松花江干流中游段径流年内分配变化规律分析(刘光文会议)修改稿.doc

松花江干流中游段径流年内分配变化规律分析(刘光文会议)修改稿 松花江干流中游段径流年内分配变化规律分析陆志华，夏自强，于岚岚（1.河海大学国际河流研究所，江苏南京210098；2.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210098；3河海大学水文水资源学院，江苏南京210098）摘要以松花江哈尔滨站和佳木斯站1954-1987年、xx-xx年共40a的逐日流量资料为基础，计算了径流年内分配不均匀性、集中程度、变化幅度等指标，分析了松花江干流中游段的径流年内分配变化规律。 结果表明1松花江干流中游段在20世纪70年代径流年内分配较为均匀，80年代最不均匀；哈尔滨站的径流年内分配不均匀性和集中度通常要小于佳木斯站；最大径流出现的时间哈尔滨站滞后于佳木斯站；2两站径流年内分配不均匀系数、完全调节系数、集中度和集中期的变化过程是同步的，且前三个指标之间具有较大的相关关系。 关键词松花江；径流；年内分配；不均匀性；集中度；集中期河川径流的年内分布特征不仅影响人类社会系统的安全，同时也影响自然生态系统的健康。 一方面，河川径流的丰枯变化通常引致水资源供需关系的改变并影响水资源的开发利用；另一方面，河川径流的节律性变化影响着与其相关的一系列物理、化学和生物过程1。 松花江是中俄界河黑龙江右岸最大的支流，松花江径流的变化直接影响到黑龙江下游俄罗斯境内的径流情势，从而影响到跨境生态安全。 本文试图通过对松花江哈尔滨和佳木斯两个水文站40a逐日流量资料的分析，探讨松花江径流年内分配过程及其变化规律，为深入了解松花江流域乃至整个黑龙江流域水资源的变化趋势，保护流域的生态安全提供科学的依据。 1研究区概况松花江流域位于中国东北地区的北部，东西长920km，南北宽1070km，介于北纬41425138、东经1195213231之间，流域面积54.6104km2，占黑龙江总流域面积185.5104km2的29.4%。 松花江有南、北两源，南源为第二松花江，北源为嫩江。 南源发源于长白山主峰白头山天池，北源嫩江发源于大兴安岭支脉伊勒呼里山中段南侧。 嫩江和第二松花江在吉林省扶余县三岔河附近汇合后折向东流至同江县河口这段河道为松花江干流。 松花江流经黑龙江、内蒙古、吉林三省(自治区)，沟通了哈尔滨、佳木斯、齐齐哈尔、吉林等主要工业城市及黑龙江、乌苏里江国际界河，是黑龙江右岸最大的支流。 图1为松花江流域。 从南源的河源至三岔河为松花江上游，从三岔河至佳木斯为松花江中游，从佳木斯至河口为松花江下游。 根据松花江干流的地形及河道特性，干流可分为上、中、下段，即三岔河至哈尔滨市为上段，河道长240km，哈尔滨市至佳木斯市是松花江干流中段，河道长432km，佳木斯至同江是松花江干流下段，全长267km。 松花江流域属温带、寒温带大陆性季风气候，地形复杂，温差较大，传统的四季划分不能体现松花江流域的季节特性，也不利于各个季节的水文分析。 采用吴琼等2提出的四季划分来分析松花江干流各个季节的径流情况，该划分为:冬季漫长，11月-次年3月；夏季适中，6-8月；春秋过渡季节短促，分别为4-5月和9-10月。 图1松花江流域图Fig.1The graphof Songhua River Basin选取哈尔滨水文站和佳木斯水文站作为松花江干流中游段的代表站，因为哈尔滨站位于松花江干流的中游，是第二松花江和嫩江汇合后的主要控制站（集水面积38.9104km2，占松花江流域面积的70），佳木斯站地处松花江干流中下游的分界处，是松花江干流重要把口站，也是汇入黑龙江前的主要控制站（集水面积52.8104km2），两站的分析可以描述和代表松花江干流中游段的水文特征。 2流域径流资料选用哈尔滨站、佳木斯站1954-1987年、xx-xx年的逐日流量资料，资料序列为40a，资料均水文年鉴。 3分析方法研究径流年内分配特征的方法有很多36，通常使用较多的有各月、各季、汛期-非汛期、连续最大三个月-连续最小三个月径流量占年径流的百分比等。 除此以外，为进一步定量分析松花江径流年内分配特征，本文采用年内分配不均匀系数1,7-8、集中程度9-10以及变化幅度等指标11，从不同角度分析径流年内分配的变化规律。 3.1不均匀性采用径流年内分配不均匀系数和径流年内分配完全调节系数两个指标来分析径流的年内分配不均匀性，计算公式如下1,8。 径流年内分配不均匀系数uC:r Cu/?;?1212)(121iir r?;?121121iir r (1)式中ir为年内各月径流量；r为月平均径流量。 