太子河流域6個主要支流徑流系數變化及其與降水的關系

太子河流域6個主要支流徑流系數變化及其與降水的關系

徑向流系數是指特定集水區(qū)內的總流量與當年的降雨量之比。徑向流系數反映了降水轉化為徑向流的比例，充分考慮了流域內自然地理因素對降水形成徑向流過程的影響。在某種程度上，可以確定流域內的水循環(huán)程度和時間的變化。一些科學家認為，直徑流系數可以視為隨機變量，其分布函數是流域氣候物理機制的反映。年平均流量流量系數隨一年隨機變化，不確定性很大。然而，多年平均流量系數相對穩(wěn)定，反映了流域水循環(huán)過程的時空變化。因此，流域內徑流系數的變化特征對分析區(qū)域水資源、水循環(huán)和洪水災害具有重要意義。徑流系數受自然地理要素的綜合影響.目前對于徑流系數的相關研究主要集中在兩方面:1)將徑流系數作為參照去研究與之相關的現象,所選研究區(qū)多為試點小流域和試驗流域.如穆興民等利用試點小流域平行對比觀測方法,研究了黃土高原溝壑區(qū)小流域治理對流域地表徑流的影響;Kang等在流域試驗點研究了從裸土到不同植被覆蓋和耕作方式下各種坡度坡長上的降雨徑流關系;Basic等分析了不同耕作方式下的徑流和土壤流失.2)對徑流系數的變化趨勢及其影響因素的分析.如Chen等研究了黃河發(fā)源地的氣候因子對徑流系數的影響,結果表明,降雨和溫度是影響徑流系數的主要因素;郭華等研究了鄱陽湖流域1955—2002年徑流系數變化趨勢及其與氣候因子的關系.太子河是遼寧省東部的主要水系之一,流經本溪、遼陽、鞍山等重要工業(yè)城市,該流域是我國重要的經濟區(qū)和重工業(yè)基地之一,也是遼寧省重要的產糧區(qū),人類活動強烈,目前對該流域徑流資料的相關研究尚鮮見報道.本文研究了1967—2006年太子河流域6個主要支流年、月徑流系數以及降水量的變化特征,分析了降水量對該流域徑流系數的影響,以期為正確認識太子河流域水文過程特征及其水資源的合理開發(fā)利用等提供理論依據和技術支撐.1研究領域和方法1.1紅石子山河流水文、年、2006年、2006年4月1日變化太子河流域(40°00′—42°00′N,122°00′—125°00′E)位于遼寧省境內,是渾太流域的子流域(圖1).太子河發(fā)源于新賓縣紅石砬子山,流經本溪、遼陽、鞍山3市,流域面積13883km2,河長413km,主要支流有海城河、南沙河、北沙河、蘭河、細河、湯河、太子河南支,分別從南、北、東匯入太子河,這些子流域主要為丘陵山地,植被以天然次生林為主,夾雜人工林.太子河流域屬溫帶半濕潤和半干旱季風氣候,四季分明,雨熱同季,日照豐富,干燥多風,年均氣溫5℃～10℃.太子河流域1967—2006年徑流量和降水量數據源于各條支流的水文測站和雨量站(表1).1.2學習方法1.2.1徑流系數的確定徑流系數(a)指某時段內的徑流量(R)與同期降水量(P)的比值,公式為a=R/P.根據研究區(qū)各子流域的集水面積和實測的降水數據即可算出降水量,徑流量可根據實測值算出,據此可得出相應時段的徑流系數.1.2.2大小表征變化速度ay=ax+b(1)式中:y為徑流系數;x為年;a為線性方程斜率,其大小表征變化速度,正值表示增加,負值表示減少;b為截距.通常將a稱為傾向率,可定量描述時間序列的趨勢變化特征.1.2.3秩序列sk分析本文利用非參數統(tǒng)計檢驗方法Mann-Kendall法對降水量和徑流系數的時間變化趨勢進行檢驗.非參數檢驗方法也稱無分布檢驗,其優(yōu)點是不需要樣本遵從一定的分布,也不受少數異常值的干擾,更適于類型變量和順序變量,計算簡便,而且可以明確突變開始的時間.對于具有n個樣本量的時間序列x,構造一秩序列:sk=n∑i=1ri(2)sk=∑i=1nri(2)當xi>xj時,ri=1,否則ri=0(j=1,2,…,i).因此,秩序列sk是i時刻數值大于j時刻數值個數的累計數.假設時間序列隨機獨立,統(tǒng)計量可定義為:UFk=[sk-E(sk)]√Var(sk)(k=1?2???n)(3)式中:UF1=0;E(sk)和Var(sk)分別為sk的均值和方差,在x1、x2、…、xn相互獨立且具有相同連續(xù)分布時,其計算公式如下:E(sk)=n(n+1)4(4)Var(sk)=n(n-1)(2n+5)72(5)UFi為標準正態(tài)分布,它是按時間序列x順序(x1,x2,…,xn)計算出的統(tǒng)計量序列(UFk),給定顯著性水平α,查正態(tài)分布表,若|UFi|>Uα,表明序列存在明顯的趨勢變化.按時間序列x逆序(xn,xn-1,…,x1)序列(UBk)再重復上述過程,同時使UBk=-UFk,k=n,n-1,…,1,UBn=0.