近30年來三江平原七里沁河水文過程研究

趙艷波 孫冬海 劉正茂,2

(1.黑龍江農墾勘測設計研究院 哈爾濱 150090;2.東北師范大學城市與環(huán)境科學學院.長春 130024)

1 引言

水文過程是流域內物質和能量流動的重要傳輸過程,水文過程能有效地反映一個流域的降水、下墊面變化及水資源的利用狀況。水文過程是維持河流自身健康,以及下游濕地生態(tài)系統(tǒng)結構與功能發(fā)揮的重要自然過程。河流水文過程盡管表現出高度的非線性,但其變化特征能揭示流域景觀結構的變化。

七里沁河是三江平原典型的山丘性河流,中上游是以山丘森林地為主,而下游以平原和沼澤濕地區(qū)為主。由于在二十世紀50～70年代,上游森林砍伐面積較大,并且開墾了大量的坡耕地;下游大面積的濕地被開墾成耕地,并且近10多年來旱地被大面積轉變成水稻田,再加上防洪治澇水利工程的修建等人為因素的干擾,使得流域下墊面發(fā)生了較為明顯的變化。

通過分析近30年七里沁河水文過程,基于流域景觀結構的變化過程來闡明水文過程的變化原因,對于恢復和保護七里沁河獨有的水文過程與特征,尤其是為撓力河下游濕地水文過程的修復與重建具有深遠的意義。

2 研究區(qū)域概況

七里沁河位于黑龍江省三江平原東側,發(fā)源于完達山脈東側的神頂山北麓;河長75km,河道彎曲,坡降1/200～1/10000。七里沁河是撓力河的一級支流 (圖1),寶清縣與饒河縣的界河。七里沁河流域面積1310km2。七里沁河中上游即紅旗嶺水文站控制集水區(qū)域內以森林地為主,據2005年遙感解譯數據顯示面積為1026.3km2,占集水區(qū)域面積的89.48%;下游地區(qū)為平原和濕地,面積約占七里沁河流域總面積的13.3%。七里沁河地處寒溫帶大陸季風氣候區(qū),多年平均氣溫2.7℃。年平均降水為572mm。多年平均水面蒸發(fā)量為628mm。結冰期長達150d～180d,最大凍深可達253cm。多年平均風速4m/s,最大風速 28m/s。多年平均封凍天數145d。

七里沁河所在流域有一處水文站,即紅旗嶺站(46°50′N,133°12′E), 其控 制 集水 面 積為1147km2,該站距七里沁河入撓力河口13km。目前觀測項目有:水位、流量、冰情、降水等。1975年開始觀測水位,1977年施測流量,1980年開始觀測降水,觀測項目從建站至今。集水區(qū)域內有河口、石場、紅旗嶺三個雨量站 (圖1)。

圖1 七里沁河集水區(qū)在撓力河流域的位置

3 數據來源及處理

3.1 數據來源

本研究中的水文與氣象數據來源于佳木斯市水文局。降水量數據采用了河口、石場、紅旗嶺三個雨量站1956～2005年的數據。水文數據采用了紅旗嶺站1978～2005年的水位和流量觀測數據。土地利用變化及覆被變化數據時間跨度為1954～2005年,共分為6個時間段,2005年、2000年、1995年、1986年、1976年和1954年。由于不同時期的數據源不同,所以處理的方式也不同:2005年為中巴衛(wèi)星遙感數據,分辨率為23m,并附以一景Landsat ETM數據;1986年、1995年和2000年,采用 Landsat TM 衛(wèi)星遙感影像,分辨率為30m;1976年采用了 MSS影像,分辨率為80m;所有數據都采用近紅外、紅光與綠光波段進行標準假彩色合成;1954年采用1︰100000地形圖作為數據源。

3.2 數據分析及圖件處理

面雨量的計算方法主要采用面積加權法進行計算。因研究區(qū)域內因為只有河口、石場、紅旗嶺三個雨量站有降水資料,基于各降水測站的控制范圍,采用河口、石場、紅旗嶺面積權重系數為0.4、0.4和0.2進行面雨量的求算。徑流深的計算方法,采用寶清水文站實測徑流量與控制區(qū)域面積的比值得到。數據處理主要運ArcGIS9.2和Execel2003綜合處理獲得。圖件處理主要采用Arc-GIS9.2和 AutoCAD2004、Excel2003和 MATLAB6.5進行繪制。

4 研究方法

(1)通過分析紅旗嶺站集水區(qū)域月平均面上降水與紅旗嶺站控制區(qū)域同期徑流量月平均分配關系,來分析降水與徑流的一致性。

(2)通過計算紅旗嶺水文站年內分配不均勻系數(CVy),來分析徑流年分配不均勻性的變化趨。CVy能較為定量描述徑流年內分配不均性。CVy的計算公式如下:

式中:K i為第i年各月徑流量占年徑流量的百分比,%;