由式 （1）可以看出，uC值越大，年内各月径流量相差越悬殊，径流年内分配越不均匀。 径流年内分配完全调节系数rC?121121/)(ii iiirr r r C? (2)r ri?,0?i?;r ri?,1?i?式中ir、r含义同上，i为符号函数。 式 (2)显示年内分配完全调节系数rC越大，径流年内分配越集中，不均匀程度越高。 3.2集中程度集中度Cn和集中期D是利用一年的逐月径流量资料来反映径流量年内分配集中的程度和集中的重心（一年中最大径流量出现的时间）。 把一年12个月的月径流量看作向量，月径流量大小作为该月径流矢量的模，所处的月份作为该矢量的方向，用圆周（把圆周的度数360作为一年天数365日，1日相当于0.9863，表1列出了全年各月包含的角度及月中代表的角度值）方位来表示，将一年中各月径流矢量求和，合矢量模与年径流量的比值为年径流集中度，合矢量方向为年径流集中期。 计算公式如下9-10:?12122/ii y xr r r Cn,)/arctan(yxrr D? (3)iii xrr?sin121?;iii yrr?cos121?式中xr、yr分别为12个月径流矢量的分量之和所构成的水平、垂直分量；ir为第i月的径流量；i?为第i月径流的矢量角度；i为月序。 如果某年径流量集中在某月内，则合成向量与年径流量之比为l，Cn为极大值；如果全年内各月径流量都相同，则合成向量为0，Cn为极小值。 可见Cn的取值在01之间，越接近1，表明径流量越集中，径流量的年内分配越不均匀；越接近0，说明径流越不集中，径流量的年内分配越均匀。 D计算的是合成向量的方位角，反映了一年中最大径流量出现的时间。 表1全年各月包含的角度及月中代表的角度值Tab.1Contained angleand representativeangle ofeach monthin ayear注单位为。 3.3变化幅度采用极大比maxC和极小比minC来描述径流的年内相对变化幅度，即最大月平均径流量maxr、最小月平均径流量minr与多年平均径流量r之比，计算公式为11rrC/max max?;rrC/min min? (4)4分析结果4.1基本情况松花江哈尔滨站、佳木斯站径流年内分配极不均匀，两站各月、各季径流分配情况见表2和表3。 两站1954-xx年多年平均径流量分别为411.53亿m 3、638.00亿m3，在年内径流出现的最大月份都在8月，两站最大月径流量分别占年径流量的19.03%、20.43%，径流出现的最小月份都在2月，分别占全年的2.04%、1.82%。 哈尔滨站连续最大三个月径流量出现在8-10月，占年径流量的48.99%，佳木斯站连续最大三个月径流量出现在7-9月，占年径流量的50.02%。 表2松花江哈尔滨站、佳木斯站各月径流量占年径流量的百分比Tab.2The monthlydistribution of the runoffof of Harbin and Jiamusi station in Songhua River站点1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月哈尔滨2.592.042.555.907.778.2711.8319.0317.2812.686.563.51佳木斯2.391.822.066.188.388.5512.2820.4317.3111.875.583.15注单位为%。 表3松花江哈尔滨站、佳木斯站四季径流统计Tab.3The fourseasonal runoffof Harbinand Jiamusi stationin Songhua River站点多年平均径流量（亿m3）春季（4-5月）夏季（6-8月）秋季（9-10月）冬季（11-3月）径流量（亿m3）比例（%）径流量（亿m3）比例（%）径流量（亿m3）比例（%）径流量（亿m3）比例（%）哈尔滨411.5356.2313.67161.0239.13123.2929.9671.0017.25佳木斯638.0092.8614.56263.2741.26186.1629.1895.7115.00全年径流主要集中在夏（6-8月）、秋（9-10月）两季，两季径流量占全年的69.09%70.44%，冬季（11-3月）各月径流量都很小，各月径流量占全年径流量的1.82%6.56%。 春季（4-5月）由上游的冰雪融水形成春汛。 由哈尔滨站、佳木斯站径流年内分配曲线（图2）和月径流过程（图3）可见，松花江干流年内分配过程为“双峰型”。 