降雨径流变化趋势与径流耦合关系的统计分析

降雨径流变化趋势与径流耦合关系的统计分析

1降雨径流动态变化的年际变化东江是珠江水系的三大河流之一。它是清远、惠州、东莞、深圳等主要水源，也是香港重要的水源。东江流域的水文气候变化是学界关注的研究重点之一,特别是近几十年来,随着人类活动影响的加剧以及水库及闸坝的增多,东江流域的降雨径流关系发生了深刻变化,有关东江流域降雨和径流特征及其变化趋势的研究亦日益丰富。王渺林和夏军以SCS模型为基础,建立了东江流域的月水量平衡模型,并得出“径流对降雨的敏感性远大于对气温的敏感性,降雨量的变化将直接影响径流量”的结论。石教智等对东江流域降雨径流变化趋势及其原因进行了分析,发现东江流域降雨和天然径流的演变过程由于受自然和人为因素的综合影响而日趋复杂,且降雨与径流的相关性随着年代推移有减弱趋势。董满宇等对近50年来东江流域降雨变化趋势进行了分析,发现流域年降雨量呈现不显著增加趋势,年降雨日数则表现为减少趋势,流域年平均降雨强度总体变化趋势不明显。王兆礼等分析了东江流域径流系数年际变化特征,发现流域径流系数序列呈不显著的上升趋势,并存在不同时间尺度的周期性变化规律和突变点。然而上述研究或侧重于降雨分析,或侧重于径流分析,或侧重于周年尺度的年际对比,较少有对年内不同时期降雨径流特征的年际对比,尤其未能对降雨径流关系年内分配及变化趋势的规律进行总结并开展成因探讨。本文拟通过对东江流域长序列降雨和径流资料的统计分析,侧重于从年际对比角度揭示两者的年内变化特征,并在此基础上就两者间的耦合关系及其演变规律开展讨论,以期为东江流域的水生态恢复和水环境管理提供水文气候方面的科学依据。2江苏地带江洋市东江是广东省的四大水系之一,发源于江西省寻邬县桠髻钵山,源区包括寻乌、安远、定南三县,上游称寻乌水,流至广东省龙川县合河坝与安远水汇合后始称东江,再自东北向西南流经龙川、河源、紫金、惠阳、博罗、东莞等县市后注入狮子洋(图1)。整个东江流域属亚热带季风气候,年均温约为21℃,年降雨约1800mm。东江干流全长约560km,平均坡降为0.35‰,流域总面积约3.5万km2。东江流域现有各类蓄水工程约7562宗,总库容192.3亿m3,这些水利工程改变了地表及河流的自然形态,影响到河流的水文情势。3数据来源与研究方法3.1径流水文数据降雨数据来源于东江流域及其周边地带共18个气象台站1958年-2010年的逐月降雨序列(国家气象信息中心气象资料室,中国气象科学数据共享服务网/);径流水文数据来自广东省水利电力局所提供的博罗水文站1958年-2010年逐月平均流量序列。博罗水文站是东江干流下游区主要控制站,其上游汇水面积达25325km2(占东江流域总面积71.7%)。博罗汇水区降雨随季节变化十分明显,在时间和空间尺度上均能整体反映东江流域的降雨径流关系。3.2学习方法3.2.1对降雨资料插值的计算降雨是东江径流最主要的来源,因而理论上年径流和年降雨的相关程度会非常高。本文选择克里格法(KrigingInterpolation)对东江博罗站以上汇水区各气象台站的降雨资料进行插值计算。具体过程为通过水文分析模块提取博罗站汇水区,编写批处理程序对流域内及周边18个气象台站的降雨数据进行插值,对所获576幅插值图层逐层统计,最终获得博罗站汇水区长序列月降雨量数据。3.2.2降雨、径流数据分析本文使用水文统计中常用的滑动平均法、线性回归、M-K(Mann-Kendall)法、相关分析方法等对东江流域降雨、径流数据进行统计分析。其中M-K(Mann-Kendall)非参数统计法是世界气象组织推荐使用的一种方法,运用该法能够有效检测序列的变化趋势,并能大体确定突变点位置,因而在气象及水文序列趋势及突变检测中已有广泛应用。