南渡江降水量、径流量变化特征分析

林淑婧，卢裕景，张仁东，李德立

(海南省水利水电勘测设计研究院有限公司，海南 海口 570203)

流域水文循环过程和水资源演变规律的两大驱动因素是全球气候变化和人类活动，而降水与径流是水文循环过程中的重要环节，是水文要素变化最为直接的表征[1- 2]。

目前关于长江经济带、黄河流域高质量发展、粤港澳大湾区等国家重大战略区域流域水文演变规律的研究较为集中[3- 5]，而针对海南自由贸易港降水量与径流量变化特征研究相对较少。在全球气候变暖、ENSO事件等变化环境背景下，探索海南自由贸易港最大河流流域降水量与径流量分配特征、趋势特征和周期特征等流域水文演化规律，对区域水资源合理开发利用和人水关系和谐以及经济社会高质量发展具有重要意义[6]。

1 区域概况

南渡江流域面积为7033km2，干流总长334km，是海南岛流域最大、河流最长的河流，流域面积约占全岛面积的21%；流域属热带季风海洋性气候，发源于南峰山，向东北流经白沙、儋州等8个市县后至海口沙上港汇入琼州海峡[7- 8]。

流域形态呈狭长型，自松涛水库坝址以上为上游段，属中低山区，河谷狭窄，坡降大、急滩多；松涛水库—九龙滩为中游段，属低山丘陵，山间沟谷发育，河道迂回弯曲；九龙滩—龙塘坝为下游段，主要属丘陵台地及滨海平原三角洲，河道宽阔，坡降平缓，龙塘坝址以下至沙上港称河口段。干流基本特征见表1。流域平均坡降为0.72‰，多年平均年降水量约为1900mm，多年平均年蒸发量约为1450mm，松涛坝址控制径流量仅占全河的21%，松涛至龙塘区间多年平均天然流量约为180m3/s。

表1 南渡江干流基本特征表

2 资料来源

南渡江干流现状自上游至下游依次布设有福才站、南丰站(径流资料不完整)、迈湾站(临时水文观测站)和龙塘站，站点信息见表2，站点分布如图1所示。

图1 南渡江流域水文站点分布

表2 南渡江干流各水文站点信息表

考虑到系列代表性、完整性和一致性，本次研究数据来源为第三次海南省水资源调查评价报告1956—2016年流域上游福才站和下游龙塘站降水量与径流量数据(径流量换算为径流深)，通过统计参数、累积曲线和小波分析等方法分析其变化特征。

3 分配特征

3.1 年内分配

南渡江流域1—3月降水量与径流量呈下降趋势，4月开始缓慢增加，到10月降水量与径流量达到最大值。5—10月降水量占全年的82%，径流量占全年的77%，年内分配一般呈单峰型。

降水量、径流量年内分配均匀状况采用年内分配不均系数Cvy进行分析，Cvy值越大，表示年内分配越不均匀，计算方法如下：

(1)

南渡江属雨源型河流，福才站降水量Cvy为[0.62，1.76]，径流量Cvy为[0.41，2.04]；龙塘站降水量Cvy为[0.64，1.53]，径流量Cvy为[0.48，2.10]。两站降水量和径流量年内分配不均系数较大，且Cvy均呈上升趋势，说明气候变化和人类活动造成径流年内分配不均系数增大，降雨年内稳定程度降低。

3.2 年际变化

年际变化采用变差系数Cv、极值比Km和不均匀系数β进行分析[9]。

Cv值为标准差与平均数之比，反映总体系列离散程度。Cv值越大，表示年际变化越剧烈，易发生洪涝灾害；Cv值越小，表示年际变化越平缓，有利于水资源开发利用。

Km值为最大值与最小值之比，反映两个极端值的倍数关系，Km值越大，表示年际变化越不均匀。

β值为平均值与最大值之比，反映年际变化的不均匀特征。β越接近1，表示年际变化越均匀。详见表3。

由表3可知，南渡江福才站、龙塘站降水量Cv值均小于径流量Cv值，且径流量Cv值福才站大于龙塘站，说明南渡江径流量多年变化大于降水量，上游相比下游径流量多年变化更大。

