清涧河流域近50年径流时间变化特征及趋势分析

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1、清涧河流域近年径流时间变化特征及趋势分析50王计平1 ，赵梅2 ，程复3 ，姜磊4 ，王然5( 1 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，100091，北京; 2 黄河水利委员会中游水文水资源局，030600，山西晋中; 3 北京水保生态工程咨询有限公司，100055，北京; 4 北京林业大学林学院 100083，北京;5 国家卫星海洋应用中心，100081，北京)摘要 采用清涧河延川水文站近 50 年径流序列资料，运用不均匀系数、调节系数、集中度( 期) 、变差系数和极值比等指标分析径流时变特征，应用 Mann-Kendall 趋势分析法检验流域径流变化趋势。结果表明: 1 ) 清涧河

2、流域径流 的年内分配曲线呈现出单峰曲线，径流主要集中于 79 月份，约占全年平均径流量 58% ; 2 ) 1990 以来，年内分配 不均匀性和集中程度趋于减小; 3) 20002009 年流域径流年际变异最大，且在不同时段径流年际变异差异较大; 流 域年径流量呈现明显下降趋势，20 世纪 80 年代是流域径流丰枯转折点，并在 2000 年后进入严重枯水期。清涧河 流域径流演变呈现出明显的不均匀性、阶段性和趋势性，这种变化与降水和植被恢复导致下垫面特征改变有关。 关键词 土地利用动态变化; 降水; 不均匀性; 趋势; 清涧河流域Temporal variations and trend ana

3、lysis of runoff in Qingjianhe River inYellow River midstream area in the past 50 yearsWang Jiping1 ，Zhao Mei2 ，Cheng Fu3 ，Jiang Lei4 ，Wang Ran5( 1 Research Institute of Forest Ecology，Environment and Protection，the Chinese Academy of Forestry，100091 ，Beijing;2 Bureau of Hydrology and Water Resources

4、 of the Middle Yellow River，Yellow River Water Conservancy Committee，030600 ，Jinzhong，Shanxi;3 Beijing Water-soil Conservation and Eco-engineering Consultation Co ，Ltd，100055 ，Beijing; 4 College of Forestry，Beijing Forestry University，100083 ，Beijing; 5 National Satellite Ocean Application Service，1

5、00081 ，Beijing: China)AbstractBased on the data set of runoff of the Yanchuan Hydrological Station，Qingjianhe River，inthe past 50 years，annual unevenly distribution coefficient of runoff，complete accommodation coefficient， concentrative degree ( concentrative period) ，variation coefficient and runof

6、f extremum ratio of the station were calculated and analyzed，which indicated the annual and interannual variations of runoff The long- term variation tendency of the runoff in the Qingjianhe River Basin was verified by the tendency analysismethod The results demonstrateQingjianhe River Basin occurre

7、dSeptember，which accounted forthat the annual analytic curve of annual distribution of runoff inunimodal curve，and the runoff mainly distributed during July to58% of average annual flow Since 1990s， the annual unevenlydistribution and concentrative degree had a gradual decrease The interannual runof

8、f in different periodsvaried so greatly to reach the peak of past 50 years after 2000 The annual runoff in this basin presented a significant downtrend，which was supported by the facts that 1980s was the remarkable turning point of the runoff from high to low water level period，and after 2000 runoff

9、 turned into the low-water period and reached the lowest level in the past 50 years The evolution of runoff in Qingjianhe River Basin shows the收稿日期: 2011-04-22 修回日期: 2011-08-18项目名称: 林业公益性行业科研专项“黄土高原生态恢复对径流泥沙影响评价技术研究”( 201004058 ) ; 中国博士后科学基金“黄河中游植被恢复格局对流域径流泥沙的影响”( 20100480365)第一作者简介: 王计平( 1978) ，男，博

10、士后。主要研究方向: 景观格局规划、水文过程模拟。E-mail: wjp_gis 163 com 责任作者简介: 赵梅( 1965) ，女，工程师。主要研究方向: 水利规划、水文分析与水资源管理。E-mail:hwhzzwgh 126 comclear nonuniformity， periodicity and tendency， which is related with the rainfall and characteristicvariation of underlying surface caused by restoring vegetationKey wordsland-use

