“降水—水土保持—徑流”統(tǒng)計模型在遼寧大凌河流域水土保持效應(yīng)分析中的應(yīng)用研究

王 鎖

水土保持行為、措施不僅會對區(qū)域河床徑流量產(chǎn)生一定的影響，而且會導(dǎo)致區(qū)域土地利用與覆蓋范圍、水文過程效應(yīng)發(fā)生明顯變化。所以，做好區(qū)域“降水”、“水土保持”與“徑流量”之間的關(guān)系變化分析工作，對于研究區(qū)水土保持規(guī)劃決策具有重要意義[1]。國內(nèi)相關(guān)學(xué)者目前主要采用水文法和水保法兩種研究方法就區(qū)域流域尺度水土保持措施對年徑流量的影響進行研究。前者主要以研究區(qū)降水、徑流實測和歷史資料(水土保持措施實施前)為依據(jù)。通過構(gòu)建降水——徑流經(jīng)驗關(guān)系模型，然后將降水、徑流實測和歷史資料(水土保持措施實施后)代入該統(tǒng)計模型。當(dāng)河道下墊面條件不變時，對實際形成的水量進行分析并計算水量值之間的插值，最終的結(jié)果即可視為區(qū)域水土保持措施實施后所引起的水文效應(yīng)[1]。早期在水文生態(tài)系統(tǒng)較為單一的情況下，這一方法具有一定的適用性，但是其弊端是只考慮了區(qū)域降水條件的變化，而缺乏對當(dāng)?shù)仄渌闹笜诉M行系統(tǒng)、科學(xué)考量。因此，最終計算結(jié)果數(shù)據(jù)會出現(xiàn)較大偏差，計算精度和可信度不高。而水保法主要是通過現(xiàn)場試驗，以各項水土保持措施指標為數(shù)據(jù)觀測資料，然后按各指標的重要性權(quán)重進行排序，根據(jù)不同指標在區(qū)域水土保持中所起的蓄水效應(yīng)大小進行定量評估。這種方法即使具有一定的科學(xué)性，但其依然缺乏系統(tǒng)的指標來闡明區(qū)域降水、徑流量產(chǎn)流過程中各要素之間的內(nèi)在聯(lián)系[2]。

1 流域概況

大凌河流域位于遼寧省西部區(qū)域，全長接近400 km，它是遼西地區(qū)最大的河流，總流域面積達2.35萬 km2。流域內(nèi)主脈貫穿遼西、大小支系縱橫交錯，東南匯入渤海，年降水量達450～600 mm，年均徑流量為16. 67億 m3。近年來，該區(qū)域水土流失現(xiàn)象嚴重，自然災(zāi)害頻發(fā)。自從上世紀30年代以來，該區(qū)域先后已接連發(fā)生過8次較大洪水災(zāi)害[3]。該流域內(nèi)廣泛分布著閻王鼻子水庫、宮山嘴水庫、菩薩廟水庫等中、小型水庫等。國家和地方政府為了防治該區(qū)域出現(xiàn)的嚴重水土流失問題，同時為了全面保護水庫中的水質(zhì)，20世紀80年代以來，在大凌河流域開展了大規(guī)模的水土保持綜合治理實踐活動，主要以造林為主[4]。截止2016年底，大凌河流域通過實施水土保持措施，累計保存下來的區(qū)域面積約為2 735.69 km2。其中，修筑水平梯田5 620.68 hm2，造林255 940.80 hm2。

2 原始數(shù)據(jù)資料來源與處理

本研究主要通過對大凌河流域內(nèi)14個雨量站的年降水量觀測資料進行分析，從而選取了1972年-2016年的區(qū)域年平均降水量數(shù)據(jù)資料；區(qū)域徑流量數(shù)據(jù)資料主要來自于大凌河流域出口控制站1972年-2016年的年徑流量觀測數(shù)據(jù)體系；此外，從遼寧省朝陽市水務(wù)局《水利綜合統(tǒng)計年報》中獲取該研究區(qū)水土保持數(shù)據(jù)農(nóng)業(yè)、工業(yè)及生活用水量數(shù)據(jù)[5]。為了系統(tǒng)描述大凌河流域相關(guān)水土保持措施對區(qū)域年徑流量產(chǎn)生的影響，本研究通過對該流域出口控制站1972年-2016年的歷年實測數(shù)據(jù)進行還原，在消除工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生活用水量對區(qū)域?qū)崪y徑流量所產(chǎn)生的影響基礎(chǔ)上，盡可能得到客觀、真實的區(qū)域徑流量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)資料處理過程如下：

通過極差標準化處理，消除區(qū)域降水量、水土保持措施面積及徑流量三大量綱之間的差異，確保不同指標之間的數(shù)據(jù)分布特征更加明顯。具體公式如下：

式中：xij′表示任一變量；xj表示第j列中的值；其中，i=1，2，…，n；j=1，2，…，n。

3“降水—水土保持—徑流”統(tǒng)計模型在流

域的具體應(yīng)用分析

3.1 統(tǒng)計模型構(gòu)建

基于數(shù)理統(tǒng)計學(xué)方法，本文以大凌河流域為研究對象，對該研究區(qū)1972-2016年45a的還原年降水量、徑流量和逐年水土保持面積數(shù)據(jù)進行分析。通過綜合區(qū)域降水、水土保持和徑流之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)大凌河流域水土保持面積(ASWC)、降水量(P)與還原徑流量(R)之間的線性相關(guān)系數(shù)為-0.361和0.790，大凌河流域水土保持面積與區(qū)域年降水量之間的線性關(guān)聯(lián)系數(shù)為-0.021。

