闽江流域多时间尺度降雨—径流关系变化与成因.pdf
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1、摇第 22 卷摇 第 1 期2024 年 2 月中 国 水 土 保 持 科 学Science of Soil and Water ConservationVol.22摇 No.1Feb.2024DOI:10.16843/j.sswc.2022220闽江流域多时间尺度降雨径流关系变化与成因耿凯利1,陈兴伟1,2覮,郑美玲1,谷梓鹏1,陈摇 莹1,2,刘梅冰1,2(1.福建师范大学地理科学学院,碳中和未来技术学院,350117,福州;2.福建师范大学湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室,350117,福州)摘要:为进一步揭示闽江流域降雨径流关系的时空变化规律,识别主要驱动因子,基于 196020
2、19 年降雨和径流数据,应用 TFPWMK 方法,按照年以及年内的汛期与非汛期、前汛期和后汛期、最大月和最小月等不同时间尺度,检测闽江上游三大支流、干流及全流域等空间尺度的降雨径流演变趋势;结合 Sen trend 方法,从气候变化、土地利用和水库工程建设 3 方面,分析影响降雨径流关系变化的成因。结果表明:1)闽江流域及各支流年降雨径流均呈不显著上升,趋势变化一致;2)除支流建溪流域,闽江及其他支流非汛期降雨径流上升趋势显著;汛期内部趋势变化分化明显,前汛期降雨径流略减少,后汛期降雨径流大部分显著增加;3)极端降雨径流的变化趋势不一致,主要受大型水库工程建设的影响。基于多时间尺度的分析,更深
3、入揭示闽江流域降水、径流的演变及气候变化与人类活动的影响,对区域水资源管理与水土保持具有重要参考价值。关键词:降雨径流关系;多时间尺度;水库工程;闽江流域中图分类号:P333;S157郾 1文献标志码:A文章编号:2096鄄2673(2024)01鄄0035鄄07引用格式:耿凯利,陈兴伟,郑美玲,等.闽江流域多时间尺度降雨径流关系变化与成因J.中国水土保持科学,2024,22(1):35-41.GENG Kaili,CHEN Xingwei,ZHENG Meiling,et al.Variations and causes of rainfall鄄runoffrelationship at d
4、ifferent time scales in Minjiang River basinJ.Science of Soil and Water Conservation,2024,22(1):35-41.收稿日期:2022 11 02摇 修回日期:2023 11 15项目名称:国家自然科学联合基金项目“变化环境下多元驱动的闽江流域水循环全要素演变归因研究冶(U22A20554)第一作者简介:耿凯利(1998),女,硕士研究生。主要研究方向:水文水资源。E鄄mail:覮 通信作者简介:陈兴伟(1963),男,博士,教授。主要研究方向:流域水沙污染物过程与洪旱灾害。E鄄mail:Variation
5、s and causes of rainfall鄄runoff relationship at differenttime scales in Minjiang River basinGENG Kaili1,CHEN Xingwei1,2,ZHENG Meiling1,GU Zipeng1,CHEN Ying1,2,LIU Meibing1,2(1.School of Geographical Sciences,School of Carbon Neutrality Future Technology,Fujian Normal University,350117,Fuzhou,China;2
6、.Key Laboratory of Humid Subtropical Eco鄄geographical Process of Ministry of Education,Fujian Normal University,350117,Fuzhou,China)Abstract:Background The evolution of rainfall鄄runoff relationships in changing environments is animportant reference to local water resources management,disaster preven
7、tion and mitigation.Thus,it isessential to further reveal the spatial and temporal variations of rainfall鄄runoff relationships in the MinjiangRiver basin and identify the main driving factors.The study on the rainfall鄄runoff relationship of theMinjiang River basin is beneficial to understand the cha
8、nges in the hydrological cycle under the changingenvironment,to ensure the economic development of the Minjiang River basin,and to provide scientificbasis for soil and water conservation.Methods Based on rainfall and runoff data from 1960 to 2019,the TFPW-MK method was applied to detect the rainfall