11、 dynamic change; rainfall; nonuniformity; tendency; Qingjianhe River Basin模数在 5 000 1 万 t / km2 之间。径流作为流域水文系统中一个重要组成元素，其时变过程受自然因素和流 域下垫面的共同影 响1-2，但随人类改造自然能力及人类活动的不断增 强，对流域径流演化过程的影响越明显3-4。在许多 干旱半干旱地区，流域径流主要来自于大气降水，每 年大量降雨径流是解决流域水资源短缺的重要途 径。近年来，水资源短缺问题已成为制约区域可持 续发展的关键因素4-5。为缓解干旱区流域水资源 危机，优化水资源时空配置，探讨河

12、川径流时变规律 显得尤为重要6-9。位于黄河中游区上段的清涧河流域，由于气候 干旱，水资源尤为短缺。地表径流不仅是流域水资 源的主要构成，也是区域农业发展和生态环境建设 的基础，然而受降雨特性和下垫面因素影响，每年暴 雨径流不仅造成严重的土壤侵蚀，同时大量洪水也 成为威胁下游地区生态安全的不稳定因素。近 50 年来，在气候变化10、水土保持11、土地利用12、植 被恢复13等共同作用下，清涧河流域径流时变过程 极为复杂，给流域水文系统带来许多不确定性。在 人类活动不断增强、气候变化日趋明显背景下，如何 从复杂的径流时变过程中找到有序的规律为流域水 文要素分析与预测提供参考，对理解地表水资源发

13、展变化、生态环境保护具有重要理论和实践指导意 义。笔者基于清涧河流域延川水文控制站 19602009 年径流序列资料分析径流年内、年际变化特征 和趋势，探讨降水、土地利用动态变化对流域径流的 影响，为流域径流预测和流域管理服务。图 1 研究区地理位置图Fig 1 Geographical position of Qinjianhe River研究方法分析所用 19602009 年径流资料一部分通过 向水利部水文局科教处资料室申请获得，一部分由2黄河水利委员会水文局提 供。 利 用 1985、1995、2000 和 2008 年土地利用矢量数据模拟流域土地利用动态变化。应用不均匀系数、调节系数、

14、集中度等 特征指标14刻画流域径流随时间分配的不均匀性。2. 1不均匀系数径流年内分配不均匀系数( Cr ) 用于表示流域降雨量年内分配的不均匀程度，其计算公式为( 1)Cr = / R 1212研究区概况清涧河位于黄河中游区上段右岸中部地带，发 源于陕西省安塞县，流经子长、清涧，于延川县苏亚 汇入黄河，是黄河的一级支流，全长 167. 8 km ( 图1) 。清涧河流域总面积为 4 080 km2 ，干流上游设有 子长水文站，控制流域面积 913 km2 。子长站下游72 km 处设有延川水文站，控制流域面积 3 468 km2 ， 至入黄口 38 km。流域属于半干旱气候，降雨主要 集中在

15、汛期 69 月，且多为暴雨，历时短、强度大、 范围小。流域内多年平均降水量约 500 mm，多年平 均径流深约 50 mm。清涧河流域是典型黄土丘陵沟 壑区，植被覆盖差，水土流失严重，多年平均年侵蚀111式中: =i( R R) 2 ;12 R ;R =R 为槡 ii12i = 1i = 1年内各月径流量，m3 ; R 为年内月平均径流量，m3 。调节系数年内分配完全调节系数( C ) 是年内分配不均2. 2t匀性的又一计算方法。Ct 越大，月径流量序列间的 差异越大，径流年内分配不均匀程度越高。若 0 Ct 1，计算公式为12 12Ct = ( Ri R)i = 1 Rii = 1( 2)其

16、中 = 0， Ri R 。1，Ri R中国水土保持科学2011 年562. 3 集中度和集中期集中度( Cn ) 和集中期( D) 是利用实测的月径 流资料反映年径流的集中程度和最大径流量出现的 时段。其计算思路是将一年内各月的径流量作为向 量，月径流量的大小作为该向量的长度，所处月份为 向量的方向，从 112 月每月的方位角 i 分别为 0、30、60、360 度，并把每个月得径流量分解为 x 和y 2 个方向上分量 Rx 和 Ry ，计算如式( 3 ) ; 进一步确 定径流的合成向量 R，如式( 4) 。间的转移速率; Bi 为第 i 种土地利用类型在监测时期 t1 至 t2 期间的新增速