4结果分析4.1汉江流域降水和径流的一般特征4.1.1年5月5期降雨特征经统计,近50年来东江流域年均降雨量约为1800mm,降雨主要集中在东南季风盛行期的4月-9月,此期降雨量占全年降雨的79%。降雨的地域分布呈从上游至下游逐渐递增趋势,即东北少,西南多。博罗站是东江干流最靠近入海口的水文监测站,其多年平均径流总量达236.49亿m3。与降雨的年内分配颇为相似,博罗站径流亦主要集中在4月-9月,同期径流占年径流总量的71.4%。4.1.2径流年际变化特征东江流域年降雨量及年径流总量多年变化趋势如图2所示。流域年降雨呈微弱的增加趋势(但未达显著性水平),增加速率为4.07mm/10a。径流年际变化亦有增加趋势(同样未达显著性水平),增加速率为0.7亿m3/10a。由图2知,降雨与径流的年际变化趋势十分同步,其相关系数达0.89(p<0.01)。这也验证了降雨确是东江流域径流的主要来源。4.1.3降水和径向流的年特征4.2降水与径向流的关系分析4.2.1年，降水与径向流之间的年变化4.2.2降雨对3年生月降雨的影响统计结果表明,博罗站以上东江流域的年降雨量与年径流总量的相关系数高达0.89(p<0.01),说明流域天然径流与降雨之间密切相关。再分析近50年来流域月降雨量与月径流量之间的相关关系,可以看出,多雨季降雨与当月径流相关性明显高于少雨季。而历年出现最高月降雨量的6月,其径流与降雨间的相关系数亦达最高(r=0.837,p<0.01)(表1)。除此外,径流相对于降雨还存在一定的延迟效应。这一效应在雨季前期尤为明显。比如3月径流不仅与当月降雨相关(r=0.713、p<0.01),且与1月和2月的降雨都保持着较高,甚至更高的相关关系(1月:r=0.500,p<0.01,2月:r=0.748,p<0.01)。4.2.3年生时期径流特征对年度最高、最低月降雨量以及年度最高、最低月径流量的统计分析结果,进一步揭示了流域降雨与径流的对应关系及其变化趋势。就降雨来说,近50年来年度月降雨量的最高值并未出现显著的增加或者减小趋势,年度月降雨量的最低值亦是如此。然而,如图5所示,历年月径流最大值呈现不显著降低趋势,降低速率为94.35m3/10a,而历年月径流最小值则呈现出显著的升高趋势,升高速率为38.38m3/10a(p<0.01)。统计结果还显示,径流最大月份与降雨最大月份多数出现重合(重合率达73%),而径流最小月与降雨最小月则多为错开(重合率仅为25%)。这或许说明,不断增多的人工水利设施如闸坝等,其调控径流功能在旱季较雨季发挥的作用更为突出,对径流的影响亦更为明显。4.3径向流系数的变化趋势4.3.1建立径流系数径流系数(runoffcoefficient)是一定汇水面积内任意时段地表径流量与同时段降雨量的比值,该系数值反映着同期降雨转变为径流的比例,因而是一个简单而又包含了众多要素的指标,综合体现着流域内自然和人文地理要素对降雨形成径流过程的影响。引入径流系数概念,可进一步说明降雨与径流的关系及其变化趋势。对流域年径流系数年际变化的线性趋势分析可知,多年间该流域的年径流系数并无明显升高或降低趋势,保持在0.52左右(图6)。4.3.2径流最小月径流系数相比较于年变化趋势,径流最大月径流系数变化趋势亦不显著,然而径流最小月径流系数的年际变化却呈现出明显增加趋势(增加速率为0.9/10a,p<0.05)。并且随着时间的推移,径流最小月径流系数从最初的小于1逐渐波动升高,直至达最高值18.8。这一结果表明,在逐渐增强的人为调控下,旱季径流逐渐变为更多地由水库补给,其对同季自然降雨的依存度大大减小,甚至径流可达当季降雨量的10~20倍(图6)。5讨论和结论5.1径流特征在湿地月降雨、枯水期及其年径流水通过对东江流域降雨径流的总体特征分析,可知近50年来流域的年降雨与年径流总量并未出现显著的增或减趋势。