太子河流域6个主要支流径流系数变化及其与降水的关系

太子河流域6个主要支流径流系数变化及其与降水的关系

径向流系数是指特定集水区内的总流量与当年的降雨量之比。径向流系数反映了降水转化为径向流的比例，充分考虑了流域内自然地理因素对降水形成径向流过程的影响。在某种程度上，可以确定流域内的水循环程度和时间的变化。一些科学家认为，直径流系数可以视为随机变量，其分布函数是流域气候物理机制的反映。年平均流量流量系数随一年随机变化，不确定性很大。然而，多年平均流量系数相对稳定，反映了流域水循环过程的时空变化。因此，流域内径流系数的变化特征对分析区域水资源、水循环和洪水灾害具有重要意义。径流系数受自然地理要素的综合影响.目前对于径流系数的相关研究主要集中在两方面:1)将径流系数作为参照去研究与之相关的现象,所选研究区多为试点小流域和试验流域.如穆兴民等利用试点小流域平行对比观测方法,研究了黄土高原沟壑区小流域治理对流域地表径流的影响;Kang等在流域试验点研究了从裸土到不同植被覆盖和耕作方式下各种坡度坡长上的降雨径流关系;Basic等分析了不同耕作方式下的径流和土壤流失.2)对径流系数的变化趋势及其影响因素的分析.如Chen等研究了黄河发源地的气候因子对径流系数的影响,结果表明,降雨和温度是影响径流系数的主要因素;郭华等研究了鄱阳湖流域1955—2002年径流系数变化趋势及其与气候因子的关系.太子河是辽宁省东部的主要水系之一,流经本溪、辽阳、鞍山等重要工业城市,该流域是我国重要的经济区和重工业基地之一,也是辽宁省重要的产粮区,人类活动强烈,目前对该流域径流资料的相关研究尚鲜见报道.本文研究了1967—2006年太子河流域6个主要支流年、月径流系数以及降水量的变化特征,分析了降水量对该流域径流系数的影响,以期为正确认识太子河流域水文过程特征及其水资源的合理开发利用等提供理论依据和技术支撑.1研究领域和方法1.1红石子山河流水文、年、2006年、2006年4月1日变化太子河流域(40°00′—42°00′N,122°00′—125°00′E)位于辽宁省境内,是浑太流域的子流域(图1).太子河发源于新宾县红石砬子山,流经本溪、辽阳、鞍山3市,流域面积13883km2,河长413km,主要支流有海城河、南沙河、北沙河、兰河、细河、汤河、太子河南支,分别从南、北、东汇入太子河,这些子流域主要为丘陵山地,植被以天然次生林为主,夹杂人工林.太子河流域属温带半湿润和半干旱季风气候,四季分明,雨热同季,日照丰富,干燥多风,年均气温5℃～10℃.太子河流域1967—2006年径流量和降水量数据源于各条支流的水文测站和雨量站(表1).1.2学习方法1.2.1径流系数的确定径流系数(a)指某时段内的径流量(R)与同期降水量(P)的比值,公式为a=R/P.根据研究区各子流域的集水面积和实测的降水数据即可算出降水量,径流量可根据实测值算出,据此可得出相应时段的径流系数.1.2.2大小表征变化速度ay=ax+b(1)式中:y为径流系数;x为年;a为线性方程斜率,其大小表征变化速度,正值表示增加,负值表示减少;b为截距.通常将a称为倾向率,可定量描述时间序列的趋势变化特征.1.2.3秩序列sk分析本文利用非参数统计检验方法Mann-Kendall法对降水量和径流系数的时间变化趋势进行检验.非参数检验方法也称无分布检验,其优点是不需要样本遵从一定的分布,也不受少数异常值的干扰,更适于类型变量和顺序变量,计算简便,而且可以明确突变开始的时间.对于具有n个样本量的时间序列x,构造一秩序列:sk=n∑i=1ri(2)sk=∑i=1nri(2)当xi>xj时,ri=1,否则ri=0(j=1,2,…,i).因此,秩序列sk是i时刻数值大于j时刻数值个数的累计数.假设时间序列随机独立,统计量可定义为:UFk=[sk-E(sk)]√Var(sk)(k=1‚2‚⋯‚n)(3)式中:UF1=0;E(sk)和Var(sk)分别为sk的均值和方差,在x1、x2、…、xn相互独立且具有相同连续分布时,其计算公式如下:E(sk)=n(n+1)4(4)Var(sk)=n(n-1)(2n+5)72(5)UFi为标准正态分布,它是按时间序列x顺序(x1,x2,…,xn)计算出的统计量序列(UFk),给定显著性水平α,查正态分布表,若|UFi|>Uα,表明序列存在明显的趋势变化.按时间序列x逆序(xn,xn-1,…,x1)序列(UBk)再重复上述过程,同时使UBk=-UFk,k=n,n-1,…,1,UBn=0.