董才文, 張正棟, 楊傳訓(xùn), 萬(wàn)露文, 張 倩

(華南師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 廣東 廣州 510631)

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1960-2013年廣東省梅江流域徑流特征及其對(duì)降水的滯后效應(yīng)

董才文, 張正棟, 楊傳訓(xùn), 萬(wàn)露文, 張 倩

(華南師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 廣東 廣州 510631)

摘要：[目的] 全面了解梅江流域的水文特征及其變化趨勢(shì)，為河流水量調(diào)節(jié)、防洪防汛及流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面提供決策依據(jù)。[方法] 以該地區(qū)的典型河流梅江為例，利用1960—2013年流域的徑流、降水?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合累積距平、變異系數(shù)、集中度和集中期等數(shù)理方法，對(duì)梅江的徑流量、降水量在年代、年際、季節(jié)等時(shí)間尺度上進(jìn)行分析，并用集中期來(lái)反映徑流對(duì)降水變化的滯后效應(yīng)。[結(jié)果] 梅江徑流量年際變化整體呈下降趨勢(shì)，遞減率為5.79 mm/10 a；流域徑流主要集中在4—9月，季節(jié)上主要集中在夏季和春季，徑流集中期主要集中在5月下旬至7月中旬；流域內(nèi)多年降水量呈波動(dòng)減少趨勢(shì)，但減少幅度很小，降水集中期主要集中在5—6月；流域內(nèi)年徑流量與降水量存在極大的相關(guān)性，并呈線性回歸關(guān)系(r=0.824>0.428=R0.001，54，回歸顯著水平超過(guò)0.001)，流域徑流對(duì)降水具有滯后效應(yīng)，多年平均滯后時(shí)間為21 d，且滯后天數(shù)隨著時(shí)間推移呈擴(kuò)大趨勢(shì)。[結(jié)論] 可以推測(cè)是人類活動(dòng)改變了地表覆被狀況或者是氣候的變化。

關(guān)鍵詞：徑流; 降水; 滯后效應(yīng); 集中度; 集中期; 梅江流域

文獻(xiàn)參數(shù)： 董才文, 張正棟, 楊傳訓(xùn), 等.1960—2013年廣東省梅江流域徑流特征及其對(duì)降水的滯后效應(yīng)[J].水土保持通報(bào)，2016,36(3)：38-45.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.008

水資源是人類生產(chǎn)與生活活動(dòng)的基礎(chǔ)自然資源，是生態(tài)環(huán)境建設(shè)的控制性因素，同時(shí)也是具有戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源，是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的有機(jī)組成部分[1]。作為水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，河川徑流是水資源綜合開發(fā)利用、科學(xué)管理及優(yōu)化調(diào)度的重要依據(jù)。近年來(lái)，隨著全球變暖和人類活動(dòng)影響的加劇，河川徑流發(fā)生了顯著的時(shí)空變化，出現(xiàn)了一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題：流域旱澇災(zāi)害頻發(fā)、水土流失嚴(yán)重、水質(zhì)惡化等，這直接影響了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，全球氣候變化是導(dǎo)致徑流發(fā)生變化的最直接原因，因此研究氣候變化與徑流的關(guān)系具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)這兩者的關(guān)系進(jìn)行了研究，如劉昌明等[2]利用黃河干流控制流域匯水的主要水文站近40 a的逐月徑流資料，分成了4個(gè)系列進(jìn)行時(shí)序分析，得出了黃河下游徑流主要來(lái)源于上中游入水，以及中下游基流量在39 a中有下降趨勢(shì)這些非常有意義的結(jié)論。馬振梅等[3]通過(guò)對(duì)西北干早地區(qū)石羊河流域氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)于徑流的影響研究表明，流域大部分集水區(qū)徑流具有明顯的減少趨勢(shì)，氣候變化對(duì)徑流變化影響的比重占64%～87%。王兆禮等[4]探討了東江流域徑流年際變化特征及其對(duì)氣候變化和植被覆蓋變化的響應(yīng)，結(jié)果表明氣候變化、厄爾尼諾現(xiàn)象、太陽(yáng)黑子數(shù)和NDVI都對(duì)徑流變化有一定的影響，但導(dǎo)致東江流域徑流變化的根本原因是氣候因子的綜合作用。凌紅波等[5]利用葉爾羌河源流區(qū)近50 a的逐月降水量與徑流量資料，借助非參數(shù)檢驗(yàn)、小波分析等方法研究了葉爾羌河年徑流量與降水量的集中性及多時(shí)間尺度相關(guān)關(guān)系。國(guó)外對(duì)于這方面的研究多傾向于采用大中尺度水文模型來(lái)研究徑流量和氣候變化的關(guān)系，如Nash等[6]采用一個(gè)修正的水平衡模型研究了科羅拉多河水文要素系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)降水是影響徑流變化最主要的因素。Milly等[7]用多個(gè)GCM集合模擬1990—1998年全球大尺度徑流分布，并指出氣候脅迫已經(jīng)對(duì)20世紀(jì)70年代以后全球徑流分布產(chǎn)生影響，且氣候強(qiáng)迫信號(hào)在歐亞大陸北部和北美洲西北部的高緯地區(qū)比較顯著；Githui等[8]通過(guò)設(shè)置SWAT模型不同情景模擬，預(yù)測(cè)了肯尼亞恩佐亞流域氣候變化的徑流響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)徑流對(duì)溫度變化并不敏感，但如果未來(lái)年均降水量增加2.4%～23.2%，年徑流將增加6%～11.5%，表現(xiàn)出良好的降水—徑流線性關(guān)系。

