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甘肃渭河流域气温、降水和径流变化特征及趋势研究

2021-11-10 来源:客趣旅游网
第32卷第2期 2012年4月 水文 Vol_32 No.2 Apr.,2012 JOURNAL OF CHINA HYDROLOGY 甘肃渭河流域气温、降水和径流变化特征及趋势研究 牛最荣1,2,赵文智 ,刘进琪。,陈学林 (1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃兰州730000; 2.甘肃省水文水资源局,甘肃兰州730000) 摘 要:根据流域内气象站、雨量站、水文站的气温、降水、径流系列监测资料,采用周期波法、延 时分布频率、径流溯源理论分析了渭河流域气温变化及分布特征,降水量变化及分布特征,径流变化 特征和未来变化趋势。揭示了渭河流域气温、降水和径流变化之间的关系。结果表明: (1)气温波 动变化存在着9~10a的周期性变化规律。气温的流域分布由河源向干流递升且与地理高程密切相关。 (2)流域平均降水呈现出弱减少的趋势性变化过程。降水的流域分布特征主要体现为均匀性、地带性 两个方面。 (3)流域多年径流变化存在显著的逐年减小的趋势,径流年际变化趋势要大于降水年际 变化趋势。从径流溯源度多年平均变化过程看。1970年以后渭河流域径流空间分布呈现出持续性缩 小的趋势,并且下游的缩小速度要大于上游。 关键词:渭河流域;变化特征;趋势预测;径流;气温;降水 中图分类号:P343 文献标识码:A 文章编号:1O00—0852{2012)02—0078—06 1研究区概况 渭河是黄河的最大支流.位于我国西北黄土高原 的东南地区,主要在陕西省中部。发源于甘肃省渭源县 的鸟鼠山,东至陕西省渭南市潼关县汇人黄河。南有东 西走向的秦岭横亘,北有六盘山屏障。渭河流经甘肃、 宁夏、陕西三省区13个地市86个县市,甘肃省境内集 水面积56890km ,河长364.9km。 渭河上游甘肃段是渭河的源头至甘肃和陕西交界 之间的渭河干流区域。干流两岸支流众多,属不对称水 系,水系呈扇状分布。北岸有秦祁河、咸河、散渡河、葫 芦河、牛头河等支流汇入,流经黄土高原,洪枯水流量 相差悬殊,泥沙含量大。是渭河的主要来沙区域。南岸 有榜沙河、大南河、藉河等支流汇入,主要流经土石山 区,河流比降大,水流湍急,流域植被覆盖率高,是主要 图1渭河流域水系图 Fig.1 The water system of the Weihe river basin 的产流区。本次研究主要选取渭河上游甘肃段,以下凡 称渭河流域均指渭河流域甘肃段(见图1)。 流域内辖天水、定西、平凉三市,有清水县、秦 安县、甘谷县、武山县、陇西县、漳县、渭源县、通 收稿日期:2011-11-29 基金项目:国家自然科学基金重点项目(40930634)资助 作者简介:牛最荣(1964一),男,甘肃通渭人,教授级高工,主要从事水文水资源及水环境监测、评价和研究工作。E—mail:zmiu12@sina.eom 第2期 牛最荣等:甘肃渭河流域气温、降水和径流变化特征及趋势研究 79 渭县、会宁县、静宁县、庄浪县、张家川回族自治 县、秦城区和麦积区等14个县区。2008年流域内有 人口533.29万人,国内生产总值299.54亿元,耕地 1 447.04xl04亩,粮食产量179.39 ̄10 t。是甘肃省除 兰州以外的人口密度最大经济最发达的区域。 流域多年平均降水量515.1 mm,最大年降水量为 711 mm,出现在1967年,最小年降水量339mm,出现 在1997年。以流域控制站北道水文站实测资料计算多 年平均径流量11.35x10 m ,最大径流量30.34x10。m 。 与最大降水同时出现在1967年.最小径流量只有 1.29x10。m ,同样出现在降水最小的1997年。流域多年 平均气温8.7℃,最高气温10.1℃,出现在2006年,最 低气温7.6℃,出现在1976年,气温分布由南向北、由 西向东递增。 2气温变化及分布特征 选取渭河流域渭源、通渭、陇西、武山、甘谷、 天水6个气象站1971~2008年的38年气温长期观 测资料。应用算术平均法求得流域平均气温序列并 绘制各站气温变化年过程图(见图2)。从图2可 以看出,各站的气温均存在持续升高的趋势,并且 变化趋势十分相近。流域平均气温线性趋势具有 0.379℃/10 a的正倾向率,即38年间气温升高了 1.4402cI=,趋势变化最大的是天水站,具有 0.479oC/lOa的正倾向率。即38年间气温升高了 1.8202oC,最小的是渭源站.具有0.299oC/10a的正 倾向率.即38年间气温升高了1.1362℃,各站趋 势变化见表1。 13.O 12.O 1l_0 10.0 9.O 靖8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 1971 1976 1981 1986 1991 1996 2ool 2oo6 拄 图2各气象站逐年气温变化过程 Fig.2 rI’}le change process of the temperatures at the meteorological stations in the past years 表1 渭河流域各站气温变化幅度 Table1 The change scope of the temperatures at the meteorological stations in the Weihe river basin 气温的流域分布由河源向干流递升且与地理高程 密切相关,气温最高的是天水市区,气温在11c《=,这也是 高程最低区域;其次是北道及葫芦河河El,气温在10℃ 左右;再次是甘谷及牛头河下游区域,气温在9℃左右。 