17、率; Ti 为第 i 种土地利用类型在监测时期 t1 至 t2 期间的变化速率; Ui 为监测期间第 i 种土地利用类型未变化面积，km2 ; L和 L( i，t1)( i，t2)分别为第 i 种土地利用类型在监测期初和期末的面积，km ; t1 为监测期初; t2 为监测期末; n 为区域内土地利用类型的分类数，i( 1，n) 。2结果与分析33. 1 径流年内变化分析1212Rx = Ri sini ， Ry = Ri cosi( 3)径流的年内分配特征 从清涧河流域径流3. 1. 1i = 1i = 1年内分配图( 图 2 ) 可知，流域径流年内分布呈现明显单峰曲线，径流集中在汛期，7、

18、8、9 月份为一年内 径流量变化的高峰时段，由于春汛，3 月份也较前半 年内的其余月份的径流量要大。这表明在清涧河径2 2R = 槡R + R( 4)xy12Cn = R Ri 100% ，D = arctg( Rx / Ry )( 5)i = 1集中期表示月径流量合成后的总效应，其对应的角度换算为径流集中月份。集中度则反映了集中 期径流值站年总径流的比例，当集中度等于 100% 时为最大极限值，表明该流域全年的径流集中在某 一个月内。当集中度为 0 时是最小极限值，说明全 年的径流平均分配在 12 个月中，即每个月的径流量 都相等。2. 4 变差系数与极值比径流的年际变化一般采用极值比( K

19、m ) 和变差 系数 ( Cv ) 描 述。 极 值 比 为 历 年最大年平均流量 ( Rmax ) 与最小年平均流量( Rmin ) 之比; 变差系数为流最主要的补给源是雨季降水，其次为积雪消融。清涧河径流的年内分配极不均匀，流域径流主要集中在 79 月份，这 3 个月内的径流量占全年径流量 的 58. 16% 。除 79 月份外，3 月径流量最大，主要 是由于融雪解冻补充径流( 图 3) 。一定时段内径流量得标准差( ) 与平均值( R) 的比值; Km 和 Cv 值越大，表明径流年际变化越大。Km = Rmax / Rmin ，Cv = / R2. 5 土地利用动态度模型( 6)图 2

20、清涧河流域径流年内分配Fig 2 Annual distribution of runoff in Qingjianhe River Basin土地利用动态变化定量化方法可用土地利用变化速率和动态度 2 个模型来描述15，区域内某土地 利用类型在某个变化时期的土地利用变化速率或动 态度模型为:( L( i，t ) Ui )1( 7)Ai = L 100%( t t )( i，t1)2 1( L( i，t ) Ui )2( 8)( 9)Bi = L 100%( t t )( i，t1)2 1图 3 延川水文站各月径流分配Fig 3 Distribution of amount of monthl

21、y runoff inYanchuan Hydrographic StationTi = Ai + Bi研究区的综合土地利用动态度的计算模型为n( L( i，t1)i = 1 Ui )径流年内变化特征值 由表 1 可知，随着时3. 1. 2( 10)S = 100%，间推移 清涧河年内分配不均匀系数 C 呈现增大nrL( i，t1) ( t2 t1 )i = 1式中: Ai 为第 i 种土地利用类型在监测时期 t1 至 t2 期减小增大的变化趋势，表明径流年内分配不均匀性呈现周期变动。清涧河径流年内分配完全调节系数 Ct 同径流年内分配不均匀系数的变化规律相似。集中度和不均匀系数表现出同步性变