梅江發(fā)源于汕尾陸豐與河源紫金交界的烏突山，是廣東省沿海河流韓江上游干流段(以梅江為韓江主源)。作為典型的華南濕熱地區(qū)的河流，梅江的徑流全由降水補(bǔ)給，河流水位、徑流量及泥沙含量等水文特征及流域周邊環(huán)境均受氣候變化的影響。河流支流多，流域范圍廣，汛期長(zhǎng)，年徑流量大。受季風(fēng)環(huán)流、鋒面雨和臺(tái)風(fēng)雨的共同影響，流域降水和徑流的年內(nèi)變化和年際變化較大，流域旱澇災(zāi)害頻發(fā)，影響了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。目前，對(duì)梅江流域的研究較少，現(xiàn)有的工作主要集中于水質(zhì)研究[9-10]和水文特性的簡(jiǎn)單分析[11]，因而有必要對(duì)流域的徑流量和降水量的特征和規(guī)律進(jìn)行綜合分析，并找出二者的關(guān)系。

本文以梅江流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，基于流域中游1960—2013年54 a的徑流量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和降水量數(shù)據(jù)，采用變異系數(shù)、累積距平、集中度和集中期等方法，對(duì)流域內(nèi)的徑流量、降水量在多時(shí)間尺度上進(jìn)行分析，深入理解徑流與降水的集中度和集中期，并用集中期來(lái)反映梅江徑流對(duì)降水的滯后效應(yīng)，旨在全面了解梅江流域的水文特征及其變化趨勢(shì)，為河流水量調(diào)節(jié)、防洪防汛及流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面提供決策依據(jù)，也可以豐富華南濕熱區(qū)河流徑流和降水的研究案例。這也是首次用集中度和集中期的方法分析華南濕熱地區(qū)河流的徑流和降水的關(guān)系。

1研究區(qū)概況

梅江流域位于廣東省東部，梅州市的中西部，是韓江主流，也是梅州市最主要的河流，上游稱琴江，流經(jīng)五華縣水寨與五華河匯合后稱梅江，由西南向東北流經(jīng)五華、興寧、梅縣、梅江區(qū)，至大埔縣的三河壩與汀江、梅潭河匯合后稱韓江。梅江的支流主要有五華河、北琴江、寧江、程江、石窟河、松源河等，干流全長(zhǎng)307 km，流域集雨面積為13 929 km2，河床比降為0.59‰，地理坐標(biāo)為東經(jīng)115°08′—116°33′，北緯23°21′—25°10′。流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫為21.1 ℃，無(wú)霜期一般都在320 d以上，多年平均降水量是1 489.4 mm，但降水量年內(nèi)分配不均，主要集中在3—9月，約占年降水總量的82.5%，年均相對(duì)濕度80%左右。流域徑流完全由降水補(bǔ)給，徑流量、降水量?jī)烧叩哪觌H變化規(guī)律比較接近。連續(xù)最大4個(gè)月徑流量基本上出現(xiàn)于5—8月，約占全年徑流量的53.1%，汛期(4—9月)徑流量約占全年徑流量的73.7%。流域在地貌上表現(xiàn)為低山、丘陵、盆地相見分布，流域?qū)倌蟻啛釒С嗉t壤分布區(qū)，分布著赤紅壤、紅壤、山黃壤和南方山地灌叢草甸土等?，F(xiàn)有植被主要是以馬尾松為主的次生林、桉樹林和稀疏草坡以及農(nóng)作物，平均植被覆蓋度約為28%。