第四区是武山、秦安、清水范围内,气温在8cI=左右;第五 区是陇西、通渭、庄浪、张家川范围内,气温在7℃左右; 第六区也是最小值位于渭源、及丁西部和南部山区一 带.气温在6℃左右。气温的整体分布是以天水市区中心 为最高向西南、西北、北部及东北方向辐射逐渐降低。 3降水变化及分布特征 降水资料选取流域内观测系列较长的32个雨量 站.这32个雨量站比较均匀地分布在流域内,全面控 制了流域面降水过程。应用流域内32个雨量观测站 的降水资料分析。1956 2008年的53年流域多年平均 降水515.1 mm,与气温相对应的1971—2008年的38 年流域多年平均降水量499mm,相差16.1 mm。在后 38年间降水产生了剧烈的波动,其中第一个10a平均 降水量512mm,比多年均值499mm增加13mm,增幅 是2.65%;第二个10a平均降水量531 mm,比多年均 值499mm增加32mm,增幅是6.43%;第三个10a平 均降水量456mm,比多年均值499mm减少43mm,降 幅是8.68%:第四个8 a平均降水量有所回升是497 mm。比多年均值499mm减少2mm,降幅是0.50%。总 体上年降水过程呈现减少的趋势,降水最少的是20世 纪90年代。最多的是6O年代,表明近20年是降水量 持续减少且变化十分显著的时期。 在1971 2008年的38年间流域降水量波动虽然 是最剧烈的时期,但是年际之间的差别并不是特别 大,其中,最大年降水量是637mm,最小年降水量是 339mm。相差不到2倍。相邻年间差别最大的是2001 年与2002年之间245mm。其次是1982年与1983年 之间225 mm。年际间的丰枯突变大体上10年发生一 次.这种10a周期性突变与太阳黑子活动的10a周期 水文 第32卷 十分吻合,也与气温10 a周期性变化相似『l】。 降水的流域分布特征主要体现为均匀性、地带性 5径流变化特征 5.1 水文数据及处理 两个方面[21。流域内选取32个降水站的系列资料进行 了流域降水分析。其中多年平均降水量最大的是渭河 流域与泾河流域交界的西峡站667 mm。最小的是通渭 渭河流域水文数据比较全面,水文监测网络基本覆 盖了全流域的主要河流和区域。其中渭河干流上水文站 从上游到下游有渭源站、武山站、北道站,分别处于上、 中、下游控制了干流的径流,支流上有何家坡、甘谷、静 站392mm,两者相差不到一倍,降水在流域内分布比 较均匀。流域降水分布虽然比较均衡,但是仍然存在 着显著的地带性特点,降水高值带位于流域西部渭河 流域与洮河流域分水岭、渭河流域与长江流域分水 岭、南部秦岭山区、东北部渭河流域与泾河流域分水 宁、仁大、秦安、天水、社棠水文站。研究渭河流域径流变 化重点选取干流三站和较大支流散渡河、葫芦河、藉河、 牛头河入干流把口站的4个站代表流域径流变化规律。 由于各水文站建站和监测开始年份不同径流系列 岭地带:降水低值带位于流域西北部渭河流域与祖厉 河流域分水岭地带。总体上显现出西、南、东三面降水 多,向西北方向递减的分布格局。 也不尽相同.为了分析研究的统一性,将所需各水文站 的径流系列统一插补延长为1956 2008年。所选雨量 站系列也一并插补延长为1956~2008年。径流系列插 补延长方法采用就近实测系列相关法和相同相似流域 面积加权法。其中相同相似流域面积加权法为: R=rxA/a 4气温与降水变化趋势性特征 应用降水与气温相一致的1971~2008年系列进行 比较分析,降水与气温的变化趋势没有关联性,降水出 现了阶段性减少的趋势变化,而气温则出现了周期性的 式中:R为所要插补延长的目标站径流量:r为已知站 相应径流量;A为目标站流域面积;口为已知站流域 面积。 逐渐升高的趋势性变化特征。为了使降水变化与气温变 化有可比性,将降水系列和气温系列分别转化为变差系 列统一在相同标准条件下进行分析。从图3中可以得出 降水变差系列以每年-0.002的负倾向率减小。气温则是 雨量站系列的插补延长采用临近多站多年平均等 值线内插加权法,就是应用长系列雨量站资料绘制流域 降水量等值线图,从等值线图中进行直线内插的方法。 5.2径流年际变化 以每年0.0044的正倾向率增加。很显然。气温的递增速 度要大于降水的递减速度。20世纪8O年代降水比7O年 代有所增加,90年代减少最快;气温基本呈现了稳定增 大的趋势,进入21世纪增大的势头有所加快,见表2。 —应用渭河下游北道站年径流系列代表流域全径流 多年变化过程进行分析.并且为了能够与降水和气温 多年变化过程进行对比分析。将年径流系列转换成与 多年平均径流量相对差的变差系列,应用变差系列分 析径流的年际变化过程。结果表明,渭河流域多年径 ・一气温变差—._降水变j 翟 ’ △ 一 一 . 流变化存在显著的逐年减小的趋势。