22、化规律，凡是集中度高的时段，其不均匀系数也高。径流年内分 配的集中度介于 32% 52% 之间，最小集中度出现 在 20 世纪 80 年代，为 32% ，最大集中度出现在 70 年代，为 52% ，说明在 19701979 年清涧河年内径 流最集中，而在 19801989 年径流年内分配比较分 散。不同时段内径流集中期为 7 月中旬，与径流量 年内实际分配基本吻合。综合比较各时段内径流变 化发现，径流年内分配不均匀系数、调节系数和集中 度变化基本一致，从 1990 年以来清涧河流域径流的 年内分配不均匀性和集中度均呈现出减小趋势，但 在 2000 年后这种状态所有回升。表 1 清涧河流域径流年

23、内分配和年际变化特征值年二者的拟合直线平行，这表明该时段内降水和径流年际变化较小。在流域单元内，降雨是径流年际 变化的直接因素，但还与流域下垫面条件有关，如土 地利用 / 土地覆被变化、水土保持措施等。图 4 清涧河流域降雨与径流相关关系Fig 4 Correlation relationships between annual rainfall and runoff in Qingjianhe River Basin3. 2. 2 径流不同时段丰枯变化 径流的丰枯变化 特征可以进一步反映径流年际变化情况，对径流丰 枯情况的划分标准一般按其距平比例 P 来确定。Tab 1Annual dist

24、ribution and interannual variationsof runoff in Qingjianhe River Basin年内年际年份CrCtCn / %CvKmDP = ( Ri R) / R 100%( 11)为 偏 丰;1960 19691970 19790 290 320 360 414752193 1198 70 400 403 923 46式中: P 20% 为 丰 水; 10% P 20% 10% P10% 为平水;为 20%P 10%1980 19890 170 2332197 80 272 11偏枯; P 20% 为枯水。基于这一标准对清涧河流域不同阶段内径

25、流丰枯情况进行分析( 表 2 ) ，发1990 19990 250 3348197 30 252 922000 20090 230 3044200 90 433 60现清涧河流域在 20 世纪 60 年代为径流偏丰水年，多年平均0 250 3345197 80 353 2070 年代为径流平水年，80 年代为径流偏枯水年，90年代为径流偏丰水年，2000 年至今属于严重枯水 年。对比发现清涧河流域在整个时间序列上呈现出3. 2 径流年际变化分析径流年际变化特征 从表 1 可知，清涧河流3. 2. 1由丰水年向枯水年演变趋势，丰枯变化波动明显。域历年的 Cv 值为 0. 25 0. 43，Km

26、值为 2. 11 3. 92，在 19602000 年间的各时段内，Cv 值逐渐减小，而在 2000 年后，Cv 值呈上升趋势并达到历史最高水平，表明 20 世纪 60、70 年代流域径流年际变异较大，80、90 年代清涧河流域的径流量年际变异较小， 而 21 世纪头 10 年，清涧河流域径流年际变异达到 最大程度。从不同阶段降雨和径流的散点分布图( 图 416) 也可以看出: 在 1980 年以前，年径流量和 年降水的散点分布较为分散，说明 20 世纪 60、70 年 代流域径流年际变化较强烈，同时在 3 个径流时段 内; 19551979 年径流量和年降水量的泥沙直线斜 率最高，表明相同的

27、降水量变化对径流量年际变化 的影响最明显。80 年代，年降水集中分布于 360 540 mm 之间，是降水量年际变化最小时段，流域年 径流量的极值比和变差系数同样也处于 4 个时段内 的最低水平，分别为 0. 27 和 2. 11。90 年代，年降水 量与年径流量的拟合直线斜率几乎与 1980198920 世纪 80 年代是流域径流丰枯的明显转折点，特别是进入 2000 年以来，清涧河流域径流丰枯程度达 到了近 50 年来的最低水平。表 2Tab 2延川水文站不同时段年径流量丰枯变化High and low water，level change of runoff in each period

28、 of Yanchuan Hydrological Station年份距平比例 / %丰枯程度1960 19691970 197911 610 0偏丰平水 偏枯 偏丰 枯水1980 1989 12 61990 199914 92000 2009 23 8土地利用动态变化对径流的影响 土地利3. 2. 3用是决定流域下垫面环境特征的重要指标。根据数据可获取性，利用 1985、1995、2000、2008 年 4 期土中国水土保持科学2011 年58地利用矢量图对清涧河流域进行土地利用动态变化分析( 表 3) ，表明: 清涧河流域耕地转移明显。3 个 时段内耕地的转移速率均大于新增速率，特别在20