2數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究選取了興寧市水口水文站1960—2013年的觀測(cè)月徑流數(shù)據(jù)和梅縣氣象站1960—2013年的月降水?dāng)?shù)據(jù)，徑流數(shù)據(jù)來(lái)自廣東省水利廳，降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自廣東省氣象局。水口水文站設(shè)立于1954年，是梅江的重要控制站，該站以上有琴江、五華河和興寧江等匯合，控制流域面積6 480 km2，水情變化復(fù)雜，水雨情信息對(duì)梅州市防災(zāi)減災(zāi)起著無(wú)可替代的關(guān)鍵作用。該水文站位于水口鎮(zhèn)水口圩，東經(jīng)115°53′，北緯23°59′，海拔109 m 。由于該站處于梅江干流中游，水文觀測(cè)資料時(shí)間序列較長(zhǎng)且系統(tǒng)全面，位于梅江與寧江的匯入口附近，因此選擇該水文站實(shí)測(cè)徑流量數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)，具有一定的代表性，可以用來(lái)分析梅江干流水文特征。梅縣氣象站位于梅州市梅縣區(qū)，是國(guó)家基本氣象站，設(shè)立于1952年，地理位置為東經(jīng)116°04′，北緯24°15′，海拔89.3 m。研究區(qū)四季時(shí)間定義如下：春季(3—5月)，夏季(6—8月)，秋季(9—11月)，冬季(12月至翌年2月)。

2.2研究方法

本文所采用的研究方法主要包括：累積距平法、變差系數(shù)法、集中度和集中期以及相關(guān)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法等。

(1) 根據(jù)梅江流域年徑流量數(shù)據(jù)，采用累積距平法得到年徑流量累積距平序列，從而繪制累積距平曲線。當(dāng)累積距平持續(xù)增大時(shí)，表明該時(shí)段內(nèi)徑流量距平持續(xù)為正；當(dāng)累積距平持續(xù)不變時(shí)，表明該時(shí)段距平持續(xù)為零即保持平均；當(dāng)累積距平持續(xù)減小時(shí)，表明該時(shí)段內(nèi)徑流量距平持續(xù)為負(fù)。據(jù)此，可以較為直觀而準(zhǔn)確地確定徑流量年際變化階段[12]。

(2) 因?yàn)闅夂虻募竟?jié)性變化，氣象要素中的降水和氣溫都有明顯的季節(jié)性波動(dòng)，在一定程度上決定了徑流年內(nèi)的季節(jié)性變化。本文用徑流年內(nèi)變差系數(shù) 來(lái)衡量徑流年內(nèi)季節(jié)性變化程度[13]。徑流年內(nèi)變差系數(shù)Cv的計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3) 集中度是利用逐月徑流量(降水量)反映年內(nèi)徑流量(降水量)集中程度的重要指標(biāo)，集中期是利用逐月徑流量(降水量)反映年內(nèi)最大徑流量(降水量)出現(xiàn)時(shí)段的重要指標(biāo)[14]。集中度和集中期的計(jì)算是將一年內(nèi)各月的徑流量作為向量看待，月徑流量的大小為向量的長(zhǎng)度，所處的月份為向量的方向。1—12月每月的方位角h依次為0，30°，60°，…，330°，并把每個(gè)月的徑流量分解為x和y兩個(gè)方向上的分量，則x和y方向上的向量合成：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：Ri——第i月的徑流量(m3/s)；h——第i月徑流的方位角(°)；Rx，Ry——X，Y方向合成向量；R——Rx和Ry的合成總向量；Cd——集中度(m3/s)；D——集中期。集中度和集中期的詳細(xì)計(jì)算過(guò)程見參考文獻(xiàn)[15]。

3結(jié)果與分析

3.1流域徑流特征分析

根據(jù)水口水文站1960—2013年這54 a的徑流數(shù)據(jù)，得出梅江多年平均徑流量為153 m3/s(4.83×109m3),1960—2013年，年徑流量呈波動(dòng)變化(圖1)，總體上徑流變化呈下降趨勢(shì)，但趨勢(shì)不明顯(r=0.161<0.222=R0.1,54，回歸顯著水平不到0.01)。由表1可見，流域最大徑流量出現(xiàn)在1983年，為316.1 m3/s(9.97×109m3)，最小值出現(xiàn)在2009年，為39.5 m3/s(1.25×10 9m3)，絕對(duì)變化幅度276.6 m3/s(8.72×109m3)，相對(duì)變化幅度為8。根據(jù)徑流年內(nèi)變差系數(shù) 的計(jì)算公式，得出梅江年徑流量的變差系數(shù)為0.366，說(shuō)明其年際變化總體上較為平穩(wěn)。

另外，從圖1中的累積距平曲線來(lái)看，54 a來(lái)梅江流域徑流呈現(xiàn)出明顯的階段性變化特征，1961—1972,2002—2012年徑流量以減少為主，累積距平曲線呈波動(dòng)式下降狀態(tài)，也表明最近10 a來(lái)河流進(jìn)入枯水期；1973—2001年累積距平曲線表現(xiàn)為明顯的上升趨勢(shì)，累積距平為正，徑流量以增加為主，河流為豐水期。