9、鄄runoff trend at different temporal scales from摇中国水土保持科学2024 年inter鄄annual and intra鄄annual levels,including flood and non鄄flood season,the first rainy season andsecond rainy season,maximum rainfall(runoff)month and minimum rainfall(runoff)month.The methodwas also applied at different spatial scales
10、 including the three major tributaries of the upper MinjiangRiver and the mainstream.Combined with Sen trend method,the causes affecting the changes of rainfall鄄runoff relationship including climate change,land use change and reservoir engineering construction wereanalyzed.Results 1)The inter鄄annual
11、 rainfall and runoff of Minjiang River basin and its tributarieswere all insignificantly increasing.2)Except for the tributary Jianxi,Minjiang River and other tributarieshad a significant upward trend of rainfall鄄runoff in the non鄄flood season;the trend changes within theflood season were clearly di
12、fferentiated,with a tiny decrease in rainfall鄄runoff in the first rainy season anda more significant increase in rainfall鄄runoff in the second rainy season.3)The trend of extreme rainfall鄄runoff was not consistent,the minimum monthly rainfall changed insignificantly while the minimummonthly runoff i
13、ncreased significantly,and the maximum monthly rainfall basically remained the samewhile the maximum monthly runoff showed a decreasing trend.Conclusions The inter鄄annual rainfall鄄runoff trends in the Minjiang River basin vary consistently under changing environments,but largevariation within the ye
14、ar.The differentiated trend in the flood season is due to that typhoon activity andwesterly path under the climate change lead to the increase of rainfall in the second rainy season,and therunoff also increased accordingly.And the inconsistent of extreme rainfall鄄runoff is mainly due to theinfluence
15、 of flood storage and refill operation of the reservoirs during the year.Therefore,the divergenceof trends between the first and second rainy season is mainly influenced by the rainfall of differentsynoptic systems;the variation of extreme rainfall鄄runoff trends is mainly influenced by the construct
16、ion oflarge reservoir projects.Keywords:rainfall鄄runoff relationship;multiple time scales;reservoir engineering;Minjiang Riverbasin摇 摇摇 摇 降雨和径流是流域水循环的重要环节。降雨是径流的重要补给来源,影响径流的数量、分布特征和流域产沙1。降雨径流关系受气候变化和人类活动影响。降雨径流关系可从趋势变化、相关关系和径流系数等方面研究。其中,趋势变化分析更为普遍,MK 检验被认为是检测趋势变化的有效方法2。年尺度,湿润区域的年径流和年降雨变化趋势不显著,例如太湖流域
17、降雨和径流均呈不显著增加趋势3。而大部分流域年内尺度二者关系变化更剧烈,且主要体现在雨季和旱季4、年内极端降雨径流关系的变化5。在识别降雨径流关系变化的驱动因子时,主要考虑气候变化和人类活动 2 类,降雨往往和径流的变化一致6,而人类活动导致径流相对降雨的趋势变化不一致7 8。如相对于 19811987年,渭河支流汾河 20082016 年的降雨径流线性趋势关系较差,主要是由于流域内大规模的水土保持和水利工程建设导致径流大幅下降7。有研究显示,年内尺度,几乎所有流域的最小径流都显著增加,这主要是水库的作用5。闽江是福建的“母亲河冶,流域面积约占福建省陆域面积的一半。已有研究重点关注径流的变化,
