洮兒河流域濕地變化對(duì)河流徑流量影響研究

劉 雁，劉吉平，盛連喜

(1.吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，吉林 四平 136000： 2.東北師范大學(xué)國(guó)家環(huán)境保護(hù)濕地生態(tài)與植被恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130117)

洮兒河流域濕地變化對(duì)河流徑流量影響研究

劉 雁1，2，劉吉平1，2，盛連喜2

(1.吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，吉林 四平 136000： 2.東北師范大學(xué)國(guó)家環(huán)境保護(hù)濕地生態(tài)與植被恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130117)

以洮兒河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，在分析了該流域濕地變化的基礎(chǔ)上，探討了濕地變化與流域徑流量之間的關(guān)系，定量判別了濕地變化對(duì)流域徑流量的影響.結(jié)果表明：1985—2010年，洮兒河流域沼澤濕地面積的消長(zhǎng)對(duì)徑流量變化具有驅(qū)動(dòng)作用；流域濕地面積減少、水文調(diào)節(jié)功能下降，年均徑流量不斷減少，徑流量年內(nèi)變化顯著；流域徑流量突變發(fā)生在1995年，此后，濕地面積減少對(duì)徑流量的影響逐漸增大，成為2000年以來(lái)流域徑流量減少的主要因素.

濕地變化；徑流量；洮兒河流域

天然徑流的豐枯變化主要取決于氣候氣象條件和流域下墊面特征，[1]其中土地利用變化是影響流域水文過(guò)程的重要驅(qū)動(dòng)因素[2-3].濕地發(fā)揮著調(diào)蓄洪水、控制徑流和維持河流水位等重要的水文功能，[4]對(duì)維持流域生態(tài)系統(tǒng)健康和改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有十分重要的意義[5].流域是以分水嶺為界的自然地理區(qū)域，是水文響應(yīng)的基本單元，被視為濕地生態(tài)水文過(guò)程研究最理想的空間尺度.[6]在以濕地為主的流域中，濕地土壤和植被通過(guò)截留、蓄納、蒸發(fā)和蒸騰作用使流域內(nèi)降水量、降水強(qiáng)度和降水分布發(fā)生顯著變化，進(jìn)而影響流域水分的循環(huán)過(guò)程.[7]

在全球氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)共同作用下，濕地變化成為最重要的生態(tài)系統(tǒng)變化形式.濕地變化的重要環(huán)境響應(yīng)之一是水文行為發(fā)生變化.濕地變化通過(guò)加強(qiáng)或抑制上述的截留、蓄納等作用對(duì)流域水文過(guò)程產(chǎn)生影響，這種影響是顯著的.[8]濕地變化的流域水文效應(yīng)研究已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究興趣[9].目前，在沼澤濕地的水文效應(yīng)研究方面已經(jīng)取得了較為一致的研究結(jié)論.由于沼澤濕地土壤具有特殊的水文物理性質(zhì)，其草根層和泥炭層孔隙度為72%～93%，飽和持水量為830%～1 030%，所以沼澤濕地蓄水量達(dá)8 100 m3/hm2，[10]成為陸地上巨大的天然蓄水庫(kù)，發(fā)揮著蓄洪、削峰、均化洪水的重要作用.沼澤濕地被開(kāi)墾后，水文平衡要素變化顯著，河流的年徑流量減少，年際變化顯著，[11-12]濕地的滯洪調(diào)節(jié)作用減弱[13-14].

近年來(lái)，松嫩平原西部的洮兒河流域濕地變化顯著，對(duì)全流域的濕地生態(tài)系統(tǒng)造成了極大的影響.[15-16]本文選擇洮兒河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，在分析了該流域濕地變化的基礎(chǔ)上，探討了徑流量與濕地變化之間的關(guān)系，并估算了濕地變化對(duì)徑流量影響的貢獻(xiàn)度，從而定量分析了濕地變化的流域水文效應(yīng).本研究對(duì)于深入系統(tǒng)地研究和解決該流域水資源問(wèn)題和管理具有特殊的重要意義.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)包括：洮兒河流域土地利用圖(1985—2010年)，洮兒河流域氣象站氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)(1985—2010年)，流域下游的洮南、鎮(zhèn)西和黑帝廟水文站徑流量數(shù)據(jù)(1980—2010年).土地利用圖通過(guò)解譯遙感影像獲得，由美國(guó)USGS(http：//golvis.usgs.gov)提供；氣象資料來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http：//cdc.cma.gov.cn).