径流变差系列以 每年一0.0205的负倾向率减小(见图4),径流年际变化 2.O 1.5 1.0 图3 降水、气温相对差逐年变化过程 Fig.3 The change process of relative difference of recipitation and temperature in the past years 0.5 蒌o.o -一 二 0.5 1.O ~一I=7一V —表2不同年代变差平均值 一Table2 Mean value of variation in different decades 1.5 1956 1961 1966 197l 1976 1981 1986 1991 1996 2001 2OO6 年份 图4渭河流域年径流及降水变差趋势图 Fig.4 Trend of annual runoff and precipitation variation in the Weihe river basin 第2期 牛最荣等:甘肃渭河流域气温、降水和径流变化特征及趋势研究 81 趋势要大于降水年际变化趋势。1956~2008年间平均 采用延时分布频率分析1982年以前和以后的年径 以0.2329 ̄10。m3/a的径流量减少.每年的减小速度达 流分布特征.从图5中可以看出相同频率下的径流量前 到2.05%.平均计算53年共计减少了12.34 ̄108m 。 26年要比后26年平均大5xlO ms,总体上是频率越小 径流量在不同时期变化有所不同,与多年均值相 差值越大。频率大于35%以后同频率的径流差趋于平 比,1956~1960年平均径流量减少7.43%,同期降水量 稳。径流的延时频率分布与降水的延时频率分布相似但 只减少0.24%;1961~1970年是丰水时期,平均径流量 有所不同,同频率下降水量前26年总体上仍然大于后 增加68.7%,同期降水量只增加12.4%;1971~1980年 26年.在分布频率小于26%以下时前后26年的同频率 也是丰水时期,平均径流量增加11.9%,同期降水量持 降水相差不大,在分布频率大于26% ̄x于85%时同频 平为一O.56%;1981—1990年开始持平,径流量略大为 率的降水差随着频率的增加有增大的趋势,在分布频率 6.93%.同期降水量回升增加3.11%:1991 2000年进 大于85%以后同频率的降水差开始缩小。 入枯水时期平均径流量速减48.64%,同期降水量也速 5.3径流空间变化 减11.5%:2001—2008年仍处于枯水时期,平均径流量 上述分析了渭河流域总体的径流年际变化过程, 减少44.1%,同期降水量也减少3.61%。见表3。 那么中上游分段的径流变化过程如何?分别应用渭源 水文站、武山水文站径流系列代表上游和中游的径流 35 30 年际变化过程分析。结果表明,渭河干流各段的年径 )25 流过程变化趋势均为负倾向且从上游到下游负倾向 呈20 率逐步加大.下游北道站的径流过程变化趋势倾向率 15 1O 为一0.7384.中游武山站的径流过程变化趋势倾向率 5 为一0.2966。上游渭源站的径流过程变化趋势倾向率 O 4 22 41 59 78 96 为一0.0062(见图6)。 频率,% 35 30 25 多 20 咖1 15 斌 世l0 5 O 4 22 41频率,%59 78 96 1956 1961 1966 1971 1976 1981 1986 1991 1996 2oOl 2006年 图5渭河流域年径流及降水延时频率分布曲线 图6渭河干流不同河段年径流过程线 Fig.5 The delay frequency distribution of the annual runoff and Fig.6 The hydrograph of annual runoff in the diferent reaches of the precipitation in the Weihe fiver basin Weihe fiver 表3渭河流域径流多年变化表 Table3 Changes of the decade runoff in the Weihe river basin 82 水文 第32卷 应用径流溯源理论分析渭河干流上、中、下游三 河段径流的空间变化特征。河川径流的溯源性用不同 河段的溯源位移△ 和位移变化率 两个指标判 别嘲,某时段的径流溯源性用流量除以河段到河源的 长度表示。计算公式如下: LT=-O- L△ = 一 死 蹄 盟×100% L1 0 式中:LT为河川径流溯源度;p为流量或水资源量; 为区间或断面至河源距离;△ 为水资源溯源位移; 为溯源位移变化率; 、LTo分别为时段末与时段 初的溯源量。 渭河干流三河段渭源、武山、北道的径流空间分布 变化相对20世纪60年代,1961~1970年径流平均溯 源度分别增大27.1%、43.1%和82.3%,表明径流沿程分 布呈现增大的趋势;1971~1980年径流平均溯源度分 别增大8.4%、11.6%和20.9%,表明径流沿程分布仍属 增大的态势但增大的幅度在减小,相对于1961—1970 年则呈现出径流空间分布缩小的态势;1981~1990年 径流平均溯源度分别增大17.1%、20.0%和15.5%,表明 径流沿程分布仍属增大的态势,相对于1961~1970年 呈现出径流空间分布在中上游扩大而下游缩小的态 势:1991~2000年径流平均溯源度分别减小20.7%、 40.5%和44.5%.表明径流空间分布呈现出快速缩小的 态势;2001~2008年径流平均溯源度分别减小18.O%、 56.9%和39.6%.表明径流空间分布仍然处于缩小的态 势。相对于1991~2000年呈现出径流空间分布在上游 与下游缩小的趋势在减弱而中游缩小的态势在加剧。 从径流溯源度多年平均变化过程看。