18、把降雨作为径流的影响因素之一进行分析,其时间尺度多划分为四季或者汛期和非汛期9 10。而对于闽江流域,依据影响降雨的天气系统不同,可将 46 月作为前汛期,79 月为后汛期11。不同天气系统影响下的降雨径流关系演变值得进一步研究。因此,为进一步针对闽江流域特点,揭示其降雨径流关系的时空变化规律,识别主要驱动因子,基于19602019 年降雨和径流数据,应用 TFPWMK方法,按年,以及年内不同时间尺度,检测闽江及各支流的降雨径流演变趋势;结合 Sen trend 方法12,从气候变化、土地利用变化和水库工程建设3 个方面,分析影响降雨径流关系变化的成因,以期为流域水土保持、水资源管理与防洪抗旱
19、减灾提供科技支撑。1摇 研究区概况闽江流域位于我国东南沿海,是福建省第一大河流,流域面积约 6郾 1 万 km2。闽江流域为亚热带63摇摇 第 1 期耿凯利等:闽江流域多时间尺度降雨径流关系变化与成因季风气候,降雨的季节变化大,汛期为 49 月,降雨量占全年的 70%80%,非汛期为 10 月翌年 3月。闽江流域降雨类型主要分为 2 种,一种是梅雨型,主要发生在 46 月,另外一种是台风型,主要发生在 79 月。流域水利工程众多,其中大型水库有8 座。据太湖流域及东南诸河水资源公报(http:椅 82郾 44 亿 m3,其中生产用水约占 92郾 01%,生活用水约占 6郾 9%。闽江流域可分为
20、闽江干流和建溪、沙溪、富屯溪上游 3 大支流,其水文站分别为竹岐、七里街、洋口和沙县水文站。研究区范围为竹岐水文站以上的流域,研究区位置及站点分布见图 1。图 1摇 闽江流域位置及概况图Fig.1摇 Locations and overview of the Minjiang River basin2摇 数据与方法2郾 1摇 数据来源30 m DEM 数据来自地理空间数据云网站(ht鄄tps:椅 ArcGIS 10郾 2 提取出流域范围和集水区范围。日降雨数据为来自福建省26 个气象站,通过泰森多边形法得到面降雨。月径流数据来自上述闽江流域内 4 个主要水文站(图1),序列长度均为 19602
21、019 年。2郾 2摇 时间尺度划分根据研究区的气候特点,选取不同时间尺度的降雨和径流指标分析其变化:一是年尺度,即年降雨和年径流变化。二是年内尺度,分别为:1)汛期(49 月)和非汛期(10 月翌年 3 月);2)汛期分为前汛期(46 月)和后汛期(79 月);3)最大月和最小月,即月降雨或者月径流的最大值和最小值。2郾 3摇 TFPW-MK 趋势分析MK 是一种广泛用于气象水文要素趋势检测的非参数检验方法,但是水文序列的自相关性,会影响MK 方法检测趋势的结果,因此应用 TFPW-MK 方法检测趋势13。2郾 4摇 Sen trendSen trend 用于分析降雨径流趋势变化的影响因素。
22、基于序列无变化时,散点图会沿着笛卡尔坐标系的 1颐 1等分线分布的假设,将 2 序列升序排列,可得序列不同值的趋势变化,即由相关序列的变化范围所定义的正方形区域的上(下)三角形区域代表增加(减少)的趋势11。3摇 结果与分析3郾 1摇 年趋势变化年降雨和年径流的 MK 检验结果如表 1 所示。闽江及各支流的年降雨径流均呈现不显著上升,趋势变化一致,茁 也表现出一致的特征,说明结果较为合理。建溪的降雨增幅最大,富屯溪的径流增幅最大。表 1摇 年降雨和年径流的 TFPW-MK 检验结果Tab.1摇 Results of TFPW-MK on annual rainfall and runoff流域
23、/支流Watershed/Tributary年降雨Annual rainfall年径流Annual runoff茁Z茁Z闽江 Minjiang River0郾 001 71郾 077 90郾 002 60郾 988 6建溪 Jianxi0郾 002 01郾 307 50郾 001 90郾 695 2沙溪 Shaxi0郾 001 81郾 205 40郾 001 30郾 452 8富屯溪 Futunxi0郾 001 81郾 179 90郾 003 41郾 409 5闽江干流 Mainstream ofMinjiang River0郾 000 90郾 656 90郾 001 50郾 733 53郾
24、2摇 年内趋势变化闽江及各支流的年内降雨和径流 TFPW-MK检验结果如表 2 所示。结果表明,年内各时间尺度降雨径流趋势变化存在较大差异。汛期,闽江及各支流降雨径流趋势均不显著。在汛期内,则表现出分化趋势。闽江及支流降雨和径流均在前汛期减少,后汛期增加。后汛期降雨和径流增加较为显著,富屯溪、沙溪支流的降雨和径流都显著增加,建溪降雨和闽江的径流增加显著,而闽江干流的降雨和径流增加不显著。总体上看,前汛期降雨径流略减少,后汛期降雨径流增加较明显,前、后汛期表现出不同的趋势变化。非汛期,闽江及各支流降雨和径流大部分呈增73摇中国水土保持科学2024 年加趋势。闽江流域及建溪、沙溪、富屯溪和闽江干流
25、降雨增加显著,其径流也显著上升,除建溪,其他支流的非汛期径流均通过显著性检验,且径流的增幅大于降雨。闽江及各支流年内极端降雨径流的趋势变化也明显不同。最小月降雨均不显著增加,而最小月径流大部分显著增加;最大月降雨略有增加或减少,但最大月径流减少幅度更大。除闽江干流的最小月径流增加不显著外,其他支流的最小月径流都显著增加,并且达到 0郾 01 的显著性水平。最大月降雨闽江及各支流均呈不显著增加或减少,径流的减幅大大超过降雨的增加(减少)幅度,特别是闽江干流的最大月径流达到0郾 01 的显著性水平,表明在最大月降雨变化不大的情况下,最大月径流大幅削减。表 2摇 年内降雨和径流 TFPW-MK 检验
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