流域内的径流与天然降雨密切相关,年径流的变化趋势与年降雨的变化趋势大体一致。自20世纪60年代初起,东江流域修建了三大控制性水库,分别为1962年、1974年及1985年建成的新丰江水库、枫树坝水库和白盆珠水库。三大水库的建成使得东江博罗以上受控制面积达46.4%,对流域的水文情态产生许多直接影响,尤其是表现在以下两点:(1)对径流年内特征的分析表明,在年内月降雨分配未出现明显增加或减少趋势的前提下,多雨季对应的丰水期月径流量占年总径流比例却呈显著的下降趋势,而少雨季对应的枯水期径流占年径流比例则出现显著的上升趋势。这是由于水库每年于汛末蓄水、在枯水期补水,有效发挥了水库“蓄丰补枯”的补水调节作用,使得径流在年内的分配越来越趋于均匀化。(2)统计分析结果表明,降雨与径流之间的密切相关关系有减弱趋势,表明流域内的径流越来越多地受到人类活动的影响,降雨和径流的关系日趋复杂。这种影响不仅包括水库和闸坝对水文情态的调控,而且包含了经济发展、城市化加剧等对下垫面条件的改变进而影响到流域的产汇流过程。从年内分配来看,少雨季降雨与径流之间的相关关系明显弱于多雨季。而历年月降雨、月径流极值的统计分析表明,径流最大值呈现不显著降低趋势,月径流最小值则呈现显著的升高趋势。这些结果都表明,人工水利设施如闸坝在常年发挥作用的同时,其对径流的调控影响在少雨季表现得更为明显和突出。这种“补枯”作用在径流系数上也有很明显的体现。统计表明,东江流域长序列下的年降雨总量与年径流总量比例大体处于稳定水平,而径流最小月径流系数的年际变化则呈现出明显增加趋势。旱季径流与当季降雨比例显著增大的事实,进一步说明了旱季径流逐渐由依赖降雨演变为更多由水库、闸坝补给调控。5.2径流的变化特征(1)近50年来东江流域的年降雨与年径流总量并未出现显著的增或减趋势,流域径流主要来源于降雨,两者关系密切。由于人为调控影响,东江流域径流量在年内的分配渐趋于均匀化。(2)东江流域降雨与径流之间的密切相关关系有减弱趋势,降雨和径流的关系日趋复杂。月尺度下,雨季径流对当季降雨响应更为明显,而人类活动对径流影响则在旱季更为突出。随时间推移,东江流域旱季径流由基本依赖降雨逐渐演变为更多地由水库、闸坝补给调控。人类活动对东江流域径流的影响逐渐加强。经趋势检验知,从年年,博罗站年径流量呈上升趋势(UF>0),1963年至1974年呈下降趋势(UF<0),1974年后直至2010年,除2004年和2005年间有短暂下降趋势外,年径流总体处于上升趋势,但均未达p=0.05的显著性水平,见图3。图3显示1958年,1962年,1973年,2003年,2004年,2008年,2009年为径流突变点(UF与UB存在交点)。自1970年代初起直至2001年,径流总体趋势相对稳定,无突变点出现。而2000年-2010年的近10年期间,径流变化无明显规律,突变点较多且变化较剧烈。这与董满宇所得出东江流域年平均降雨突变年份:1959年,1961年,1963年,1975年,1983年,1991年,2003年,2004年大体对应,进一步说明降雨是控制东江流域径流的决定性因素,降雨的变化趋势和突变状况在很大程度上影响着东江流域径流的年际变化趋势及突变发生。据统计,近50年来东江流域各月降雨占全年比例变化趋势皆不显著。为进一步说明降雨与径流的年内分配特征,本文将4月-9月界定为东江流域的多雨季,11月-12月至翌年1月-2月为少雨季。据统计,从1958年-2010年,东江流域多雨季降雨占全年降雨比例平均值为0.79,少雨季占全年降雨比例均值为0.15,整体不存在显著增加或下降趋势。进而分析月径流占年总径流比例的年际变化,发现随时间推移,多雨季同期径流占全年径流总量的比例呈显著下降趋势