1. 引言
嘉陵江是长江上游的重要支流之一,流域面积约16万平方公里,流经陕西、甘肃、四川、重庆四省(市),是我国水能资源最丰富的河流之一。嘉陵江流域的水文特征对流域内的生态环境、水资源开发利用、防洪减灾等方面有着重要的影响[1]。因此,深入分析嘉陵江流域的水文特征,揭示其变化规律、驱动机制,对于合理评估和管理嘉陵江流域的水文资源具有重要意义。嘉陵江流域的水文特征受到多种因素的影响,其中气候变化、人类活动是两个主要的影响因素。气候变化会导致流域的降水、蒸发、温度等气象要素的变化,从而影响流域的水量和水质。人类活动则会通过水利工程、土地利用、水污染等方式改变流域的水文过程和水文条件[2]。这两种因素的综合作用,使得嘉陵江流域的水文特征呈现出复杂的时空变化特征,需要采用科学的方法进行分析评价。
图1. 嘉陵江流域位置图
2. 研究区概况
嘉陵江是长江上游左岸的主要支流,发源于秦岭南麓,流经甘肃、陕西、四川、重庆,于重庆市朝天门附近注入长江。研究区的经纬度范围为东经102˚30'~109˚,北纬29˚40'~34˚30'之间,流域面积为16万平方千米,在长江各大支流中居首位,其地形地貌复杂多样,地质灾害频发。属亚热带湿润季风气候,近年来气温上升,降水减少,冬季干旱。研究区地理位置如图1所示。
3. 数据资料与方法
3.1. 数据来源
基于2019年发布的DEM数据和ArcGIS软件,模拟分析嘉陵江流域的地形和水系,提取河流参数。利用CPC降水数据和水文站实测数据(1979~2019),分析流域的降水和径流量的变化规律和水文平衡特征,探讨流域水文变化的影响因素和内在机制。
3.2. 研究方法
采用ArcGIS软件和DEM数据对嘉陵江流域进行了子流域划分和水系河网生成,提取河流形态、分级和纵
图2. 划分水文单元
剖面等参数。同时,利用水文站的实测数据和SWAT水文模型的模拟数据,分析流域的降水和径流量的时空分布特征和水文平衡特征,进行敏感性分析、归因分析,揭示流域的水文变化的影响因素和内在机制[3]。
首先,DEM数据经填洼处理后,利用D8算法确定水流方向,划分分水岭,界定嘉陵江流域及其子流域。水文站定位基础上划分四水文单元(图2)分析各水文单元的降水量和径流量数据,探讨嘉陵江流域不同地区的水文特征和规律。
其次,采用集水面积阈值16.2 km2提取嘉陵江水系河网,河流总长与流域面积比值,即河网密度,由降水量、地形等多种因素决定。基于水文站点位置、自然界线计算河网密度,表1、表2为两种方法得到的河网密度。
表1. 根据水文站点位置划分的河网密度
水文点 |
主河道长度(km) |
河网总长(km) |
流域面积(km2) |
河网密度(km/km2) |
北碚 |
2940.40 |
30717.13 |
156,153 |
0.197 |
武胜 |
1533.3 |
15527.42 |
80,637 |
0.194 |
小河坝 |
557.70 |
6026.34 |
29,236 |
0.207 |
罗渡溪 |
639.47 |
7314.59 |
36,984 |
0.198 |
表2. 根据自然流域边界划分的河网密度
流域名称 |
主河道长度(km) |
河网总长(km) |
流域面积(km2) |
河网密度(km/km2) |
渠江 |
603.2 |
7544.8 |
38,133 |
0.198 |
涪江 |
614.6 |
7380.2 |
35,764 |
0.21 |
干流 |
1198.6 |
10535.4 |
529,121 |
0.198 |
全流域 |
|
31269.8 |
1,598,899 |
0.197 |