1.2 研究方法

1.2.1 灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析是定量描述和比較一個(gè)系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢(shì)的方法，其基本思想是通過(guò)確定參考數(shù)據(jù)列和若干個(gè)比較數(shù)據(jù)列幾何形狀的相似程度來(lái)判斷二者聯(lián)系是否緊密.具體計(jì)算過(guò)程為：確定參考數(shù)列和比較數(shù)列—變量的無(wú)量綱化處理—計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)—計(jì)算關(guān)聯(lián)度—關(guān)聯(lián)度排序.

1.2.2 Mann-Kendall突變檢測(cè)方法

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，dk的均值和方差分別為：

E[dk]=k(k-1)/4； Var[dk]=k(k-1)(2k+5)/72，2≤k≤N.

將dk標(biāo)準(zhǔn)化，有

給定顯著性水平α，若|u|>uα，則表明序列存在明顯的趨勢(shì)變化，所有u可組成一條曲線.將此方法引用到反序列，也可以畫(huà)出另外一條曲線，畫(huà)出UF(k)和UB(k)曲線，如果兩條曲線的交叉點(diǎn)在信度線之間，此點(diǎn)便是突變點(diǎn)的開(kāi)始.

1.3 洮兒河流域概況

洮兒河流域的地理位置為45°10′ ～47°20′N(xiāo)，119°45′ ～124°10′E(見(jiàn)圖1)，流域總面積為4.35萬(wàn) km2，地勢(shì)西北高東南低.作為松嫩平原西部嫩江的主要支流，洮兒河位于內(nèi)蒙古興安盟和吉林省西部白城市境內(nèi)，其源頭在內(nèi)蒙古科右前旗大興安嶺的高岳山，自西向東流經(jīng)科爾沁右翼前旗、烏蘭浩特市、突泉縣、洮南市、白城市和大安市，河流全長(zhǎng)為553 km.該流域?qū)儆诖箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，夏熱冬冷，四季分明，平均降水量401.1 mm/a，降水年內(nèi)多集中在6—9月，年蒸發(fā)量1 780～1 910 mm，平均日照時(shí)數(shù)為2 929 h/a，年無(wú)霜期平均達(dá)到160 d左右.主要土壤類(lèi)型為草甸黑鈣土、淡黑鈣土、栗鈣土、草甸土、風(fēng)沙土及沼澤土，其中地帶性土壤是黑鈣土、淡黑鈣土和栗鈣土.

圖1 洮兒河流域水系和濕地分布圖

2 結(jié)果與分析

2.1 洮兒河流域濕地變化特征

利用ArcGIS技術(shù)，計(jì)算得到1985，1995，2000，2005和2010年5個(gè)時(shí)期的洮兒河流域各土地利用類(lèi)型面積及比例(見(jiàn)表1)，并制作出以上5個(gè)時(shí)期的濕地空間分布圖(見(jiàn)圖2).

表1 1985—2010年洮兒河流域土地利用類(lèi)型面積及比例

由表1可知，洮兒河流域主要的土地利用類(lèi)型是耕地、林地和草地，2010年，耕地面積占整個(gè)流域面積的35.15%，林地面積占41.25%.受自然因素和人文因素影響，1985—2010年間該流域各種土地利用類(lèi)型面積及比例波動(dòng)幅度較大，其中，沼澤濕地、草地和鹽堿地面積呈不斷減少的趨勢(shì)，耕地、林地及河流湖泊面積呈先增加后減少的趨勢(shì).