1968年以前渭河 表4渭河干流各年代径流溯源变化成果表单位:mS/s・km Table4 nle changes of the decade traceability of the Weihe river(m3/s・km) 图7渭河干流三河段径流平均溯源过程线 Fig.7 TIle hydrograph of the mean runoff traceability of the three reaches of the Weihe river 流域径流空间分布是扩张的态势,1970年以后呈现出 持续性缩小的趋势,并且下游的缩小速度要大于上游。 见表4。图7。 5.4径流年内变化 渭河流域径流年内最大值在6~10月均有出现, 最大值出现次数最多的是7月份,其次是10月份,最 少的是9月份。从多年平均情况来看,汛期6~l0月占 年总量的67.9%,非汛期1~5月和11、12月占总量的 32.1%。最小月径流出现在1月份,只占年总量的 2.76%(见表5、图8)。 表5北道站径流年内分配表 Table5 Annual distribUti0n 0f Funoff at the Beidao stati0n 1月 2月 3月4月 5月 6月 平均流量,fn3・S~ 11.8 14.2 19.3 21.7 31.3 37.2 百分比/% 2.76 3.33 4.52 5.08 7.31 8.70 7月 8月 9月 10月 11月 12月 平均流量/m ・s~ 65.0 68.8 63.7 55.9 25.5 l3.3 百分比/% 15.20 16.10 14.90 13.1 5.96 3.1 1 1e0 ’6O 140 120 lOG 80 袭 ∞ 4o 20 0 图8渭河流域各年径流年内分配图 Fig.8 rr}le annual distribution of runoff in the Weihe river basin 硎 硎 i第2期 牛最荣等:甘肃渭河流域气温、降水和径流变化特征及趋势研究 83 6结论 (1)渭河流域降水呈现弱减少趋势性变化。渭河 流域平均降水呈现出弱减少的趋势性变化过程. 1971~2008年降水变差系列以每年一0.002的负倾向率 减少。38年间降水量平均减少了39mm,占多年平均 intemational climate change [J]. Advances in Climate Change Research,2006,(2】:161-167.(in Chinese)) 【3】秦大河.气候变化区域应对与防灾减灾【M】.北京:科学出版社,2009. 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IU Zuimng,ZHAO Wenzhi,CHEN Xuelin,et a1.Study on features of water resources(下转第87页) 第2期 罗俐雅等:近三年徐州市土壤墒情时空变化分析 阶段徐州降雨丰沛,土壤水分含量高,但这时期气温 社,2009. (GONG Zhenping,SHAO Xiaohou,ZHANG Fucang. 高,蒸散大,作物生长需水多,如遇气候异常降雨较少 Pedology and Crops【M].Beijing:China WaterPower Press,2009. 时,土壤含水率大幅度下降,而暴雨后又会迅速上升, (in Chinese)) … 因而变幅较大,一般处在15%左右。 ~ 苏玉杰,周景春,孔妲,等.耕层土壤含水量消长规律分析[J].水文, 2007,27(3):50—56.(su Yujie,ZHOU Jingchun,KONG Dan.AnMy・ 参考文献: sis of increase and decrease rule of soil moisture in topsoil啪. [1】龚振平,邵孝候,张富仓.土壤学与农作物[M].北京:中国水利水电出版 Journal of China Hydrology,2007,27(3):50—56.(in Chinese)) Temporal and Spatial Variation of Soil Moisture in Xuzhou City in Last Three Years LUO Liya ,FENG Dezeng:,XU Mingjia (1.Hydrology and Water Resources Survey Burea of Jiangsu Province,Nanjing 210098,China; 2.College of Hydroloyg and Water Resources,Hohai University,Nanjing 210098,China; 3.Hydroloyg and Water Resources Information Center,MWR,BeO'ing 100053,Chian) Abstract:Based on the observed data of soil moisture in Xuzhou City from 2008 to 2010,this paper studied the temporal and spatial variation regularity of soil moisture in the area.It was found that soil moisture is high in the west and south of Xuzhou. and it is low in the east and north.The soil moisture was influenced