4-5月由明显的冰雪融水补给形成春汛，因为进入春季后，3月末气温开始回升，上游积雪融化以及各支流先后开始开河，但春汛水量不大。 进入夏季后，径流量继续增加，8月达到最大峰值。 夏秋两季是降水较多的时期，也是河流发生洪水的时期。 冬季虽然随着气温的降低，上游干支流先后结冰、流冰、封冻，各月径流量很小，但是，由于第二松花江和牡丹江等建有巨型水库和水电站，冬季发电向下游大量放水，调节了冬季径流量，两站冬季径流量分别占全年径流量的17.25%、15.00%。 月份1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月包含角度345151545457575105105135135165165195195225225255255285285315315345代表角度03060901xx01802102402703003304.2不均匀性松花江径流年内分配不均匀性各年代计算成果见表4。 表4松花江径流年内分配不均匀性Tab.4Unevenness of annual runoff distribution in Songhua River统计年份年代不均匀系数Cu完全调节系数Cr哈尔滨佳木斯哈尔滨佳木斯1954-1959年20世纪500.7810.7610.3110.3081960-1969年20世纪600.7020.7540.2870.3081970-1979年20世纪700.6190.6760.2670.2891980-1987年20世纪800.7770.7910.3190.331xx-xx年21世纪初0.6760.7960.2660.3161954-xx年平均0.7040.7510.2890.309从表中可见 （1）径流年内分配不均匀系数Cu。 时间上从20世纪50年代至80年代两站Cu值的变化过程是一致的，21世纪初两站表现不同；70年代两站的Cu值均为最小值，分别为0.619和0.676，径流年内分配相对均匀一些；哈尔滨站的Cu值最大值出现在50年代（0.781），其次是80年代（0.777），佳木斯站的Cu值最大值出现在21世纪初（0.796），其次是80年代（0.791），说明哈尔滨站在50年代和80年代这两段时间年内分配较不均匀，而佳木斯站在21世纪初和80年代这两段时间年内分配较不均匀，80年代两站的Cu值均较大，说明80年代松花江径流年内分配较不均匀。 空间上20世纪50年代哈尔滨站Cu值大于佳木斯站，从60年代开始哈尔滨站Cu值均小于佳木斯站，说明60年代以来哈尔滨站不均匀性通常都要小于佳木斯站。 点绘1954-xx年径流年内分配不均匀系数变化及其拟合曲线（图4），从图中不难发现，两站径流年内图2松花江径流年内分配曲线Fig.2Distribution of annual runoffin Songhua River图3松花江月径流过程Fig.3Monthly runoffinSonghuaRiver分配变化过程基本一致，年内分配不均匀和均匀的年份也较为对应。 （2）径流年内分配完全调节系数Cr。 时间上从20世纪50年代至21世纪初两站Cr值的变化过程是一致的；哈尔滨站的Cr值最小值出现在21世纪初（0.266），其次是70年代（0.267），佳木斯站的Cr值最小值出现在70年代（0.289），70年代两站的Cr值均很小，说明70年代松花江径流年内分配相对比较均匀；哈尔滨站的Cr值最大值出现在80年代（0.319），其次是50年代（0.311），佳木斯站的Cr值最大值出现在80年代（0.331），其次是21世纪初（0.316），说明哈尔滨站在50年代和80年代这两段时间年内分配较不均匀，而佳木斯站在21世纪初和80年代这两段时间年内分配较不均匀，80年代两站的Cr值均较大，说明80年代松花江径流年内分配较不均匀。 空间上20世纪50年代哈尔滨站Cr值大于佳木斯站；60年代至xx年以来哈尔滨站Cr值均小于佳木斯站，说明60年代以来哈尔滨站不均匀性通常都要小于佳木斯站，与Cu值呈现的规律一致。 点绘1954-xx年径流年内分配完全调节系数变化及其拟合曲线（图5），可以看出两站径流年内分配变化过程比较相似，年内分配不均匀和均匀的年份也较为对应，但是佳木斯站的变化相对缓和些。 年内分配完全调节系数的变化过程与不均匀系数的变化过程呈现的规律一致。 4.3集中程度松花江径流年内分配的集中度和集中期各年代计算成果见表5。 