圖2 1985—2010年洮兒河流域濕地空間分布變化

由圖2可知，洮兒河流域濕地類(lèi)型主要為沼澤濕地和河流湖泊濕地.1985—2010年，流域濕地面積呈下降趨勢(shì).在空間分布上，流域上游濕地呈條狀和零星點(diǎn)狀分布，下游則集中呈連片狀分布.1985年，濕地主要分布于扎賚特旗、鎮(zhèn)賚縣、大安市、白城市、洮南市、烏蘭浩特市以及科爾沁右翼前旗東部，其中，河流湖泊濕地主要分布于鎮(zhèn)賚縣的東南部、大安市的東北部以及鎮(zhèn)賚縣和大安市的交界位置；沼澤濕地主要分布于鎮(zhèn)賚縣南部、洮南市、白城市，呈條狀分布，此外在扎賚特旗東南部和科爾沁右翼前旗東部也有分布.至1995年，流域內(nèi)濕地面積有所減少，特別是洮南市的濕地面積減少情況最為明顯.1995—2000年，鎮(zhèn)賚縣與大安市交界處的河流湖泊濕地轉(zhuǎn)變?yōu)檎訚蓾竦?至2005年，洮兒河流域的濕地面積大幅度萎縮，僅在鎮(zhèn)賚縣東南部和西北部、大安市東北部、扎賚特旗東北部留有小塊濕地，其中，鎮(zhèn)賚縣境內(nèi)濕地主要為沼澤濕地，大安市和扎賚特旗境內(nèi)主要為河流湖泊濕地.至2010年，濕地面積進(jìn)一步減少，河流湖泊濕地和沼澤濕地面積大體相當(dāng).

2.2 洮兒河流域徑流量與土地利用的灰色關(guān)聯(lián)分析

本文以位于洮兒河下游的鎮(zhèn)西水文站1985，1995，2000，2005和2010年的年平均徑流量為參考數(shù)列(為了消除偶然因素影響，取徑流量的三年移動(dòng)平均值替代實(shí)際觀測(cè)值)，以5個(gè)時(shí)期的沼澤、河流湖泊、耕地、林地、草地、居民用地、鹽堿地和沙地面積為比較數(shù)列，分析土地利用面積的變化對(duì)徑流量的影響程度.

徑流量與土地利用的灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果表明，在各土地利用方式中，沼澤濕地與徑流量的灰色關(guān)聯(lián)度最大，為0.789 5(見(jiàn)表2)，由此說(shuō)明流域內(nèi)徑流量變化與沼澤濕地關(guān)系最為密切，沼澤濕地具有水系調(diào)節(jié)器的生態(tài)功能，對(duì)徑流量可產(chǎn)生較大的影響.

表2 徑流量與沼澤濕地的灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果

注：ρ= 0.5.

2.3 洮兒河流域濕地變化對(duì)徑流量統(tǒng)計(jì)特征值的影響

2.3.1 年均徑流量的年際變化

以洮兒河流域下游為例，分析濕地與徑流量、降雨量的關(guān)系.收集流域下游的洮南、鎮(zhèn)西和黑帝廟水文站1985—2010年徑流量，求其年均徑流量，繪制徑流量波動(dòng)圖(見(jiàn)圖3).由圖3可見(jiàn)，除1998年洮兒河流域發(fā)生洪水災(zāi)害，水流入下游，最大值較為顯著外，其他年份年均徑流量波動(dòng)較大，呈不斷減少趨勢(shì)；到2002年，年均徑流量接近x軸，流域接近枯水.

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要有兩方面：一是與流域氣候暖干化密切相關(guān).利用洮兒河流域下游氣象站1985—2010年年均降水量資料和年均氣溫資料，繪制1985—2010年流域下游氣溫和降水變化趨勢(shì)圖(見(jiàn)圖4).由圖4可見(jiàn)，除1998年發(fā)生洪水外，流域年均降水量呈明顯下降趨勢(shì)，而氣溫呈上升趨勢(shì)，這種氣候變化使得對(duì)濕地和河流水源的補(bǔ)給減弱，蒸發(fā)量增大，水分流失嚴(yán)重.二是與土地利用變化特別是濕地面積變化相關(guān).如圖5所示，流域內(nèi)沼澤、河流湖泊等自然濕地面積減少幅度較大，由1985年的1 462 km2下降到2010年的635 km2，減少了一半以上，致使其水文調(diào)節(jié)功能減弱；與此同時(shí)，不斷增加的水田等人工濕地對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉用水的需求不斷增多，致使水文調(diào)節(jié)功能進(jìn)一步降低，徑流量減少.

