曲線的上下波動(dòng)情況，可以判斷長(zhǎng)期顯著的演變趨勢(shì)，甚至可判斷序列發(fā)生突變的大致時(shí)間。

圖5累積距平曲線十分直觀、清晰地表現(xiàn)出近56 a來渾河降水量與徑流量的顯著波動(dòng)。渾河流域降水量在1956—1976年屬于交替變化且振幅不大，但在1977—2011年波動(dòng)劇烈，具體是在1977—1981年下降后于1982—1988年轉(zhuǎn)變?yōu)檠杆偕仙?，而?988—1993年交替的小幅下降后，于1994—1996年大幅上升到歷年峰值，在1996年后，一直處于下降趨勢(shì)，在2009年開始回升。渾河流域徑流1958—1976年也表現(xiàn)為豐枯交替變化且振幅不大，1977—2006年表現(xiàn)為長(zhǎng)周期減少短周期回升趨勢(shì)，累積距平線接近于水平趨勢(shì)，變化不大。總體來講，徑流變化較降水變化小，1956—1958年渾河徑流量與降水量變化存在較好的一致性，1958—1976年徑流與降水雖均交替變化但徑流振幅較小，1977—2006年徑流主要表現(xiàn)長(zhǎng)周期特征而徑流則在長(zhǎng)周期變化中還包含小幅振蕩的短周期。這表明徑流變化在受降水影響的同時(shí)還具有一定的調(diào)節(jié)作用。

3.2.2滑動(dòng)平均由圖6可以看出，20世紀(jì)50年代中期至60年代中期，渾河降水量呈逐漸下降趨勢(shì)。20世紀(jì)70年代初期至末期逐漸下降到低點(diǎn)后逐漸上升在80年代初期達(dá)到最高點(diǎn)，在80年代初期到90年代末期，雖略有浮動(dòng)，但是總體呈下降趨勢(shì)，在90年代末期達(dá)到最低值后一直處于少雨階段，并持續(xù)至今，雖有小幅波動(dòng)，但無(wú)明顯的上升或下降趨勢(shì)。而渾河徑流量在20世紀(jì)50年代中期至60年代后期也呈下降趨勢(shì)；同樣，在20世紀(jì)70年代初期至末期逐漸下降到最低點(diǎn)后，逐漸上升，在80年代初期達(dá)到一個(gè)較高點(diǎn)，在80年代初期到90年代初期，呈波動(dòng)變化，到90年代后期至今則為持續(xù)上升趨勢(shì)。但總體上講，渾河徑流量與降水量的變化趨勢(shì)是一致的，1971年之前降水和徑流變化一致性很高，70年代之后徑流和降水的峰谷變化趨勢(shì)一致，但峰值的豐水年份徑流與降水一致性好于谷值的枯水年份，說明在降水偏豐的年份降水對(duì)徑流的影響更為明顯，可能是氣候變化和人類活動(dòng)等其他因素對(duì)枯水年份的降雨徑流關(guān)系影響較大。

圖5渾河降水量與徑流量的累積距平

圖6渾河流域降水與徑流量滑動(dòng)平均

3.2.3相關(guān)分析利用相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)合上述計(jì)算公式分析渾河流域1956—2011年56 a逐年降水量與水文站相同時(shí)段內(nèi)的逐年徑流量的相關(guān)性。由公式計(jì)算得到1956—2011年渾河流域逐年降水量與同時(shí)期水文站逐年徑流量的相關(guān)系數(shù)為0.682，渾河流域的降水量與徑流量的相關(guān)系數(shù)很大，渾河流域降水量與徑流量有很高的相關(guān)性。

4　結(jié) 論

渾河流域降水量和徑流量的年內(nèi)分配都比較集中，其中降水量集中在6—9月，徑流量集中在7—8月，降水最大的月份為7月，徑流最大的月份為8月，這一規(guī)律下游測(cè)站表現(xiàn)最為突出，中游次之，與降水年內(nèi)分配特征相比，徑流年內(nèi)分配更為集中。渾河流域徑流量年內(nèi)分配的不均勻程度總體呈現(xiàn)由上游至下游逐漸減小的趨勢(shì)，這與降水量年內(nèi)分配的不均勻程度變化趨勢(shì)恰好相反,這可能與下墊面、水庫(kù)調(diào)蓄、取水等自然與人為活動(dòng)等因素對(duì)徑流進(jìn)行調(diào)節(jié)有關(guān)。

年際變化方面，渾河流域降水、徑流均呈遞減趨勢(shì)，1956—1958年渾河徑流量與降水量變化存在較好的一致性，但階段性變化趨勢(shì)存在一定差異，1958—1976年徑流與降水變化趨勢(shì)基本一致，但徑流振幅較小，1977—2006年徑流主要表現(xiàn)長(zhǎng)周期特征而徑流則在長(zhǎng)周期變化中還包含小幅振蕩的短周期?；瑒?dòng)平均結(jié)果也顯示，渾河徑流量與降水量的變化趨勢(shì)是一致的，70年代之前降水和徑流變化基本一致，70年代之后徑流和降水的峰谷變化趨勢(shì)一致，但豐水年份徑流與降水一致性好于枯水年份，表明降水偏豐的年份降水對(duì)徑流的影響更為明顯，可能是氣候變化和人類活動(dòng)等其他因素對(duì)枯水年份的降雨徑流關(guān)系影響較大。通過分析渾河流域1956—2011年56 a逐年降水量與水文站相同時(shí)段內(nèi)的逐年徑流量的相關(guān)性，得到該時(shí)間段內(nèi)渾河流域逐年降水量與同時(shí)期水文站逐年徑流量的相關(guān)系數(shù)為0.682，渾河流域的降水量與徑流量的相關(guān)系數(shù)很大，同時(shí)結(jié)合累積距平曲線和滑動(dòng)平均曲線分析得出渾河流域降水量和徑流量具有較高的相關(guān)性。

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Variation Characteristics and Synchronicity Analysis of the Precipitation and Runoff in Hunhe River Basin

LIU Wei, HE Junshi, CHEN Yang

(CollegeofWaterConservancy,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang110161,China)

To forecast the effect of precipitation on runoff scientifically, the change trend and the correlation time scales of basin precipitation and runoff in Hunhe River basin are analyzed with the help of accumulated anomaly and 5-year moving-average method based on the monthly data of precipitation and runoff in Hunhe River basin within 56 years(1956—2011). The results showed that: (1) the precipitation and runoff concentrated from June to September (especially in July)， and runoff concentrated from July to August, the precipitation inhomogeneity increased gradually from upstream to downstream within a year, but the non-uniform of runoff decreased from upstream to downstream; (2) the correlation coefficient between precipitation and runoff in Hunhe River basin was 0.682, both the cumulative departure curve and moving average curve showed that the inter-annual variation trend of runoff and precipitation in Hunhe River basin were consistent, and the trend was more obvious after 1970s than before 1970s, more obvious in wet years than in dry years. The conclusion of runoff highly correlated with the precipitation is presented, which can provide scientific basis for the sustainable utilization of water resources and regional society and economy sustainable development in Hunhe River basin.

precipitation; runoff; change trend; Hunhe River

2015-03-27

2015-07-20

劉偉(1979—),男,遼寧鐵嶺人,博士研究生,從事水資源開發(fā)利用研究。E-mail:syaulw@163.com

何俊仕(1957—),男,遼寧沈陽(yáng)人,教授,從事水資源開發(fā)利用研究。E-mail:hejsh@163.com

P333

A

1005-3409(2016)01-0150-05