K-為各月平均占全年百分比,K=8.33%;

(3)統(tǒng)計紅旗嶺站連底凍天數等參數來分析七里沁河冰凍季節(jié)的旱化趨勢;選擇典型年1995年和2005年紅旗嶺站4月至11月5日平均水位過程線,來分析七里沁河河流水位的漲退變化。

5 結果與分析

5.1 降水和徑流的分配過程

通過分析七里沁河上紅旗嶺站集水區(qū)域1981～2000年面降水過程可知:紅旗嶺站7月、8月的面降水量較大 (圖2);而同期紅旗嶺站月均流量可知:4月、5月、8月的流量最大 (圖3)。

圖2 集水區(qū)域月平均雨量站降水分配(1981-2000)

圖3 集水區(qū)域月平均流量分配 (1981-2000)

圖4 集水區(qū)域月平均雨量站降水分配 (1981-2000)

但從圖2和圖3可得出,紅旗嶺站月均最大流量與集水區(qū)域月均最大面降水量在時間上并不完全吻合。圖2表明自1981-2000年期間,月均流量最大值出現在5月,而在此期間月均面降水量明顯小于6月、7月、8月和9月。統(tǒng)計8月、9月、10月和11月四個月的面降水與8月、9月、10月和11月的月均流量整體上存在一致性。面降水和流量各自存在季節(jié)性分配不均勻性的同時,也存在降水量和流量在時間分配上的不完全一致性。因為紅旗嶺站集水區(qū)域以森林為主 (1954年森林面積占集水區(qū)的84.4%;1976年為90.4%;1995年為92.1%;2000年為90.8%;2005年為89.5%),冰雪融化是4和5月徑流的主要來源,而4月和5月的徑流包括11月至3月的以降雪為主的降水,據統(tǒng)計此段降水量達52mm左右,所以導致了春汛流量出現最大。

通過運用公式 (1)計算可知:自1980～2005年,紅旗嶺水文站控制區(qū)Cvy平均值為1.44,并且其變化趨勢呈遞增趨勢 (圖4),這表明Cvy增大。欒兆擎等 (2007)曾得出撓力河流域的菜咀子和寶清水文站Cvy也呈遞增趨勢。通過運用同樣的方法分析,得知撓力河上游寶清水文站集水區(qū)域1961～2006年Cvy平均值為1.29、七星河上游保安水文站集水區(qū)域1961～2000年Cvy平均值為1.12、菜咀子水文站集水區(qū)域1961～2002年Cvy值為0.93。Cvy值與流域下墊面及用水狀況是有關的,但集水區(qū)域內森林面積的比例能明顯影響Cvy,一般隨森林面積比重的增大,Cvy反而增大。據統(tǒng)計紅旗嶺站集水區(qū)域森林面積占了該區(qū)的84%(1954年)～92%(2005年),寶清站集水區(qū)內的森林面積占了該區(qū)的 50%(2005年)～60%(1954年),保安站集水區(qū)內森林面積占了該區(qū)的60%(2005年)～87%(1954年);菜咀子站集水區(qū)的森林面積占了該區(qū)的26%(2005年)～30%(1954年)。因森林能有效減少林區(qū)近地層或林下的風速,相對裸露的耕地來說,至少平均減少11～12月和1～3月期間4m/s～6m/s,這將大減少降落在林下的積雪在風力作用下以水蒸汽的形式進入大氣,使得大部分降雪以冰雪融水徑流形式在翌年4月和5月才能形成地表徑流進入河流,所以森林面積越大的流域,4月和5月的徑流總量占全年的比重越大。寶清站集水區(qū)森林面積的比例小于保安站集水區(qū)域的,但Cvy前者大于后者,這可能與寶清站上游龍頭橋水庫 (設計庫容為6.145億m3)自1999年開始蓄水調節(jié)徑流有關。

圖5 1990年和2005年4-11月5日平均水文過程線

圖6 1979～2005年出現連底凍天數的變化過程

5.2 河流水位的變化過程

水位的節(jié)律變化對維持河流的健康至關重要。A.Barendregt(1995)認為濕地保護依賴于水位,尤其與濕地相連接河流的水變化對濕地物多樣性保護相當關鍵。其實,一條河流的健康生命就在于有節(jié)律的水位變化。河流水位有節(jié)律的漲落,一方面反映了河流徑流量的時空分配過程;另一方面因河流水位反復升降過程使得河灘地消落帶季節(jié)性地出現,為河流水生生物的繁殖提供了場所。七里沁河洪水的漲落過程對下游撓力河濕地自然保護區(qū)的正常發(fā)育極為重要。但近些年來,其變化過程也在發(fā)生較為明顯的變化 (圖5)。由圖5可知:2005年4～11月5日平均水位過程線比1990年升降速度明顯增大。近年來,由于紅旗嶺站集水區(qū)修建了大量的水利工程,使得流域排水水文梯度增大,地表徑流的集散過程加速。據調查,在1990s年代后期,紅旗嶺農場已在紅旗嶺站集水區(qū)修建了七里沁河堤防和越嶺河堤防,累計長達23.2km(標準為十年一遇)修建了兩條累計長達19.25km的排水溝,標準為三年一遇,這些水利工程的修建對加速流域地表徑流的集散過程存在一定的貢獻。另外,七里沁河的支流大牙克河右岸為高山,左岸筑有5年一遇標的防洪堤8.7km,使得天然河道在人為作用下溝渠化,增大了泄洪的速度。

