汾河流域生態(tài)修復(fù)地表徑流計算分析

武光明

（山西省水文水資源勘測局，山西 太原 030001）

汾河流域生態(tài)修復(fù)地表徑流計算分析

武光明

（山西省水文水資源勘測局，山西 太原 030001）

在對汾河流域水資源變化形勢深入了解，開展相關(guān)方面的調(diào)查、分析和研究的基礎(chǔ)上，采用基于流域水文下墊面地類劃分建立的降雨產(chǎn)流模型進(jìn)行地表徑流計算，具有較高的計算精度。流域生態(tài)修復(fù)改變了水文下墊面條件，通過對治理水平年地表徑流量的計算，表明生態(tài)修復(fù)可增加流域地表產(chǎn)水量，流域生態(tài)可得到較好恢復(fù)和改善。

生態(tài)修復(fù)；地表徑流計算；地表產(chǎn)水量分析；汾河流域

汾河流域是山西省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點區(qū)域，流域水資源長期過度開發(fā)，用水量不斷加大，且隨著煤炭等礦產(chǎn)資源的大量開采，破壞了植被生長，使生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，致使流域產(chǎn)流減少，水污染加劇。汾河流域生態(tài)修復(fù)是新時期加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)的重要體現(xiàn)，因此對汾河流域水資源變化形勢深入了解，開展相關(guān)方面的調(diào)查、分析和研究工作十分必要。

1 流域概況

汾河是山西省第一大河，也是黃河第二大支流，流經(jīng)山西省中南部，東西寬188km，南北長412.5km，干流長716km，呈帶狀分布，流域面積39826km2。汾河發(fā)源于管涔山，自北向南縱貫6市45個縣（市、區(qū)），匯聚呂梁、太岳山區(qū)50km2以上的支流83條，汾河流域面積大于1000km2的支流9條，自上而下分別為嵐河、楊興河、瀟河、昌源河、磁窯河、文峪河、段純河、洪安澗河和澮河。流域內(nèi)有雷鳴寺泉、蘭村泉、晉祠泉、洪山泉、郭莊泉、霍泉、龍子祠泉和古堆泉等8處巖溶大泉，這些巖溶大泉是汾河清水徑流的重要組成部分。流域內(nèi)歷史上曾有茂密的森林覆蓋，因近幾百年森林的連續(xù)破壞，現(xiàn)有森林覆蓋率很低，水土流失嚴(yán)重。

汾河流域地處中緯度大陸性季風(fēng)帶，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，為半干旱、半濕潤型氣候過渡區(qū)。多年（1956—2000年）平均降水量504.8mm。水資源總量33.6億m3，其中：地表水資源量20.7億m3，地下水資源量24.1億m3，基流量11.2億m3。因人類活動的加劇，汾河流域地表徑流量從20世紀(jì)80年代以來持續(xù)減少。與第一次水資源評價相比，1980—2000年地表水資源量比 1956—1979年減少 9.1億 m3，2001—2013年在降水量增加的情況下，地表水資源量比1980—2000年減少4.1億m3。

2 研究資料及方法

地表徑流是指河川徑流量扣除基流量，即地表產(chǎn)水量。將汾河流域分為上中游及下游兩個研究區(qū)，上中游面積28214km2，下游面積11612km2。選用流域內(nèi)代表水文站資料，以汾河流域受人類活動影響較小時期的1956—1979年為基礎(chǔ)，利用模型分析不同水文下墊面條件下的降雨產(chǎn)流規(guī)律，率定優(yōu)化模型參數(shù)，根據(jù)規(guī)劃治理措施下墊面變化情況，分析計算治理后地表徑流的變化。

汾河流域及兩個研究分區(qū)降水量系列采用第二次水資源評價成果及2001年后各年度水資源公報成果，計算83條支流1956—2013年的降水量。

地表徑流量資料分析了第一次（1956—1979年）、第二次（1956—2000年）水資源評價成果以及2001—2013年山西省水資源公報及《山西省水文計算手冊》成果。各代表水文站的系列計算延長至2013年。

3 地類劃分

水文下墊面由地質(zhì)條件、地貌形態(tài)、植被覆蓋及土壤等要素組成，是對降水進(jìn)行再分配的多因素綜合體?？茖W(xué)劃分水文下墊面地類，是研究水文規(guī)律的重要基礎(chǔ)。地類劃分參照《山西省水文計算手冊水文下墊面產(chǎn)流地類圖》的成果及方法。

根據(jù)汾河流域50km2以上支流流域內(nèi)各種植被及土地使用現(xiàn)狀及規(guī)劃耕地、林地（森林及灌木林、其他林）、草地、水域、園地等所占面積，將各類土地使用面積與巖性、地貌、植被等要素相結(jié)合進(jìn)行下墊面地類劃分。

地類劃分時，考慮砂頁巖和變質(zhì)巖地類比較接近，將兩個巖類合并。森林面積細(xì)分為灰?guī)r森林和變質(zhì)砂頁巖森林；灌木林與其他林面積分為灰?guī)r灌叢和變質(zhì)砂頁巖灌叢；草地分為灰?guī)r土石山和變質(zhì)砂頁巖土石山；耕地為一種地類；水域、園地、居民點及工礦用地、交通用地、其他用地合并為其他地類，共分為8種地類?，F(xiàn)狀汾河流域森林覆蓋率僅16.0%，其中灰?guī)r森林7.8%，變質(zhì)砂頁巖森林8.2%。其他地類面積占流域總面積比分別為：灰?guī)r灌叢4.8%，變質(zhì)砂頁巖灌叢11.5%，灰?guī)r土石山3.4%，變質(zhì)砂頁巖土石山17.3%，耕地29.5%和其他17.4%。生態(tài)修復(fù)規(guī)劃森林覆蓋率將達(dá)30%以上，其中灰?guī)r森林11.4%，變質(zhì)砂頁巖森林18.9%。其他地類面積占流域總面積比分別為：灰?guī)r灌叢3.1%，變質(zhì)砂頁巖灌叢14.2%，灰?guī)r土石山2.0%，變質(zhì)砂頁巖土石山6.3%，耕地27.9%和其他16.6%。