计算顺序时间序列的秩序列sk和逆序时间序列的sk,分别得出UFk和UBk,给定显著性水平α,将UFk和UBk序列曲线和Uα值的两条直线均绘在一张图上进行分析.若UFk或UBk值大于0,表明序列呈上升趋势,小于0则表明呈下降趋势.当UFk和UBk序列曲线超过临界直线时,表明上升或下降趋势显著.超过临界线的范围确定为出现突变的时间区域.如果UFk和UBk两条曲线出现交点,且交点在临界线之间,那么交点对应的时刻便是突变开始的时间.利用DPS数据处理系统(V7.05版)中的时间序列分析模块进行Mann-Kendall统计量曲线的绘制.2结果与分析2.1太子河流域年流量系数的变化趋势和变化2.1.1水流动力学分析由图2可以看出,1967—2007年,太子河南支的年均径流系数较大(0.53),而海城河和北沙河的年均径流系数较小(低于0.3),其余3条河流的年均径流系数居中,在0.3～0.4.这与河段的降水径流条件以及水流输送条件有关,太子河南支地处低山丘陵区,降水容易形成径流;而海城河地处山前倾斜平原,人类活动相对太子河南支比较活跃,降水转化成径流的部分较少,因此年径流系数相对较小.1967—2006年间,除南沙河的年径流系数总体呈上升趋势外,太子河流域其他支流的年径流系数均呈下降趋势,其中太子河南支和兰河的下降趋势尤其明显(图3).1985年,各支流的年径流系数都较高(表2),可能是由于当年降水量较大.2.1.2uf和ub曲线的突变1967—2006年,海城河年径流系数从20世纪70年代中期开始呈下降趋势,20世纪70年代中后期开始显著下降,在Mann-Kendall统计量上表现为从1976年开始UF<0,UF曲线呈下降趋势,在1979年开始超过了0.05的显著水平,UF与UB曲线相交于1976年,是一次明显的突变现象,突变时间为1976年前后(图4);北沙河的年径流系数在20世纪80年代后期发生突变;兰河的年径流系数在1997年发生突变;南沙河的年径流系数总体呈上升趋势,在20世纪70年代中期发生突变,UF曲线从1970年前后开始一直>0;太子河南支年径流系数的突变发生在1987年;细河流域年径流系数的UF值从1977年开始基本小于0,但UF和UB之间出现7个交点且交点出现的年份比较密集,并且该流域的年径流系数没有非常明显的变化规律(图4).1967—2006年间,除细河流域的年径流系数没有发生突变外,太子河流域其余各条支流的年径流系数都发生了突变,且突变出现的年份各不相同.2.2径流流域的径流系数虽然太子河流域各支流的年径流系数变化各有不同,但其月径流系数却呈现一定的季节变化规律(图5):4—6月(春季),各支流的径流系数逐渐变小;6—8月(夏季),各支流的径流系数均呈增大趋势,在该时段,流域内的降水较集中,期间的径流量占年总径流量的50%～60%以上(表3);8—10月(秋季),各支流流域的径流系数又开始逐渐变小;11月至次年5月(冬季),径流系数无明显的变化趋势,各条支流上的变化情况各不相同,但1—3月的径流系数相对较大(太子河南支除外).部分支流出现了径流系数大于1的情况,这与实测的降水和径流数据有关,对径流系数大于1的北沙河和南沙河流域1月实测数据的检查可以发现,1974和1984年1月的径流量实测值是当月降水量实测值的45倍左右,这应该是观测误差所致.2.3降水量对径流系数的影响从图6可以看出,研究期间,太子河流域各支流的年降水量和年径流系数均呈极显著正相关关系(P<0.01).说明太子河流域降水量对径流系数的影响极显著,原因可能在于降水量增加将造成损失水量所占比例下降及汇流时间缩短,在一定程度上使径流系数有所增大.3月径流系数特征在太子河流域的6条主要支流中,太子河南支的年径流系数较大,海城河的年径流系数较小,其余几条河流的年径流系数比较接近.这可能与河段的降水径流条件以及水流输送条件有关,太子河南支地处低山丘陵区,降水容易形成径流,而海城河所在地的地貌为山前倾斜平原,与太子河南支相比,人类活动比较活跃,因此降水转化成径流的部分较少,导致径流系数较小.研究期间,该流域的月径流系数呈现一定的季节变化规律,6—8月(夏季),各支流的径流系数变化趋势非常一致,呈增大趋势;冬季,径流系数无明显的变化趋势.年降水量对年径流系数的影响极显著,但各条支流的相关程度有所不同.河川径流是水循环的一个环节,反映了降水补给流域的水量,以及截流、下渗、蒸散发等水文过程的强度和流域蓄水量的变化.由于流域自然地理和水文地质因素以及降水径流条件、水流输送特性、人类活动和流域四水转化关系等多方面的影响,不同河段的径流特性存在很大差异.太子河流域属大陆季风性气候,降水相对集中,且年际变化较大、地区分