从表2中可以看出,嘉陵江流域的河网密度为0.197 km/km2。涪江流域地形平坦,支流呈树枝状,水系发育好。嘉陵江干流上游的河网密度低于下游,因为上游地形陡峭,下游地形平缓。渠江流域的河网密度与嘉陵江全流域最接近,因为渠江是嘉陵江的最大支流,占据了大部分流域面积[4]。河网密度与径流系数呈负相关,即河网密度越高,径流系数越低,这是因为河网密度高的地区,降水更容易形成河流径流,而河网密度低的地区,降水更容易形成地下水或蒸发。
4. 嘉陵江流域水文特征分析
4.1. 河流分级
采用斯特拉勒分级法将水系按照河流的汇合情况分为7个等级。计算各级水系的分叉比、河长比,分别表示水系的分支程度和河流的长度变化率。水系中
级河流数目
与高一级即
级河流总数
的比值称之为分叉比,用
来表示。水系中
级河流的平均长度
与比其低一级即
级河流的平均长度
的比值称之为河长比,用
表示。霍顿在1945年研究发现,河流的长度
几乎不随河流的级数而改变,自然所形成的的水系河长比
之间,且
和
近似为常数。基于Horton定理估算水系分维系数,公式如下:
根据公式得到各级水系的分叉比为2.44~4.38,河长比为1.84~2.51,进而得到全流域的分叉比为3.39、河长比为2.01。
基于霍顿定理计算嘉陵江流域的水系分维系数,分别为1.84,属于壮年阶段,水系分维系数较大说明其流域形态更复杂,河网发育更好。
4.2. 河道纵剖面分析
根据嘉陵江流域的数字高程影像,在ArcGIS中提取主要河道的河床高程值,绘制河道剖面曲线图(图3),结合河道比降的计算可以得出以下结论:
嘉陵江流域河道纵剖面下凹,河流侵蚀强于构造抬升。河源的秦巴山区,三大构造单元交汇,地质复杂,河道陡峭,下凹曲度大,水能丰富。河流入四川盆地,地质简单,沉积岩为主,河道平缓,下凹曲度小。河道形态受岩石、水文、气候等影响。河道比降分别为5.35%、4.36%、1.12‰、4.48%、0.45%。西侧涪江比降和凹曲度大于东侧渠江,与地形有关。西侧流经高原,山深河陡,侵蚀强,河床下切明显。东侧流经丘陵,地形平缓,侵蚀弱,河床下切轻微。干流比降为1.8‰,上下游凹曲度差异大。嘉陵江流域是长江上游水土流失重点区,上游陇南–陕南地区和中下游最严重。上游黄土厚,坡陡河急,冲沟多,侵蚀大,泥石流多。干流上游为高山峡谷,崩塌多。涪江上游有盆周山地,滑坡多。盆周山地灾害多于盆中地区。
4.3. 降水量变化趋势
本文利用CPC逐日降雨量栅格数据和MATLAB编程,对嘉陵江流域1979~2019年的降水量和降水资源总量进行了计算和分析。结果表明,北碚水文站的年降水总量、年际变差系数能反映整个流域的降水变化特征,渠江流域的降水资源优于涪江流域。采用降水距平指数评价流域的干旱状况,如图4所示,该流域共有12年出现干旱,1984~2002年为降水减少期,2003~2019年为降水增多期。副热带高压的变化是影响流域降水的主要因素,同时也导致了降水的马太效应。
比较四个水文站的降水量差异,结果表明嘉陵江流域的年降水总量受集水面积的影响较大,流域年平均降水量能更好地反映水文单元间的降水状况。四个水文站中,罗渡溪站的年平均降水量最高,为1095.41 mm。降水的空间分布呈现出东多西少,南多北少的特点。嘉陵江流域属于亚热带季风气候区,降水量分配不均匀,主要集中在5~9月,占全年的一半以上。北碚站以上流域的5~9月降水总量是全年的78%,其中6~9月更为集中,是全年的66%。10月到次年4月的降水量很少,只占24%。7月降水最多,12月降水最少,且相差很大,可见,嘉陵江流域夏季降水占比最大,春秋次之,冬季最小。
图3. 河道纵剖面
图4. 降水距平指数
4.4. 径流量变化趋势