圖1　廣東省梅州市梅江徑流年際變化和累積距平曲線

集水面積/km2多年平均流量/(m3·s-1)最大水年徑流量/(m3·s-1)年份最小水年徑流量/(m3·s-1)年份年際極值比變差系數(shù)Cv14061153316.1198339.5200980.366

從梅江流域徑流的年內(nèi)分配特征來(lái)看(圖2)，徑流年內(nèi)分配不均勻，主要集中在4—9月，季節(jié)上主要是在夏季和春季，占年徑流量的68%以上，各個(gè)年代的徑流也主要集中在這一階段；1—3和10—12月的徑流比較小。針對(duì)各個(gè)年代的最大徑流月份而言，1960，1970和2000s最大徑流出現(xiàn)在6月，1980和2010s出現(xiàn)在5月，1990s出現(xiàn)在8月，多年平均最大徑流出現(xiàn)在6月，這主要是各個(gè)年代徑流的集中時(shí)期不同造成的，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)與降水量在年內(nèi)時(shí)間上的分配有關(guān)，廣東緯度低，處于夏季風(fēng)和臺(tái)風(fēng)活動(dòng)的前沿，河流屬暖季泛濫性河流，徑流全部靠降水補(bǔ)給。由于各年間季風(fēng)和臺(tái)風(fēng)強(qiáng)弱不同，來(lái)去的遲早和停留的時(shí)間長(zhǎng)短不等，導(dǎo)致河流的徑流量存在年際上的變化，具有不穩(wěn)定性。

圖2　廣東省梅州市梅江流域徑流年內(nèi)分配特征

梅江各季節(jié)徑流量均呈波動(dòng)性變化(圖3)，從各個(gè)季節(jié)徑流量的線性趨勢(shì)來(lái)看，春季徑流量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)(線性方程斜率為-5.31 mm/10 a)，但趨勢(shì)并不明顯(r=0.084<0.092=R0.5,54，回歸顯著水平不到0.05)；夏季徑流量也呈緩慢下降趨勢(shì)(線性方程斜率為-4.15 mm/10 a)，但變化趨勢(shì)很不明顯(r=0.055<0.092=R0.5,54，回歸顯著水平不到0.05)；秋季徑流量減少趨勢(shì)明顯(線性方程斜率為-12.97 mm/10 a，r=0.283>0.263=R0.05,54，回歸顯著水平在0.05以上)；冬季徑流量同樣呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)(線性方程斜率為-0.69 mm/10 a)，但變化趨勢(shì)極不明顯(r=0.032<0.092=R0.5,54，回歸顯著水平不到0.05)。春夏秋冬各季節(jié)平均徑流量為別為169.6，249.2，128.8，64.3 m3/s，徑流量所占年徑流量的百分比分別集中在23.6%～35.9%，34.7%～48.3%，17.2%～25.9%，8.7%～12.2%，均說(shuō)明梅江的徑流主要集中在夏季和春季，秋冬季節(jié)徑流量較小。夏季和春季所占的徑流比例達(dá)68%以上，但其變化趨勢(shì)不明顯，而秋季徑流量下降趨勢(shì)明顯，整體上梅江流域年徑流量變化不明顯。春夏秋冬各季節(jié)的變差系數(shù)為：0.482，0.343，0.457，0.449，說(shuō)明春季的年際徑流波動(dòng)最大，夏季的年際徑流量較穩(wěn)定。

由于徑流變化在月份和季節(jié)上存在有明顯差異，徑流分配特征隨年代變化也存在差異。為此，進(jìn)一步討論分析梅江徑流量的集中程度和集中期，有利于加深對(duì)河流水文特征的了解，這對(duì)于華南濕熱區(qū)河流的水量調(diào)節(jié)、防洪防汛及流域生態(tài)保護(hù)等方面具有現(xiàn)實(shí)意義。

梅江流域徑流集中度和集中期的年際變化表明(圖4)，集中度圍繞平均值Cd=35%上下波動(dòng)，最高達(dá)60.4%，最低為19.7%，說(shuō)明梅江徑流主要集中在1 a內(nèi)的某幾個(gè)月內(nèi)，這與圖2體現(xiàn)的徑流主要集中在4—9月相符。梅江年內(nèi)徑流集中期也存在上下波動(dòng)趨勢(shì)，并且從趨勢(shì)線可以看出隨時(shí)間的推移發(fā)現(xiàn)集中期逐漸向后推移，從分布的時(shí)間范圍上來(lái)看，主要集中在5月下旬至7月中旬，54 a中有43 a落在這一時(shí)間段內(nèi)，占總年份的80%。其中，集中在6月1日至6月30日的有27 a，集中在7月1—16日的有12 a，分別占總年份的的50%和22.2%。