4 地表年徑流均值計算模型

采用2011年山西省水利廳編著的《山西省水文計算手冊》年徑流均值計算方法。

地表年徑流均值計算采用雙曲正切模型法，即：

A——設(shè)計流域面積，km2；

Ai——某產(chǎn)流地類所對應(yīng)的集水面積，km2；

Zmi——某產(chǎn)流地類參數(shù)的可能最大損失量（按設(shè)計流域水文下墊面類型選取，其中主要含義為流域內(nèi)潛在的地表蒸發(fā)量，在巖溶泉域的補(bǔ)給區(qū)，則包括深層滲漏補(bǔ)給巖溶水的水量，在非閉合流域，也可能含有滲漏外排水量），mm；

th——雙曲正切函數(shù)符號。

模型參數(shù)的合理選取是流域各支流及分區(qū)地表水量計算的基礎(chǔ)。在汾河流域共選取大于50km2小于3000km2的17個代表站（區(qū)間），利用代表水文站的資料（1956—1979年，受人類活動影響較小時期）進(jìn)行模型參數(shù)的優(yōu)化，通過參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，計算汾河流域各分區(qū)地表徑流量（1956—1979年），與第一次評價成果進(jìn)行對比，得到較為合理的地類參數(shù)，此參數(shù)用于流域恢復(fù)后（以2030年作為水平年）產(chǎn)生顯著效益的地表徑流計算。經(jīng)分析優(yōu)化，各地類參數(shù)值分別為：變質(zhì)砂頁巖灌叢850mm，變質(zhì)砂頁巖森林900mm，灰?guī)r灌叢950mm，灰?guī)r森林1000mm，變質(zhì)砂頁巖土石山1300mm，灰?guī)r土石2000mm，耕地3000mm。

將各地類參數(shù)代入模型對地表年徑流均值計算值與各水文站實測值進(jìn)行誤差統(tǒng)計分析，誤差在±10%以內(nèi)的有10站，占總站數(shù)的58.8%，誤差在±20%以內(nèi)的有13站，占總站數(shù)的76.5%，誤差在±20%以內(nèi)的有16站，占總站數(shù)的94.1%。與第一次水資源評價成果（1956—1979年）進(jìn)行對比，上中游誤差為1.8%，下游誤差為-12.7%，汾河流域誤差為-3.5%。說明上述地表年徑流均值計算模型及所用參數(shù)在流域地表年徑流計算時具有較高的精度。

該方法從水文分析角度，通過建立各要素間的水文模型，分析計算流域地表徑流，具有較高的計算精度。流域生態(tài)修復(fù)需要較長周期，此方法可用于流域生態(tài)修復(fù)規(guī)劃階段及規(guī)劃實施后的河流生態(tài)效益預(yù)測，特別是對河川地表徑流及河川徑流進(jìn)行匡算和初步評估，具有一定的借鑒參考價值。

5 生態(tài)修復(fù)地表年徑流量計算

根據(jù)上述模型及參數(shù)，計算生態(tài)修復(fù)的地表徑流量（不含基流，降雨量采用各支流1956—2013年均值），治理水平年為2030年。根據(jù)汾河流域生態(tài)修復(fù)規(guī)劃，2015—2020年為主要工程措施實施階段，植被恢復(fù)和現(xiàn)有森林指標(biāo)有一定差距，2021—2030年為流域生態(tài)恢復(fù)期，關(guān)井壓采達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，植被得到恢復(fù)預(yù)期指標(biāo)。通過計算，生態(tài)恢復(fù)到2030年水平時，汾河上中游地表水量為7.0億m3，下游4.1億m3，流域地表水量可達(dá)11.1億m3，接近20世紀(jì)70年代以前水平。與1956—2000年地表徑流年均值相比，流域地表產(chǎn)水量增加1.57億m3，增幅16.5%，地表產(chǎn)流系數(shù)從0.047提高到0.055，增幅16.0%，流域生態(tài)得到較好恢復(fù)和改善。計算結(jié)果見表1。

表1 汾河流域生態(tài)修復(fù)地表水量計算成果表

汾河流域生態(tài)修復(fù)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，通過植被修復(fù)等措施進(jìn)一步改善流域的水文下墊面產(chǎn)流條件，不僅可有效涵養(yǎng)水源，增加河川基流量，而且可增加地表產(chǎn)流量，改變地表徑流逐年衰減的趨勢。

6 結(jié)論

水是人類生存和發(fā)展不可替代的資源，是經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是生態(tài)環(huán)境的控制因素。汾河流域生態(tài)修復(fù)改善了流域水文下墊面的產(chǎn)流條件，通過對現(xiàn)狀及修復(fù)后流域地類劃分，建立地表年徑流均值模型，以依據(jù)代表水文站資料基礎(chǔ)，通過參數(shù)優(yōu)化，可得到較高的計算精度。分析結(jié)果表明，流域生態(tài)修復(fù)后，森林覆蓋率從現(xiàn)狀的16%達(dá)到30%以上，可有效增加流域地表產(chǎn)水量，改變地表徑流逐年衰減的趨勢，使流域生態(tài)得到較好恢復(fù)和改善。

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武光明（1967-），男，1989年畢業(yè)于河海大學(xué)水資源規(guī)劃及利用專業(yè)，高級工程師。

2016-02-17；

2016-03-18