嘉陵江流域1979~2019年间的多年分时段平均径流量,以及与年降水总量的关系。结果显示,嘉陵江流域的平均径流量呈现出明显的减少趋势,尤其是在1979~1988年和1989~1998年两个时段,北碚站、武胜站的平均径流量分别减少了124亿m3、55.6亿m3。同期,嘉陵江流域的年降水总量也有所下降,北碚站、武胜站的年降水总量分别下降了231.79亿m3、86.76亿m3。这表明,嘉陵江流域的年径流量减少的主要原因是河流水量的主要补给来源——年降水总量的减少。
嘉陵江流域的径流量受季节变化的影响很大,年内分配不均匀。夏季是径流量的旺季,冬季是径流量的淡季。流域总水文控制点北碚站的多年平均径流量为657.5亿m3,其中7~10月的径流量占全年的68%,7~9月的径流量占全年的56%。相反,1~6月和11~12月的径流量只占全年的26%和7.8%,12月至次年3月的径流量更是只占全年的8%。嘉陵江流域的径流量季节变化还表现在最大值和最小值的差异上。最大值出现在7月,为139.23亿m3,占全年的22%;最小值出现在2月,仅为8.9亿m3,占全年的1.3%。最大值是最小值的16倍。7月的径流量高峰之后,8月的径流量明显下降了37.5亿m3,9月的径流量又回升了17.5亿m3,形成了夏、秋两个汛期。
4.5. 径流系数
本文根据如下公式计算嘉陵江流域四个水文单元的年际、月际径流系数。由于数据的局限性。
其中,a为径流系数,y为径流深度,x为降水深度。
嘉陵江流域各水文单元的1979~2019的年际径流系数计算结果见表3。
嘉陵江流域的四站(北碚、武胜)的月径流系数变化较大,表明该流域的径流量受到多种因素的影响。从上游到下游,月径流系数的差值逐渐增大,说明上游地区的径流量更加稳定,而下游地区的径流量更加波动。在冬春季节,两站均出现月径流系数大于1的情况,意味着径流量超过降水量,说明该地区的河流径流量不仅依赖于降水,还有其他的补给方式,如地下水、冰雪融水、湖泊等。这些补给方式使得河流在降水不足的时候仍能保持一定的流量,维持河流的生态功能。因此,月径流系数大于1的月数越多,表明该地区的河流径流量补给来源更加多样,与嘉陵江流域的地理特征相符合。
表3. 嘉陵江流域各水文单元年际径流系数
流域 |
年份 |
径流深度/mm |
降水量/mm |
径流系数 |
干流中游 |
1979~1988 |
383.66 |
1033.49 |
0.38 |
1989~1998 |
326.83 |
891.65 |
0.37 |
嘉陵江全流域 |
1979~1988 |
454.67 |
983.49 |
0.47 |
1989~1998 |
373.64 |
814.83 |
0.46 |
1999~2008 |
360.99 |
844.33 |
0.43 |
涪江流域 |
1979~2019 |
528.83 |
769.81 |
0.67 |
渠江流域 |
1979~2019 |
622.41 |
1088.69 |
0.58 |
由于径流量数据不足,仅计算部分水文单位的逐月径流系数,结果见表4。
表4. 嘉陵江流域部分水文单元月际径流系数
月份 |
北碚站 |
武胜站 |
1月 |
0.83 |
1.14 |
2月 |
0.47 |
0.6 |
3月 |
0.27 |
0.33 |
4月 |
0.3 |
0.28 |
5月 |
0.32 |
0.29 |
6月 |
0.29 |
0.26 |
7月 |
0.52 |
0.45 |
8月 |
0.46 |
0.44 |
9月 |
0.58 |
0.52 |
10月 |
0.76 |
0.7 |
11月 |
0.89 |
1.03 |
12月 |
1.28 |
1.88 |
5. 径流量反推计算
5.1. 年径流量反推