所以，結(jié)合線性回歸分析結(jié)果可知，大凌河流域水土保持面積(ASWC)變量與降水量(P)之間相互獨立，且與大凌河流域還原徑流量(R)這一變量之間具有較強的關(guān)聯(lián)性，由此可構(gòu)建大凌河基于降水、水土保持和徑流三個變量之間的線性回規(guī)統(tǒng)計模型，詳細如下：

R=0.790-0.361P-0.021ASWC(r2=0.370)

式中：R為大凌河流域還原年徑流量，億m3；p為大凌河流域年降水量，mm；ASWC為大凌河流域年水土保持面積，hm2；

另外，通過線性回歸分析，該統(tǒng)計模型的負相關(guān)系數(shù)和F值以及線性關(guān)聯(lián)性水平分別為0.901、50.121及0.0009。

3.2 統(tǒng)計結(jié)果評價分析

(1) 上述線性回規(guī)模型表明，大凌河流域年徑流量隨著區(qū)域降水量不斷減少而減少，隨著區(qū)域植樹造林等水土保持措施不斷增多而增加[6]。為了進一步簡化計算結(jié)果，令大凌河流域水土保持面積ASWC=0,則通過比較該研究區(qū)只受降水影響的徑流量模擬值與還原值可知，1972年-2016年這45年中，1982年-2006年該區(qū)域模擬徑流量過程曲線基本處于區(qū)域還原徑流量過程曲線之上，由此說明，大凌河流域徑流量的變化不僅僅受區(qū)域降水量這一單一因素影響[7]。

(2) 在上述模型中引入水土保持面積ASWC這一變量后，即當(dāng)ASWC≠0時，再次對大凌河流域還原徑流量過程曲線與模擬徑流量過程曲線之間的波動變化差異進行分析對比，發(fā)現(xiàn)二者存在很大差異，由此進一步表明大凌河流域通過實施水土保持措施，對當(dāng)?shù)貜搅髁空{(diào)節(jié)變化起到了積極作用。其中，在1972-2016年這45年中，1972-1991年還原徑流量與計算模擬徑流量之間的過程波動變化曲線差異較小，而1992-2016年上述兩條曲線的波動變化幅度較大。由此說明，隨著生態(tài)環(huán)保政策的實施，當(dāng)?shù)卣叭嗣駥Υ罅韬恿饔蛩帘３执胧嵤┑闹匾暢潭热找婕訌?，由此使水土保持行為對?dāng)?shù)貜搅髁孔兓瘞淼恼{(diào)節(jié)作用也越來越大[8]。

4 水土保持措施的減水效應(yīng)研究

為了進一步理清流域年徑流量變化對區(qū)域降水量因素的影響程度，本文假設(shè)大凌河流域逐年林地和梯田等水土保持面積不變[9]。通過分析可知，年降水量每下降1個單位，流域徑流量則隨之下降0.361個單位；假設(shè)大凌河流域內(nèi)的年降水量保持不變，則通過分析可知，當(dāng)?shù)厮帘３种兄鹉暝黾拥牧值睾吞萏锩娣e每增加1個單位，則流域年徑流量也隨之減少0.021個單位。由此表明，大凌河流域內(nèi)降水量因素受當(dāng)?shù)貜搅髁孔兓挠绊懜鼮槊黠@。結(jié)合大凌河流域1972-2016年45年間的相關(guān)降水、徑流和水土保持等水文歷史數(shù)據(jù)資料，采用如下區(qū)域水土保持措施減水效應(yīng)計算公式進行計算：

式中：RP為模擬的天然降水產(chǎn)流量，億m3；RO為經(jīng)部分還原的河川徑流量，億m3；ESWC為水土保持減水效應(yīng)系數(shù)。

通過計算，分別可以得到大凌河流域1972-2016年各個時段的水土保持減水效應(yīng)系數(shù)。其中，1972-1981年、1982-1991年、1993-2002年、2003-2007年、2008-2016年幾個時段的ESWC值分別為2.63、3.40、29.02、6.72和50.03。從上述幾組數(shù)據(jù)對比結(jié)果中不難看出，1972年-2016年各個時段大凌河流域水土保持減水效應(yīng)非常顯著。由此說明，通過大規(guī)模的水土保持措施可改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況，合理調(diào)節(jié)徑流，增加流域內(nèi)的產(chǎn)水量[10]。

5 結(jié)語

綜上可知，目前業(yè)內(nèi)關(guān)于不同時段、不同區(qū)域水土保持措施對河床徑流量的影響研究，焦點主要集中于區(qū)域流域生態(tài)建設(shè)與下游水資源供給之間的矛盾方面。通過對該問題進行系統(tǒng)、深入研究，能夠進一步幫助區(qū)域進行水資源合理調(diào)度和分配，同時有助于構(gòu)建研究區(qū)水資源變化與水流域綜合治理之間的相互協(xié)調(diào)機制。在此過程中，基于科學(xué)的水文模型對區(qū)域水土保持措施的積極效應(yīng)進行定性描述定量評估，是該研究領(lǐng)域的重點也是難點。所以在此背景下，本文基于“降水—水土保持—徑流”模型，通過對遼寧省大凌河流域水土保持措施效應(yīng)進行分析，以期為區(qū)域水資源管理與保護提供有益參考。

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