圖3 1985—2010年洮兒河流域下游年均徑流量變化趨勢(shì)

圖4 1985—2010年洮兒河流域下游氣溫和降水變化趨勢(shì)

圖5 1985—2010年自然濕地和人工濕地消長(zhǎng)與年均徑流量的關(guān)系

2.3.2 徑流量的年內(nèi)變化

利用SPSS軟件對(duì)1980—2010年洮兒河下游鎮(zhèn)西水文站的月均徑流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算得到每年的月均徑流量的偏度系數(shù)、峰度系數(shù)和變異系數(shù)(見(jiàn)圖6).由圖6可以看出，1980—2010年間，鎮(zhèn)西水文站月徑流量的偏度系數(shù)、峰度系數(shù)和變異系數(shù)都呈逐漸增加趨勢(shì)，說(shuō)明徑流量的年內(nèi)變化逐漸增加，差異性逐漸加大，徑流量更加集中，與降雨量更加同步.本文的研究認(rèn)為，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是濕地面積逐漸減少，造成濕地蓄水、泄流和蒸發(fā)散調(diào)節(jié)蓄水量、洪水、徑流的功能逐漸降低所致.

圖6 1980—2010年鎮(zhèn)西水文站的月均徑流量的偏度系數(shù)、峰度系數(shù)和變異系數(shù)

2.4 洮兒河流域濕地變化對(duì)徑流量影響估算

2.4.1 洮兒河流域年均徑流量的突變分析

利用Mann-Kendall法，對(duì)1980—2010年鎮(zhèn)西水文站的年均徑流量進(jìn)行突變檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖7.由圖7可以看出，UF(k)和UB(k)曲線相交于1995年，兩條曲線的交叉點(diǎn)在信度線之間，此點(diǎn)便是突變點(diǎn)的開(kāi)始，因此徑流量的突變點(diǎn)發(fā)生在1995年.從UF(k)曲線可以看出，在2001年UF(k)值由正值變?yōu)樨?fù)值，在2006年UF(k)值在a=0.05下限線以下，因此在1996—2010年間，將2001年和2006年作為徑流量的時(shí)間變化節(jié)點(diǎn).

圖7 1980—2010年鎮(zhèn)西水文站的年均徑流量的突變檢驗(yàn)

2.4.2 不同時(shí)段濕地變化對(duì)徑流量影響估算

根據(jù)2.4.1的結(jié)果，以1980—1995年為基準(zhǔn)期，以1996—2000，2001—2005，2006—2010年為變化時(shí)期，計(jì)算不同時(shí)段濕地變化對(duì)徑流量影響.

根據(jù)相關(guān)方程，計(jì)算出各站點(diǎn)年徑流量，并將其作為近似天然徑流量.利用基準(zhǔn)期的年降水量、年徑流量的平均值，建立反映近似天然狀況下的降水和徑流關(guān)系，計(jì)算出不同時(shí)段的年降水量、年徑流量、年徑流量(天然徑流)計(jì)算值的平均值.各時(shí)段的計(jì)算值與基準(zhǔn)期計(jì)算值的差值即為此時(shí)段降水量變化對(duì)徑流量的影響量；各時(shí)段與基準(zhǔn)期的實(shí)測(cè)差值減去降水變化的影響量，其值即為人類(lèi)活動(dòng)的影響量.

利用SPSS軟件計(jì)算基準(zhǔn)期年平均徑流量與年降雨量之間的回歸方程：

y=-2.552+0.111x.

式中：y為年平均徑流量，x為年降雨量.經(jīng)檢驗(yàn)，該回歸方程在0.01水平上差異顯著(見(jiàn)表3)，通過(guò)了F檢驗(yàn).利用基準(zhǔn)期年平均徑流量與年降雨量之間的回歸方程，通過(guò)不同時(shí)段年降雨預(yù)測(cè)年均徑流量，并求平均值，結(jié)果見(jiàn)表4.