各年代的徑流統(tǒng)計(jì)特征也表現(xiàn)出一定的差異性，如表2所示，徑流集中度處于32.9%～42.4%，較為集中；集中期的合成向量處于141°～175.88°之間，轉(zhuǎn)化為徑流集中期的時(shí)間為5月23日至6月27日，多年平均徑流集中期的時(shí)間為6月17日。

表2　流域徑流統(tǒng)計(jì)特征

圖3　廣東省梅州市梅江流域季節(jié)徑流量及其占年徑流量比例變化

圖4　廣東省梅州市梅江流域徑流集中度和集中期年際變化

3.2流域降水特征分析

如圖5所示，1960—2013年，梅江流域內(nèi)降水量呈波動(dòng)減少趨勢(shì)，但減少幅度很小，平均每10 a減少2.45 mm，多年平均降水量為1 489.4 mm。其中，最大降水量為2 355.4 mm，出現(xiàn)在1983年，最小降水量為1 011.3 mm，出現(xiàn)在1991年，絕對(duì)變化幅度為478.1 mm，相對(duì)變化幅度為2.33，變差系數(shù)為0.194。與流域內(nèi)的徑流量相比，降水的相對(duì)變化幅度和變差系數(shù)均較小，說(shuō)明流域內(nèi)降水量的年際變化不大。

從圖5的累積距平曲線可以看出，多年來(lái)梅江流域的降水量也呈現(xiàn)出相對(duì)明顯的階段性變化特征，1961—1971,2001—2004,2006—2012年降水量以減少為主，累積距平曲線呈明顯下降狀態(tài)；1972—1994年累積距平曲線呈波動(dòng)式上升狀態(tài)，降水量以增加為主；1995—2000年降水變化不明顯。

圖5　廣東省梅州市梅江流域降水年際變化和累積距平曲線

梅江流域降水量的年內(nèi)分配特征顯示(圖6)，降水主要集中在4—6和8月，占到年降水量的55%以上，從季節(jié)上看主要是在春季和夏季，各年代的降水變化也主要體現(xiàn)在這一階段，1—3,7和9—12月所占比例較小。各年代最大降水出現(xiàn)的月份也有差異，具體而言，1970，1980和2010 s最大降水出現(xiàn)在5月，263.3，249.5，289.9 mm，1960和2000 s出現(xiàn)在6月份， 277.8和269.6 mm，而1990 s最大降水是出現(xiàn)在8月，為212.4 mm，這說(shuō)明各年代或年內(nèi)降水的分配特征和集中程度存在差異。同時(shí)，比較圖2與圖6可以看出，徑流峰值落后于降水，這說(shuō)明徑流對(duì)降水有滯后效應(yīng)。

圖6　廣東省梅州市梅江流域降水年內(nèi)分配特征

各月的降水量數(shù)據(jù)得到梅江流域降水集中度和集中期時(shí)間序列(圖7)，集中度圍繞平均值Cd=39.5%上下波動(dòng)，最高達(dá)45.3%，最低為35.6%，但集中度的趨勢(shì)基本保持不變。較高的集中度表明，流域年內(nèi)降水較為集中，這在年代尺度上的各月降水量變化也能體現(xiàn)(圖6)，而降水集中期有隨時(shí)間向前推移的趨勢(shì)。同時(shí)，與梅江流域的徑流集中度相比，降水集中度大于徑流集中度，表明降水波動(dòng)小于徑流，降水集中期更穩(wěn)定。從降水集中期的分布時(shí)間范圍來(lái)看，主要分布在5和6月，其中，集中在5月的有30 a，集中在6月的有14 a，分別占總年份的55.6%和25.9%。

表3中的各年代降水年內(nèi)分配特征顯示，集中程度較高(Cd≥35.6%)，集中期的合成向量主要處于133.57°～154.84°之間，轉(zhuǎn)化為降水集中期的時(shí)間為5月15日至6月6日，多年平均降水量集中期的時(shí)間為5月28日。

圖7　廣東省梅州市梅江流域降水集中度和集中期年際變化

時(shí)間段降水量/mm集中度/%集中期合成向量方向/(°)最大降水出現(xiàn)時(shí)間1960s1442.643.1152.0206031970s1488.937.0154.8406061980s1578.139.5133.5705151990s1472.535.6140.9905232000s1461.045.3146.4905292010s1499.936.4150.880602多年平均1489.439.5145.860528

3.3徑流對(duì)降水的響應(yīng)