基于径流系数、CPC逐日降水量数据对嘉陵江流域各水文单元的径流量进行反推。分析结果表明,嘉陵江流域(北碚水文站以上)的径流量受降水量影响显著,1979~2019年的变异系数为0.17,其中1981年最大,1996年最小。1979~1996年的变异系数为0.2,1997~2019年的变异系数为0.13,说明径流量的变化趋势与降水量一致,且下降更为明显。根据《水文情报预报规范》,1979~2019年间有4个特丰水年和5个特枯水年,1991~2007年间径流距平百分率多为负值,只有1998年为偏丰水年。1998年由于径流量激增,导致嘉陵江流域发生严重洪灾,嘉陵江洪峰与长江汇合后,造成洪水。
5.2. 月平均径流量推算
基于表4的月径流系数、CPC逐月降水量数据推算月平均径流量的理论值,与实际值进行对比分析。结果表明,理论值和实际值的变化趋势基本一致,但存在一些差异。理论值在春季开始上升,7月达到最大,呈现单峰形态,而实际值在6月至9月间出现两次峰值,呈现双峰形态。此外,理论值的增长速度相对较慢,而实际值的增长速度较快。这些差异可能与水文站的位置、降水量的分布、径流系数的计算方法等因素有关[5]。
6. 讨论
1) 降水与径流量的关系
嘉陵江流域的降水量在1979~2019年间经历了显著变化,尤其是1984~2002年的降水减少期,对径流量产生了直接影响。北碚站的数据显示这一时期降水量的减少导致径流量相应减少。2003~2019年降水量增多,但年际变化趋于平稳,北碚站以上流域的5~9月降水总量占全年的78%,季节性降水模式对径流量有决定性影响。夏季降水对径流量的重要性不容忽视,是流域水文特征的关键组成部分,表明气候变化对径流量有长期影响。
2) 河网密度与径流系数的关系
嘉陵江全流域河网密度为0.197 km/km2,研究结果显示河网密度、径流系数呈负相关关系,这与李威的研究结论符合。河网密度较高的地区可能有更低的径流系数,可能是因为降水更容易形成河流径流,而河网密度低的地区,降水更容易形成地下水或蒸发[6]。河网密度高的地区降水更易转化为径流,而低密度地区降水可能转为地下水或蒸发。
3) 水利工程的影响
干流中游1979~1988年的径流系数为0.38,而1989~1998年略降至0.37,可能是因为气候变化、水利工程建设对径流量的影响。张跃华等研究指出人类活动,尤其是水利工程的建设,如大坝和水库,会改变河流的自然流动和水文周期,水利工程的蓄水、放水操作可能导致嘉陵江下游河段的径流量和水位发生变化,从而影响整个流域的水文特征[7]。刘扬扬等人的研究表明水电站的运行会改变水域形态、径流、水位、流速和泥沙等,使得枯水期流量增加、水位上升,丰水期流量减少、水位下降。具体到嘉陵江流域,亭子口电站等水利工程的运行对坝下河段水文情势产生了显著影响,调节了入库径流,改变了天然径流的时空分配过程,梯级水库的拦沙作用导致下游河段含沙量明显减少,对河床产生了一定的冲刷影响[8]。胡云华研究指出降雨量变化是嘉陵江流域径流、泥沙变化的直接因素,但人类活动导致的地表下垫面变化加剧了径流、泥沙变化[9]。
7. 结论
综上所述,本文以嘉陵江流域为例,利用CPC降水量数据,计算了各水文站的径流系数,并分析了其变化规律和影响因素。结论如下:
1) 年径流系数与降水量同步下降,说明降水量是主要影响因素,人类活动尤其是水利工程的建设,如大坝和水库,会改变河流的自然流动和水文周期。
2) 月径流系数变化大,上游稳定,下游波动。冬春季节,月径流系数大于1,说明河流径流量有其他补给方式,如地下水、冰雪融水、湖泊等。
3) 季节径流系数变化规律与月径流系数相似,但差异小,说明季节尺度上的径流形成受多种因素影响,如气温、蒸发、植被等。
4) 分时段径流系数反映了径流形成机制,1979~1996年变异系数最大,可能与气候变化和人类活动有关。1997~2019年变异系数最小,可能与水资源管理和保护有关。
NOTES
作者简介:郑倩,籍贯:重庆市涪陵区,出生于1996年5月,主要从事水文水资源方面的研究,Email: 47899690@qq.com