經統(tǒng)計紅旗嶺站1977～2005年的水位記錄數據顯示:凍結季節(jié),七里沁河在紅旗嶺站處平均水位呈下降趨勢,主要體現在連底凍的天數呈增加趨勢(圖6)。而流域溫度有上升的趨勢,相反連底凍的天數在增加,表明河流水位過程線總體上有降低的趨勢,尤其是在1月、2月、3月、4月和12月,說明河流的水位變化過程在向偏旱化的方向發(fā)展。

5.3 徑流產匯變化過程

據統(tǒng)計紅旗嶺站1980～2005年的月均流量數據顯示:月均流量是以5月為最大值,其次是4月和8月。該區(qū)處于我國高寒區(qū),每完成一個水文周期要經過主汛期,積雪與凍土形成,積雪與凍土融化,然后再進入另一個主汛期三個階段,使得徑流的產匯過程變得相當復雜。如10月、11月、12月至翌年的3月期間的降水多以雨夾雪和固態(tài)降水為主,待來年4月份和5月份才以融雪徑流的形式進入河流中。盡管7月份的降水量較大,而徑流量并不大,這可能與集水區(qū)域植被生態(tài)耗水量增大,降低了土壤有效含水量有關的,因為土壤有效含水量的降低將減少徑流深。

經統(tǒng)計2001～2005年內的7月和8月平均流量分別為5.5m3/s和7.1m3/s,較1978～2000年7月和8月平均值10.5m3/s和18.8m3/s分別減少了5.0m3/s和11.7m3/s。這與自2000年以來紅旗嶺站集水區(qū)內增加水稻田有關,而7月和8月恰是水稻高耗水的季節(jié)。截止2005年,紅旗嶺站集水區(qū)耕地42.2ha,占集水區(qū)面積比重的3.68%,水稻田面積已達318.03ha,占整個集水區(qū)耕地面積的0.27%,盡管比例相對較小,但由于在此集水區(qū)內灌溉水源為七里沁河,按灌溉定額按400m3/畝計,則現有水田每年消耗集水區(qū)內的地表徑流量為0.02億m3,且水稻田較旱田徑流深明顯減少,從原來平均199mm下降至80mm左右,這將減少徑流量約37萬m3。所以,近幾年來集水區(qū)域內水田面積的增加,減少河流的徑流量。

1950s和1970s時期,曾有大面積的林地被砍伐,而在1980s、1990s林地有明顯的增加,但增加的林地主要以人工林為主。2002年前紅旗嶺農場在七里沁河流域上游通過毀林開墾坡耕地約4000ha。1978年集水區(qū)域面降水728.7mm,降水頻率為6.5%,而年徑流量為1.591億 mm3;而1994年集水區(qū)降水量為 668.8mm,降水頻率為19.4%,而年徑流量為3.01億mm3;1979年面降水量達578.7mm,降水頻率為38.7%,而年徑流量為1.525億 m3;1995年集水區(qū)域面降水量為525.9mm,降水頻率為61.3%,而年徑流量為2.10億mm3。由此,可見隨著森林面積的減少,集水區(qū)域內的年徑流量也明顯減少;隨著森林面積的增加,年徑流量也增加。

6 結論及建議

(1)1979-2005年七里沁河徑流年內分配不均勻系數 (Cvy)呈遞增趨勢;其水文過程的變化趨勢已反映出河流的旱化發(fā)展趨勢;同時也說明三江平原山丘區(qū)河流在朝加速旱化的方向發(fā)展。

(2)七里沁河作為山區(qū)性河流,其水文特征已明顯反映出了其集水區(qū)域的下墊面環(huán)境已受到了人類的強烈干擾;同時體現出對三江平原氣候變暖的響應。

(3)森林對七里沁河4月和5月徑流量的產生具有較大的貢獻作用,主要體現在增大4月和5月徑流量在年內的分配比重。

(4)集水區(qū)內旱田轉變成水田減少了七里沁河6-8月的月均流量,2001～2005年內的7月和8月平均流量較1978～2000年7月和8月平均流量值分別減少了5.0m3/s和11.7m3/s。

(5)為了防止七里沁河年徑流量的減少,應當增加流域上游森林面積的比重。為了增加撓力河流域濕地水資源的補充量,應增大流域河流源頭森林面積,減少中上游水稻田的種植面積。

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