29、00 年 后，耕地的转移速率达到最高水平 ( 7. 75% ) ; 清涧河流域林、草地新增明显。19952000 年和 20002008 年 2 个时段内林地和草地的新增速率明显大于转移速率，在 20002008 年时段内达到最大，分别为 5. 82 % ; 3 个时间段内区域综 合土地利用动态度呈现逐年增大的趋势，分别为0. 47% 、1. 43% 和 3. 38% ，20002008 年是土地利 用动态变化最为剧烈的时段。土地利用变化对流域径流时变具有重要影响。表 3 19852008 年清涧河流域土地利用动态变化Tab 3 Dynamic changes of the land use

30、in Qingjianhe River Basin from 1985 to 2008未变化部分转移部分新增部分年份土地利用类型变化速率 / %km2面积 / km2速率 / %面积 / km2速率 / %耕地1 492. 49341. 571 459. 003. 796. 0360. 9857. 4344. 960. 210. 430. 391. 440. 300. 530. 6725. 3540. 2193. 961. 782. 720. 161. 010. 624. 454. 210. 562. 450. 924. 984. 88林地草地1985 1995水域城镇及工矿用地流域总动态变化

31、3 302. 88164. 010. 47164. 010. 470. 47耕地林地 草地 水域城镇及工矿用地1 438. 9478. 861. 0474. 580. 982. 02338. 7143. 072. 26104. 305. 467. 721 434. 96118. 001. 5264. 060. 832. 341995 20003. 795. 691. 783. 066. 396. 990. 460. 941. 652. 158. 049. 14流域总动态变化3 222. 09244. 811. 41244. 811. 411. 41耕地575. 29443. 011 498.

32、914. 256. 63938. 2300. 11007. 7500000. 11206. 31731. 93000. 005. 826. 10007. 755. 826. 1000林地草地2000 2008水域城镇及工矿用地流域总动态变化2 528. 52938. 343. 38938. 343. 383. 38从表 3 可以看出，耕、林、草是清涧河流域土地利用的重心。根据清涧河流域土地流转与动态特征，将1985 年前视为第 1 阶段，其特点是以耕地利用为重 心，土地利用变化速率相对稳定，流域径流年际变化 不均匀程度和变异程度较低，径流变化对于集中，流 域径流处于偏丰或平水水平; 第 2 阶

33、段为 19851995 年，该时段为土地利用频繁流转阶段，径流的 年内分配较为分散，径流向偏枯水平转变; 19952000 年对土地利用结构调整的过渡阶段，该时段内 径流不均匀程度开始回升，集中度趋于增大，径流年 际变化也呈增加趋势; 2000 年后土地利用进入快速 演变阶段，耕地向林、草地景观类型的快速转变，使 得林地和草地的新增速率达到较高水平，同时流域 土地利用总动态变化达到极值，林、草等生态功能型景观的快速增加显著改善了流域对径流的调节能力。这不仅使流域径流年际变化和不均匀程度增大，集中程度增强，而且显著改变了流域的径流效应，出现明显的枯水现 象，丰枯程度达到了 23. 8% 。径流年

34、际变化趋势 利用 Mann-Kendall 非3. 2. 4参数统计方法17对清涧河流域 50 年年径流量进行趋势分析发现，清涧河流域年径流量总体呈现明显 下降趋势( 图 5) 。尽管清涧河流域在个别年内会出 现径流极值，但从 20 世纪 60 年代以来，总的趋势表 明清涧河流域的年径流量呈现明显的下降趋势。这 不仅与流域降雨收支有关，而且与流域土地利用结 构调整、植被恢复等人为活动密切相关。此外，修筑 淤地坝、水库等设施也会对流域径流时变过程产生一定影响，还有待进一步研究。球物理学报，2005，48( 6) : 1270-1275夏军，乔云峰，宋献方，等 岔巴沟流域不同下垫面2对降雨径流关系