表3 年均徑流量與年降雨量的方差分析表

表4 下墊面因素對(duì)洮兒河流域年均徑流量影響估算

由表4可知，1996—2000年，洮兒河流域徑流量的減少主要是由降雨量減少造成的，下墊面因素的影響比率僅為29.37；但此后，下墊面因素對(duì)徑流量的影響逐漸增加，到2010年，影響比率為65.81%，由此說(shuō)明，2000—2010年，下墊面因素是導(dǎo)致洮兒河流域徑流量減少的主要因素，降雨量退居其次.根據(jù)上文分析的結(jié)果，下墊面因素中沼澤濕地面積的變化對(duì)徑流量減少的影響最大，因此，可以認(rèn)為濕地變化是洮兒河流域徑流量減少的一項(xiàng)主要原因.

相比下墊面變化，水利工程運(yùn)行對(duì)流域徑流變化占據(jù)主導(dǎo)作用.[17]Deitch等[18]利用基于GIS的水文模型研究了水利工程對(duì)徑流的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)干旱年影響程度達(dá)到 40%，常規(guī)年份影響程度為 50%.自20世紀(jì)70年代以來(lái)，在洮兒河干、支流相繼修建了14座水庫(kù)(2座大型水庫(kù)、12座中型水庫(kù))，其中察兒森水庫(kù)是洮兒河上唯一的控制性骨干工程，該水庫(kù)于1973年開(kāi)工建設(shè)，1989年下閘開(kāi)始蓄水.水庫(kù)的修建改變了流域河道徑流的時(shí)空分布，成為洮兒河流域徑流量減少的一項(xiàng)重要原因.[19-20]水利工程的修建對(duì)河流水文的影響將成為我們下一步的研究重點(diǎn).

3 結(jié)論

1985—2010年，洮兒河流域徑流量變化與沿岸沼澤濕地的消長(zhǎng)關(guān)系最密切.

洮兒河流域濕地面積減少、水文調(diào)節(jié)功能下降，年均徑流量不斷減少，徑流量年內(nèi)變化顯著.

洮兒河流域徑流量的突變發(fā)生在1995年，此后洮兒河流域下墊面因素對(duì)徑流量的影響逐漸增大，在2000年后，除水利工程建設(shè)的影響因素外，濕地面積變化成為洮兒河流域徑流量減少的主要因素.

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(責(zé)任編輯：方林)

TheinfluenceresearchofwetlandchangeonrunoffinTao’erRiverBasin

LIU Yan1，2，LIU Ji-ping1，2，SHENG Lian-xi2

(1.College of Tourist and Geoscience，Jilin Normal University，Siping 136000，China； 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Wetland Ecology and Vegetation Restoration， Northeast Normal University，Changchun 130117，China)

Based on wetland change in Tao’er River Basin，the paper analyzed the relationship between the wetland change and runoff change in this basin，and made a quantitative evaluation on influence of the wetland change on runoff change.The results indicated that wetland change was a driven factor for runoff change in Tao’er River Basin during 1985 to 2010.Because the reduction of wetland area and consequent reduction of hydrological regulation function，mean annual runoff from 1985 to 2010 was on a drop，and mean monthly runoff from January to December showed great differences.Wetland area reduction showed a strong effect on runoff drop in Tao’er River Basin after sudden change occurred in 1995，and has become a most important factor leading to runoff drop since 2000.

wetland change；runoff；Tao’er River basin

1000-1832(2017)03-0136-08

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2017.03.028

2015-12-31

教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(NCET-12-0730)；中央財(cái)政林業(yè)科技推廣示范資金資助項(xiàng)目[吉推(2014)16號(hào)].

劉雁(1977—)，女，博士，教授，主要從事濕地變化及其環(huán)境效應(yīng)研究；通訊作者：盛連喜(1952—)，男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事濕地生態(tài)與植被恢復(fù)研究.

X 176 [學(xué)科代碼] 610·1035

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