梅江為典型的華南地區(qū)的外流河，河流徑流完全依賴降水補(bǔ)給，徑流量受降水量的直接影響，因此，需要考慮降水量和徑流量的關(guān)系。采用梅江流域年徑流量和年降水量進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析表明(圖8)，兩者存在極大的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.824?；貧w趨勢(shì)分析表明，年徑流量與年降水量的關(guān)系為線性回歸關(guān)系(r=0.824>0.428=R0.001，54)，兩者的回歸方程有很好的擬合度，即徑流量會(huì)隨降水量的增加而增加，反之亦然。

圖8　廣東省梅州市梅江流域年平均徑流量與降水量回歸分析

隨著人類水土資源開發(fā)活動(dòng)的日漸深入，傳統(tǒng)的自然水循環(huán)模式已逐漸被“自然—人工”二元水循環(huán)模式所取代。人類對(duì)水土資源的開發(fā)利用直接改變了影響產(chǎn)匯流過(guò)程的下墊面條件，改變了水的循環(huán)和轉(zhuǎn)化過(guò)程，使得流域水文情勢(shì)發(fā)生改變[16]。徑流形成過(guò)程是從降水落到流域表面至水流匯聚到流域出口斷面的整個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程，可以概括為產(chǎn)流過(guò)程和匯流過(guò)程。徑流是流域中氣候、下墊面條件和人類活動(dòng)等眾多因素綜合作用的產(chǎn)物，由降水所形成的徑流需要經(jīng)過(guò)停蓄階段、漫流階段、河槽集流階段3個(gè)階段，各個(gè)階段因降雨量大小、下墊面因素不同而需要耗費(fèi)時(shí)間。因此，流域內(nèi)每次降水匯流至水文站需要一定的時(shí)間，即降水所對(duì)應(yīng)在水文站觀測(cè)的水文特征具有時(shí)間差，本研究嘗試應(yīng)用降水和徑流的集中期來(lái)進(jìn)一步探討兩者的內(nèi)在聯(lián)系。

從圖9可以看出，徑流集中期出現(xiàn)在降水集中期以后，且波動(dòng)趨勢(shì)相近。徑流集中期相對(duì)降水集中期的滯后天數(shù)大多在5～40 d內(nèi)，占到整個(gè)時(shí)間段的83.3%，平均滯后21 d，說(shuō)明從流域降水開始，經(jīng)過(guò)蓄流、匯流至觀測(cè)水文站需21 d左右的時(shí)間。此外，從圖9滯后天數(shù)的趨勢(shì)線來(lái)看，滯后天數(shù)有增大趨勢(shì)，1960—2000s間，各年代的平均滯后天數(shù)為20.8，23，16.3，28.6和24.9 d，隨時(shí)間推移呈上升趨勢(shì)。滯后天數(shù)的增加主要是因?yàn)閺搅骷衅谙蚝笸七t和降水集中期的向前推移。

圖9　廣東省梅州市梅江流域降水和徑流的集中期對(duì)比及滯后時(shí)間年際變化

水文現(xiàn)象具有必然性和隨機(jī)性，其演變規(guī)律不僅具有趨勢(shì)性、周期性等確定性演變特點(diǎn)，而且也具有不確定性的特征。隨著人類活動(dòng)和全球氣候變化的影響，水文現(xiàn)象的不確定性更加突顯。流域的徑流對(duì)于降水具有滯后效應(yīng)，基于集中度、集中期理論和梅江中游54 a的徑流量、降水量數(shù)據(jù)，計(jì)算出梅江流域多年平均滯后天數(shù)長(zhǎng)達(dá)21 d，且滯后天數(shù)隨時(shí)間推移有增加趨勢(shì)。這其中很重要的一個(gè)原因是人類活動(dòng)改變地表覆被而使產(chǎn)流的各個(gè)階段時(shí)間延長(zhǎng)，從而使徑流對(duì)降水的滯后時(shí)間延長(zhǎng)[17-18]，如將坡地改為梯田、退耕還林、植樹造林和蓄水工程建設(shè)等都能起到一定的蓄水作用，增加土壤的持水量和水的滯留時(shí)間[19]。梅江流域近30，40 a來(lái)，人口大量增加，工業(yè)化和城市化進(jìn)程加快，這使得流域內(nèi)天然林破壞嚴(yán)重，面積急劇減少，但同時(shí)因流域水土保持和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，部分耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾筒莸?，人工?主要包括用材林、經(jīng)濟(jì)林和防護(hù)林等)的面積迅速增加，總體上流域內(nèi)的林地和草地面積是呈不斷增長(zhǎng)趨勢(shì)的，這對(duì)徑流產(chǎn)生了影響。另一方面，梅州市政府和社會(huì)對(duì)水利的投入增加，流域水利事業(yè)發(fā)展的步伐加快，水庫(kù)山塘、溝渠等蓄水和引水工程設(shè)施建設(shè)全面提速，這也很大程度上延長(zhǎng)了降水停蓄時(shí)間。