表5松花江径流年内分配的集中度和集中期Tab.5Concentration degreeand period of ofannual runoff distribution inSonghuaRiver统计年份年代集中度Cn集中期D合成向量方向（）最大径流出现时间哈尔滨佳木斯哈尔滨佳木斯哈尔滨佳木斯1954-1959年20世纪500.4630.462223.78216.398.31-9.18.23-24图4径流年内分配不均匀系数变化及趋势Fig.4Variation of the unevenness coefficient ofannual runoff distribution and its trend图5径流年内分配完全调节系数变化及趋势Fig.5Variation ofplete aommodationcoefficient ofannual runoff distribution and its trend1960-1969年20世纪600.4390.469212.07208.928.19-208.15-161970-1979年20世纪700.4040.439203.17197.608.10-118.4-51980-1987年20世纪800.4700.479216.25212.698.23-248.19-20xx-xx年21世纪初0.3810.443196.60190.098.3-47.27-281954-xx年平均0.4310.459210.12205.338.18-198.12-13从表中可见 （1）松花江径流年内分配集中度Cn。 时间上哈尔滨站Cn值表现为减少-增加-减少的变化过程；佳木斯站表现为增加-减少-增加-减少的变化过程；从20世纪60年代至xx年以来两站变化过程一致，均为减少-增加-减少的变化过程。 哈尔滨站的Cn值最小值出现在21世纪初（0.381），其次是70年代（0.404），佳木斯站的Cn值最小值出现在70年代（0.439），其次是21世纪初（0.443），说明在70年代和21世纪初松花江径流年内分配相对不集中，80年代两站的Cn值均为最大值，分别为0.470和0.479，说明80年代径流年内分配最为集中。 空间上从20世纪60年代至xx年以来哈尔滨站Cn值均小于佳木斯站，60年代以来哈尔滨站径流集中程度通常都要小于佳木斯站，与Cr值和Cu值呈现的规律一致。 点绘1954-xx年径流年内分配集中度变化及其拟合曲线（图6），可以看出集中度的变化与图4和图5中不均匀系数和完全调节系数的变化过程相似，两站的变化过程基本吻合，但是佳木斯站的变化相对缓和些。 （2）径流年内分配集中期D。 时间上从20世纪50年代至21世纪初，两站D值均表现为减少-增加-减少的变化过程；20世纪50年代两站D值均为最大值，分别为8月31日-9月1日和8月23日-24日，21世纪初均为最小值，分别为8月18日-19日和8月12日-13日。 空间上从20世纪50年代至21世纪初，哈尔滨站D值均大于佳木斯站，说明佳木斯站最大径流出现时间均早于哈尔滨站，哈尔滨站滞后于佳木斯站。 点绘1954-xx年径流年内分配集中期变化及其拟合曲线（图7），可以看出，两站集中度的变化过程基本一致。 图6径流年内分配集中度变化及趋势Fig.6Variation ofconcentration degreeofannual runoffdistributionanditstrend图7径流年内分配集中期变化及趋势Fig.7Variation ofconcentration periodofannualrunoffdistributionanditstrend4.4变化幅度松花江径流年内相对变化幅度各年代计算成果见表6，从表中可见表6松花江径流年内变化幅度Tab.6Variation rangeof ofannualrunoffdistribution inSonghuaRiver统计时段年代极大比C max极小比C min哈尔滨佳木斯哈尔滨佳木斯1954-1959年20世纪502.902.680.210.191960-1969年20世纪602.472.560.240.231970-1979年20世纪702.162.330.250.221980-1987年20世纪802.682.640.240.21xx-xx年21世纪初2.552.910.340.301954-xx年平均2.512.600.250.23时间上两站的极大比C max值从20世纪50年代至80年代均为减少-增加的变化过程，21世纪初变化不同；极小比C min值从20世纪50年代至21世纪初均为增加-减少-增加的变化过程；极大比、极小比的变化幅度均不大。 空间上20世纪50年代和80年代哈尔滨站极大比C max值均大于佳木斯站，60年代、70年代和xx年以来哈尔滨站极大比C max值均小于佳木斯站；50年代至xx年以来哈尔滨站极小比C min值均大于佳木斯站。 