remarkably by rainfall and soil texture.The main reason of low soil moisture in the year of 2010 is the low rainfall in Xuzhou City. Key words:Xuzhou City;soil moisture;variety regularity (上接第83页) distribution of mid-west sub-water system in the Heihe river HUANG Weidong.et a1.Influence of temporal&spatial change basin【J】.Journal of Glaciology and Geocryology,2010,(6).(in 0f ec0l0gical—water diversion on water resources in downstream of Chinese)) Heihe river[J].Journal of China Hydrology,201 1,31 (5).(in [14]牛最荣,赵文智,黄维东,等.黑河下游生态调水对水资源时空变化 Chinese)) 的影响分析[J】.水文,2011,31(5).(NIU Zuirong,ZHAO Wenzhi, Study on Change Characteristics and Tendency of Temperature,Precipitation and Runoff in Weihe River Basin in Gansu NIU Zuirong ,ZHAO Wenzhi ,LIU Jinqi ,CHEN Xuelin (1.ColdandAridRegio, EnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,Chian; 2.HydroloygandWaterResourcesBureauofGansuPrvoicne,Lanzhou730000,Chian) Abstract:We analyzed temperature change and distribution characteristics,precipitation change and distribution characteristics, runoff change characteristics and future change tendency,based off periodic wave,delay distribution frequency and traceability theory,according to the observed data of temperature,precipitation and runoff at the meteorological stations,raifnall stations and hydrological stations in the fiver basin.It shows the relations among temperature,precipitation and runoff changes.The results show that:(1)The cyclical change rule for the temperature fluctuations is 9-10 years,the temperature distirbution of the river basin rises progressively from river source to main stream and relates closely to geographic elevation.(2)The average precipitaiton of the river basin decreases slightly.The distribution characteristics of precipitation in the fiver basin mainly is uniformity and zonality.(3)The runoff changes of the river basin signiifcantly decreases year by year,the annual change tendency of runoff is higher than precipitation.From the annual mean change course of runoff traceability,the tendency of runoff spatial distribution reduces continuously and the reducing speed for downstream is higher than upstream after 1970 in the Weihe River Basin. Key words:Weihe River Basin;change characteristics;tendency forecast;runoff;temperature;precipitation 

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