35、影响规律分析J 资源科学，2007，29( 1) : 70-76杨新，延军平，刘宝元 无定河年径流量变化特征及 人为驱动力分析J 地球科学进展，2005，20 ( 6 ) :637-642许炯心 人类活动对黄河河川径流的影响J 水科 学进展，2007，18( 5) : 648-655 周爱国，徐恒力，甘义群，等 西北地区水资源-生态 可持续发展的若干问题探讨J 长江流域资源与环 境，2001，10( 5) : 419-425张强，邓振镛，赵映东，等 全球气候变化对我国西 北地区农业的影响J 生 态 学 报，2008，28 ( 3 ) :1210-1218345图 5 清涧河流域径流量变化趋势F

36、ig 5 Variation trend of amount of runoff inQingjianhe River Basin64结论与讨论1) 清涧河流域径流年内分配呈明显单峰曲线，7刘燕，李小龙，胡安焱研究: 以渭河为例J49-52刘贤赵，宿庆，刘德林河川径流对降水变化的响应干旱区地理，2007，30 ( 1 ) :月，占全年平均径流量的 主要 集 中 在58. 16% 。798流域径流演变多时间尺度特2) 在不同时段内，清涧河径流年内分配不均匀系数、调节系数和集中度的变化规律基本一致，但从20 世纪 90 年代以来，延川站径流年内分配不均匀 性和集中程度趋于减小。3) 清涧河流域在不

37、同年代间径流年际变异差 异较大，其变异在 20002009 年间达到最大程度。4) 清涧河流域径流演变具有明显的阶段性和 趋势性，年径流序列历经了偏丰、平水、偏枯、偏丰、 枯水期的变化，20 世纪 80 年代是流域径流丰枯明 显转折点，特别是 2000 年后清涧河流域径流丰枯程 度达到了近 50 年来的最低水平。综合看来，清涧河流域径流时变过程不仅与降 雨变化有密切关系，而且受土地利用动态变化影响 较为明显。在流域尺度上，降雨是径流形成的基础， 降雨量的时空变化是影响径流过程变异的主要因 子。土地利用引起的下垫面条件改变是流域景观变 化的主要原因和组成部分，会对流域降雨径流关 系产生重要影响。

38、由于流域样本数量限制、水文过 程模型缺乏等因素，本文仅从土地利用数量和转移 速率等方面分析了土地利用动态度对径流时变过程 的影响，而未探讨土地利用空间格局与径流过程关 系。因此如何表征土地利用时空结构变化对径流以 及降雨径流关系的影响今后仍需要深入研究。征探讨J 水电能源科学，2008，26( 1) : 21-25唐丽霞，张志强，王新杰，等 晋西黄土高原丘陵沟 壑区清水河流域径流对土地利用与气候变化的响应9J植物生态学报，2010，34( 7) : 800-81010 王国庆，王云璋，康玲玲 黄河上中游径流对气候变化的敏感性分析J 应用气象学报，2002，13 ( 1 ) :117-12111

39、 徐学选，陈霁巍，穆兴民，等 黄河中游水土保持措 施对径流的影响J 人民黄河，2000，22( 7) : 36-3712 谢高地，甄霖，陈操操，等 流域宏观尺度降雨-景观-径流变化的相互作用J 资源科学，2007，29 ( 2 ) :156-16313 琚彤军，刘普灵，郑世清，等 黄土丘陵区生态恢复 重建过程中流域降雨及其水沙变化特征研究J 水 土保持学报，2005，19( 2) : 58-5914 王纪军，裴铁璠，顾万龙，等 降水年内分配不均匀 性指标J 生态学杂志，2007，26( 9) : 1364-136815 岳德鹏，王计平，刘永兵，等 京郊西北地区农地利 用与景观格局时空特征J 农业工程学报，2008，24( 6) : 89-9516 王国庆，庞慧，荆新爱，等 清涧河流域的水文情势 变化阶段及其特征J 中国水土保持科学，2005，3( 2) : 23-2717 于延胜，陈兴伟 R / S 和 Mann-Kendall 法综合分析水 文时间序列未来的趋势特征J 水资源与水工程学 报，2008，19( 3) : 42-44参考文献马柱国 黄河径流量的历史演变规律及成因J 地5( 责任编辑: 程 云)1