表3 南渡江径流量、降雨量年际变化

南渡江福才站、龙塘站径流量Km值均大于降水量Km值，且福才站径流量Km值大于龙塘站，说明南渡江径流量不均匀程度较降水量大，上游相比下游径流量受降水量变化影响较大。

南渡江福才站、龙塘站径流量β值均小于降水量β值，且降水量β值两站变化不大，但径流量β值福才站小于龙塘站，说明南渡江径流量年际变化均匀度较差，且上游降水量相比下游均匀，但径流量年际变化不均匀。

4 趋势特征

南渡江福才、龙塘站降水量和径流量年际变化趋势如图2所示。由图2可知，南渡江福才、龙塘站年降水量呈现总体缓慢上升的趋势(斜率k>0)，通过相关系数检验法分析，其上升趋势较显著(α=0.05)；南渡江福才、龙塘站年径流量呈现总体缓慢下降的趋势(斜率k<0)，通过相关系数检验法分析，其下降趋势较显著(α=0.05)。

图2 南渡江1956—2016年降水与径流量线性趋势

为了更好地说明流域下垫面对降水量、径流量的影响程度，采用径流系数和降雨径流累积曲线进行趋势特征分析。

实测径流系数k是反映降水所产生径流受人类活动影响的程度，计算公式为k=R/P，其中，R为径流量，P为降水量。降雨径流双累积曲线是以累积降水量作为参考变量，通过降水径流双累积曲线分析其一致性或长期演变趋势，初步判别人类活动对径流量的影响程度。

由图3可知，南渡江福才、龙塘站实测径流系数k均呈现下降趋势。由图4可知，降雨径流福才、龙塘站降雨径流关系变化规律基本一致，且1956—1969年、1970—2000年和2001—2016年3个阶段的降雨径流关系存在减小的规律。由此可见，下垫面条件变化、水资源开发利用程度提高，会导致流域径流能力减弱。

图3 南渡江径流系数变化曲线

图4 南渡江降水-径流累积曲线图

5 周期特征

采用Morlet小波函数分析南渡江降水量与径流量周期特征。小波分析是可以一种实现多时间尺度序列结构特征分析及反映其局部化规律的方法，能够准确地判断水文时间序列周期的具体时段。利用Morlet小波函数同时从时域和频域揭示径流量信号变化特性，尺度较大时，可得到信号整体特征；尺度较小时，能提取信号细节特征[10]。

通过绘制小波方差图反映时间序列中各个尺度扰动的相对强度。以Var(a)为纵坐标、a为横坐标绘制小波方差图，如图5所示，其峰值所对应的是径流量主周期。

图5 南渡江年降水量与年径流量小波方差图

由图5可知，南渡江相同水文站点年降水量和年径流量周期时间尺度一致性较好。不同水文要素均存在不同尺度的3个较为明显的峰值。其中：

年降水量周期特征中，27年、28年时间尺度为第一主周期；12年为第二主周期，同时还存在5年、4年的次周期。

年径流量周期特征中，27年、28年时间尺度为第一主周期；12年、13年为第二主周期，同时还存在9年、5年、4年的次周期。详见表4。

表4 南渡江年降水量与年径流量主要周期 单位：年

6 结论

(1)南渡江福才、龙塘站1956—2016年降水、径流丰枯等级变化波动较为频繁，且丰枯历时较短；实测降水量呈上升趋势，实测径流量呈下降趋势；实测径流量多年变化和不均匀程度均大于降水量；径流系数呈显著下降趋势，且位于下游的龙塘站下降幅度大于位于上游的福才站。

(2)年降水量周期特征中，27年、28年时间尺度为第一主周期；12年为第二主周期，同时还存在5年、4年的次周期。年径流量周期特征中，27年、28年时间尺度为第一主周期；12年、13年为第二主周期，同时还存在9年、5年、4年的次周期。

(3)文章对径流量变化分析未考虑基流因子、下垫面变化等因素，对降水量变化分析也忽略了蒸发量与人类活动的影响，因此，下一步仍需要不断深入和改进南渡江降水量与径流量变化影响的定量研究。