4討論與結(jié)論

4.1討 論

(1) 流域徑流對(duì)降水的多年滯后天數(shù)為21 d，這僅是應(yīng)用集中度和集中期理論獲得的初步結(jié)論，而水文現(xiàn)象具有復(fù)雜性和不確定性，這就需要進(jìn)一步通過(guò)獲取野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)，明確降水強(qiáng)度對(duì)地表徑流的影響(降水入滲速率、徑流模數(shù)等參數(shù)都會(huì)影響徑流的形成時(shí)間)，進(jìn)而與此結(jié)論進(jìn)行比較。

(2) 本文主要分析了降水變化對(duì)徑流變化的影響，雖然降水是影響河川徑流最基本的因素，但實(shí)際上土地利用與土地覆被變化對(duì)流域徑流的減少也有顯著影響[20]，徑流對(duì)降水的滯后時(shí)間隨年際變化呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，這可能是因?yàn)榈乇砀脖蛔兓?如流域內(nèi)植被指數(shù)NDVI的升高)或人類對(duì)降水進(jìn)行攔截引起的，還有原因可能是氣候因素的變化。因此梅江流域內(nèi)土地利用/覆被的變化對(duì)河川徑流到底存在什么樣的影響？影響程度如何？流域內(nèi)徑流對(duì)降水滯后的時(shí)間增大是否與該流域土地利用/覆被的變化或者氣候的變化有關(guān)？這些都需要接下來(lái)進(jìn)一步的探究。

4.2結(jié) 論

(1) 徑流量呈波動(dòng)變化，主要集中在4—9月，占年徑流量的68%左右，集中期主要分布在5月下旬至7月中旬；流域內(nèi)降水量趨勢(shì)幾十年來(lái)基本保持不變，主要集中在4—6和8月，占到年降水量的55%左右，集中期主要分布在5和6月。

(2) 梅江各季節(jié)徑流量均呈波動(dòng)性變化，從各個(gè)季節(jié)徑流量的線性趨勢(shì)來(lái)看，4個(gè)季節(jié)的徑流量均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，其中秋季下降趨勢(shì)明顯，其他季節(jié)變化趨勢(shì)不明顯。

(3) 從徑流量和降水量的累積距平曲線來(lái)看，梅江流域徑流量和降水量呈現(xiàn)出明顯的階段性變化特征，1961—1972和2001—2012年，兩者均呈現(xiàn)較為明顯的減少趨勢(shì)，1972—1994年，徑流量和降水量又表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。這也表明近10 a多來(lái)，梅江流域來(lái)水量整體呈偏枯態(tài)勢(shì)，氣候相對(duì)干燥。

(4) 采用相關(guān)性分析法得出，流域內(nèi)年徑流量與降水量存在極大的相關(guān)性，并呈線性回歸關(guān)系(r=0.824，大于R0.001，54=0.428)，這表明了流域降水量增加會(huì)使徑流量增加，反之亦然。

(5) 根據(jù)集中度和集中期理論，梅江流域的徑流對(duì)降水具有滯后效應(yīng)，54 a平均時(shí)間為21 d，且滯后天數(shù)隨時(shí)間推移呈擴(kuò)大趨勢(shì)。其中主要原因可能是人類活動(dòng)，如將坡地改為梯田、退耕還林和蓄水工程建設(shè)等延長(zhǎng)了降水停蓄時(shí)間。

[參考文獻(xiàn)]

[1]陳志愷.中國(guó)水資源的可持續(xù)利用問(wèn)題[J].水文,2003,23(1):1-5.

[2]劉昌明,成立.黃河干流下游斷流的徑流序列分析[J].地理學(xué)報(bào),2000,55(3):257-266.

[3]Ma Zhenmei, Kang Shaozhong, Zhang Lu, et al. Analysis of impacts of climate variability and human activity on streamflow for a river basin in arid region of northwest China[J]. Journal of Hydrology, 2008,352(3):239-249.

[4]王兆禮,陳曉宏,楊濤.近50 a東江流域徑流變化及影響因素分析[J].自然資源學(xué)報(bào),2010,25(8):1365-1374.

[5]凌紅波,徐海量,張青青,等.葉爾羌河年徑流量與降水量的集中性及相關(guān)性分析[J].中國(guó)沙漠,2012,32(6):1757-1764.

[6]Nash L L, Gleick P H. Sensitivity of streamflow in the Colorado basin to climatic changes[J]. Journal of Hydrology, 1991,125(3):221-241.