計算順序時間序列的秩序列sk和逆序時間序列的sk,分別得出UFk和UBk,給定顯著性水平α,將UFk和UBk序列曲線和Uα值的兩條直線均繪在一張圖上進行分析.若UFk或UBk值大于0,表明序列呈上升趨勢,小于0則表明呈下降趨勢.當UFk和UBk序列曲線超過臨界直線時,表明上升或下降趨勢顯著.超過臨界線的范圍確定為出現突變的時間區(qū)域.如果UFk和UBk兩條曲線出現交點,且交點在臨界線之間,那么交點對應的時刻便是突變開始的時間.利用DPS數據處理系統(tǒng)(V7.05版)中的時間序列分析模塊進行Mann-Kendall統(tǒng)計量曲線的繪制.2結果與分析2.1太子河流域年流量系數的變化趨勢和變化2.1.1水流動力學分析由圖2可以看出,1967—2007年,太子河南支的年均徑流系數較大(0.53),而海城河和北沙河的年均徑流系數較小(低于0.3),其余3條河流的年均徑流系數居中,在0.3～0.4.這與河段的降水徑流條件以及水流輸送條件有關,太子河南支地處低山丘陵區(qū),降水容易形成徑流;而海城河地處山前傾斜平原,人類活動相對太子河南支比較活躍,降水轉化成徑流的部分較少,因此年徑流系數相對較小.1967—2006年間,除南沙河的年徑流系數總體呈上升趨勢外,太子河流域其他支流的年徑流系數均呈下降趨勢,其中太子河南支和蘭河的下降趨勢尤其明顯(圖3).1985年,各支流的年徑流系數都較高(表2),可能是由于當年降水量較大.2.1.2uf和ub曲線的突變1967—2006年,海城河年徑流系數從20世紀70年代中期開始呈下降趨勢,20世紀70年代中后期開始顯著下降,在Mann-Kendall統(tǒng)計量上表現為從1976年開始UF<0,UF曲線呈下降趨勢,在1979年開始超過了0.05的顯著水平,UF與UB曲線相交于1976年,是一次明顯的突變現象,突變時間為1976年前后(圖4);北沙河的年徑流系數在20世紀80年代后期發(fā)生突變;蘭河的年徑流系數在1997年發(fā)生突變;南沙河的年徑流系數總體呈上升趨勢,在20世紀70年代中期發(fā)生突變,UF曲線從1970年前后開始一直>0;太子河南支年徑流系數的突變發(fā)生在1987年;細河流域年徑流系數的UF值從1977年開始基本小于0,但UF和UB之間出現7個交點且交點出現的年份比較密集,并且該流域的年徑流系數沒有非常明顯的變化規(guī)律(圖4).1967—2006年間,除細河流域的年徑流系數沒有發(fā)生突變外,太子河流域其余各條支流的年徑流系數都發(fā)生了突變,且突變出現的年份各不相同.2.2徑流流域的徑流系數雖然太子河流域各支流的年徑流系數變化各有不同,但其月徑流系數卻呈現一定的季節(jié)變化規(guī)律(圖5):4—6月(春季),各支流的徑流系數逐漸變小;6—8月(夏季),各支流的徑流系數均呈增大趨勢,在該時段,流域內的降水較集中,期間的徑流量占年總徑流量的50%～60%以上(表3);8—10月(秋季),各支流流域的徑流系數又開始逐漸變小;11月至次年5月(冬季),徑流系數無明顯的變化趨勢,各條支流上的變化情況各不相同,但1—3月的徑流系數相對較大(太子河南支除外).部分支流出現了徑流系數大于1的情況,這與實測的降水和徑流數據有關,對徑流系數大于1的北沙河和南沙河流域1月實測數據的檢查可以發(fā)現,1974和1984年1月的徑流量實測值是當月降水量實測值的45倍左右,這應該是觀測誤差所致.2.3降水量對徑流系數的影響從圖6可以看出,研究期間,太子河流域各支流的年降水量和年徑流系數均呈極顯著正相關關系(P<0.01).說明太子河流域降水量對徑流系數的影響極顯著,原因可能在于降水量增加將造成損失水量所占比例下降及匯流時間縮短,在一定程度上使徑流系數有所增大.3月徑流系數特征在太子河流域的6條主要支流中,太子河南支的年徑流系數較大,海城河的年徑流系數較小,其余幾條河流的年徑流系數比較接近.這可能與河段的降水徑流條件以及水流輸送條件有關,太子河南支地處低山丘陵區(qū),降水容易形成徑流,而海城河所在地的地貌為山前傾斜平原,與太子河南支相比,人類活動比較活躍,因此降水轉化成徑流的部分較少,導致徑流系數較小.研究期間,該流域的月徑流系數呈現一定的季節(jié)變化規(guī)律,6—8月(夏季),各支流的徑流系數變化趨勢非常一致,呈增大趨勢;冬季,徑流系數無明顯的變化趨勢.年降水量對年徑流系數的影響極顯著,但各條支流的相關程度有所不同.河川徑流是水循環(huán)的一個環(huán)節(jié),反映了降水補給流域的水量,以及截流、下滲、蒸散發(fā)等水文過程的強度和流域蓄水量的變化.由于流域自然地理和水文地質因素以及降水徑流條件、水流輸送特性、人類活動和流域四水轉化關系等多方面的影響,不同河段的徑流特性存在很大差異.太子河流域屬大陸季風性氣候,降水相對集中,且年際變化較大、地區(qū)分