综合分析结果时间上，无论是年内分配不均匀性系数、完全调节系数还是集中度，哈尔滨、佳木斯两站在20世纪80年代都较大，年内分配最为不均匀，70年代三者的值均较小，年内分配较为均匀；空间上，从年内分配不均匀性和集中度来看，哈尔滨站的不均匀性和集中度通常要小于佳木斯站，而哈尔滨站的集中期均大于佳木斯站，最大径流出现的时间哈尔滨站均滞后于佳木斯站；两站月径流量的变化幅度不大。 从各指标的变化过程可以看出，哈尔滨、佳木斯两站的径流年内分配不均匀系数、完全调节系数、集中度和集中度的变化过程基本一致，且不均匀系数、完全调节系数和集中度三个指标之间具有较大的相关关系。 佳木斯站的不均匀系数、完全调节系数和集中度的变化幅度均比哈尔滨站的缓和些，两站集中度的变化幅度比较接近。 5结论根据松花江哈尔滨站和佳木斯站40a的径流资料，从径流年内分配不均匀性、集中度、变化幅度及各指标的变化趋势等方面研究了松花江干流中游段径流年内分配的变化规律，主要得出如下几点结论 （1）松花江干流径流年内分配曲线为“双峰型”，4-5月份由上游冰雪融水补给形成明显的春汛，8月份达到峰值，冬季由于气温的降低，上游干支流先后结冰、流冰、封冻，但是上游建有水库和水电站，冬季径流受到调节。 （2）松花江干流哈尔滨、佳木斯两站的径流年内分配在时间上的变化规律非常相似，两站各指标的变化基本是同步的。 松花江干流中游段径流年内分配在20世纪80年代最为集中、最不均匀，70年代较为均匀，哈尔滨站的不均匀性和集中度通常要小于佳木斯站，且最大径流出现的时间哈尔滨站滞后于佳木斯站。 （3）两站的不均匀系数、完全调节系数和集中度三个指标之间具有较大的相关关系，从不同角度反应了径流年内分配的变化规律。 （4）松花江干流中游段径流年内分配的上述变化的原因，一方面可能是受气候因素如流域降水的影响，南来、北来的天气系统均对松花江流域降水产生影响，降水的年内分配影响径流的年内分配；另一方面还可能受到人类活动的影响，新中国成立以来，先后经历了不同时期的不同政策（如土地所有制革命、开赴“北大荒”、“大跃进”运动、山水田林路综合治理等等），造成了不同时期土地利用方式、植被覆盖以及用水量等的不同，以及流域内水库、引水工程等水利设施的大量建设和使用，都对松花江干流的径流过程产生影响，另外还可能与流域地形和河道地形有关，三岔河至哈尔滨河段，河道流经松嫩平原的草原、湿地，哈尔滨至佳木斯河段，河流穿行于断崖、低丘和草地之间，多浅滩。 参考文献1郑红星,刘昌明.黄河源区径流年内分配变化规律分析J.地理科学进展,xx,22 (6):585-590.2吴琼,梁桂彦,吴玉影,等.黑龙江省四季划分及气候特点分析J.林业勘查设计,xx, (4):95-96.3汤奇成,李秀云.径流年内分配不均匀系数的计算和讨论J.自然资源,1982, (3)，59-65.4汤奇成,程天文,李秀云.中国河川月径流的集中度和集中期的初步研究J.地理学报,1982,37 (4):383-393.5杨远东.河川径流年内分配的计算方法J.地理学报,1984,39 (2):218-227.6李丽娟,李海滨,王娟.澜沧江水文与水环境特征及其时空分异J.地理科学,xx,22 (1):49-56.7冯国璋,李瑛,李佩成.河川径流年内分配不均匀性的量化研究J.西北农业大学学报，2000，28 （2）50-53.8燕华云,杨贵林,汪青春.长江源区径流年内分配时程变化规律分析J.冰川冻土,xx，28 （4）526-529.9刘贤赵,李嘉竹,宿庆,等.基于集中度与集中期的径流年内分配研究J.地理科学,xx,27 （6）791-795.10刘德林,刘贤赵,张继平.大沽夹河流域径流年内分配特征的量化研究J.水土保持研究,xx,13 （6）107-114.11孙天青,张鑫,梁学玉,等.秃尾河径流特性及人类活动对径流的影响分析J.人民长江,xx,41 （8）47-50.Changes OfAnnual RunoffDistribution InThe MiddleReaches OfThe SonghuaRiver LUZhihua,XIA Ziqiang,YU Lanlan(1.Institute ofInternational RiversResearch Academy，Hohai University,Nanjing210098，China2.State KeyLaboratory ofHydrology-Water Resourcesand HydraulicEngineering，Hoha