[7]Milly P C D, Dunne K A, Vecchia A V. Global pattern of trends in streamflow and water availability in a changing climate[J]. Nature, 2005,438(7066):347-350.

[8]Githui F, Gitau W, Mutua F, et al. Climate change impact on SWAT simulated streamflow in western Kenya[J]. International Journal of Climatology, 2009,29(12):1823-1834.

[9]李善吉.對(duì)梅江河水中微量元素的區(qū)域性研究[J].廣東微量元素科學(xué),2004,11(1):54-56.

[10]黃燕戀,黃立民.梅江河近十年水質(zhì)變化趨勢(shì)分析[J].廣東水利水電,2011,5(5):40-42.

[11]李建東.韓江流域中上游:梅州地區(qū)水文特性分析[J].資源與環(huán)境,2012,17(2):34-36.

[12]馬新萍,白紅英,侯欽磊,等.1959—2010年秦嶺灞河流域徑流量變化及其影響因素分析[J].資源科學(xué),2012,34(7):1299-1303.

[13]劉士余,章俊霞,羅志軍,等.近50 a贛西北大坑小流域徑流對(duì)降雨的響應(yīng)[J].水土保持研究,2012,19(1):19-22.

[14]劉賢趙,李嘉竹,宿慶,等.基于集中度與集中期的徑流年內(nèi)分配研究[J].地理科學(xué),2007,27(6):791-795.

[15]楊遠(yuǎn)東.河川徑流年內(nèi)分配的計(jì)算方法[J].地理學(xué)報(bào),1984,39(2):218-227.

[16]王浩,嚴(yán)登華,楊大文,等.水文學(xué)方法研究[M].北京:科學(xué)出版社,2012:183-184.

[17]劉昌明.黃河流域水循環(huán)演變?nèi)舾蓡?wèn)題的研究[J].水科學(xué)進(jìn)展,2004,15(5):608-614.

[18]王根緒,張鈺,劉桂民,等.馬營(yíng)河流域1967—2000年土地利用變化對(duì)河流徑流的影響[J].中國(guó)科學(xué):D輯,2005,35(7):671-681.

[19]萬(wàn)榮榮,楊桂山.流域土地利用/覆被變化的水文效應(yīng)及洪水響應(yīng)[J].湖泊科學(xué),2004,16(3):259-264.

[20]朱麗,秦富倉(cāng),姚云峰,等.北京市紅門川流域森林植被/土地覆被變化的水文響應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2010,30(16):4287-4294.

收稿日期：2015-05-11修回日期：2015-08-10

通訊作者：張正棟(1968—)男(漢族)，甘肅省榆中市人,博士，教授，主要從事土地利用、景觀生態(tài)和3S應(yīng)用等方面的研究。E-mail:zhangzdedu@163.com。

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2016)03-0038-08

中圖分類號(hào)：P333

Runoff Characteristics and Hysteresis to Precipitation in Meijiang River Basin in Guangdong Province During 1960-2013

DONG Caiwen, ZHANG Zhengdong, YANG Chuanxun, WAN Luwen, ZHANG Qian

(SchoolofGeography,SouthChinaNormalUniversity,Guangdong,Guangzhou510631,China)

Abstract：[Objective] Taking Meijiang river basin as a case study, this paper investigates the variations of precipitation and runoff in order to provide supports for river regulation, flood control and environmental protection. [Methods] Runoff and precipitation data during 1960—2013 was collected. Mathematical methods including accumulative anomaly, variation coefficient, concentration frequency and concentration period were used to investigate the variations of runoff and precipitation at decadal, annual and seasonal time scales. The hysteresis effect of runoff to precipitation was discussed. [Results] The inter-annual changes of runoff was declined at the rate of 5.79 mm/10 a. The runoff was mainly concentrated in the summer and spring time from April to September. The fluctuation of precipitation showed a slight decreasing trend in the basin. The precipitation mainly concentrated in May to June. Correlation between annual runoff and precipitation was significant(the significant level is more than 0.001, r=0.824>0.428=R0.001,54). There was a hysteresis effect of runoff to precipitation, the average hysteresis period was about 21 days, and this hysteresis period was expected to increase over time. [Conclusion] Human activity may be the main reason that alters the status of land cover or the change of climate.

Keywords:runoff; precipitation; hysteresis effect; concentration frequency; concentration period; Meijiang River basin

資助項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“變化環(huán)境下南方濕熱區(qū)韓江流域景觀格局演變與生態(tài)水文耦合研究”(41471147)

第一作者：董才文(1989—),男(漢族),湖北省黃石市人,碩士研究生,研究方向?yàn)榫坝^生態(tài)與土地利用。E-mail:540329883@qq.com。