祁連山大野口流域降水-土壤水-河川來水相關性分析

金 銘, 牛 赟, 敬文茂, 苗毓鑫, 趙維俊, 車宗璽

(1.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院 甘肅省森林生態(tài)與凍土水文水資源重點實驗室,甘肅 張掖 734000; 2.中國科學院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所, 甘肅 蘭州 730000；3.甘肅張掖生態(tài)科學研究院 甘肅省祁連山生態(tài)科技創(chuàng)新服務平臺, 甘肅 張掖 734000)

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祁連山大野口流域降水-土壤水-河川來水相關性分析

金 銘1,3, 牛 赟1,2,3, 敬文茂1,3, 苗毓鑫1,3, 趙維俊1,3, 車宗璽1,3

(1.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院 甘肅省森林生態(tài)與凍土水文水資源重點實驗室,甘肅 張掖 734000; 2.中國科學院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所, 甘肅 蘭州 730000；3.甘肅張掖生態(tài)科學研究院 甘肅省祁連山生態(tài)科技創(chuàng)新服務平臺, 甘肅 張掖 734000)

[目的] 對祁連山大野口流域降水、土壤水和河川來水的相互關系進行分析，旨在為掌握流域水文過程及河川徑流形成機理提供理論支持。[方法] 運用祁連山大野口流域18 a人工和2 a自動監(jiān)測的38萬多個數(shù)據(jù)，采用特征參數(shù)算法、相關和多元回歸等方法進行分析。 [結果] (1) 降水量、空氣濕度和河川徑流18 a平均為374.06 mm，60.91%，166.73 mm。降水的44.57%最后形成了河川徑流。降水和河川徑流上升率均為18 mm/10 a，空氣濕度上升率約為1.2%/10 a。 (2) 降水、空氣濕度、土壤水、河川來水在一年中的變化步調基本一致。 (3) 在森林高度范圍內，距地面越高，空氣濕度越大，受降水的影響越??；在0—80 cm深度范圍內，土壤越深，降水對土壤水分的影響越小。 (4) 降水、空氣濕度、土壤水、河川來水的相互關系較緊密，建立的回歸模型可預測降水、土壤水、河川來水量變差的95.2%，88.8%，97.6%，準確率可達93.4%，84.6%，96.7%。[結論] 降水、土壤水、河川來水的分配比例可量化和可調控流域水資源需水量方面的分配比例；將人工觀測和自動監(jiān)測數(shù)據(jù)同化分析，解決了流域生態(tài)水文過程研究中的數(shù)據(jù)短缺問題。

降水; 空氣濕度; 土壤水分; 河川徑流; 祁連山大野口流域

文獻參數(shù)： 金銘, 牛赟, 敬文茂, 等.祁連山大野口流域降水—土壤水—河川來水相關性分析[J].水土保持通報，2016,36(4)：56-61.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.011

降水通過山地生態(tài)系統(tǒng)的涵養(yǎng)和傳輸，最后形成河川徑流以滿足生態(tài)經(jīng)濟社會發(fā)展[1-3]。近年來水力發(fā)電站對流域產(chǎn)流進行人工梯級截留，改變了河川來水的排放時間和排放量，在分配流域上、中、下游地區(qū)和各部門水資源比例，安排農業(yè)和生態(tài)用水比重，評估退耕還林、天然林保護、流域綜合治理等工程對水資源的影響等諸多現(xiàn)實問題上，需要我們掌握整個流域的降水、土壤水、河川來水的“三水”的周期變化特征和相互轉化關系等生態(tài)水文過程及水資源構成比例。祁連山林區(qū)是水源涵養(yǎng)區(qū)，山前的走廊綠洲是水源消耗區(qū)。在水源涵養(yǎng)區(qū)人們主要關注降水和土壤水對水源涵養(yǎng)林的生長滿足，而水源消耗區(qū)主要關注流域來水量對生態(tài)經(jīng)濟社會的可持續(xù)支撐，因此，綜合探討降水、土壤水和河川來水的關系，可為政府制訂減緩城市生態(tài)環(huán)境壓力、保護和利用水資源等決策提供科技支撐。相關研究屬于水文學領域的熱點[4]。20世紀50年代末期，概念性水文模型得以廣泛應用[5]。20世紀80年代初[6]，水資源量的計算以及不同水源之間轉化研究得以發(fā)展，但定性研究居多、定量研究較少[7-8]。為此，許多學者在特定的區(qū)域內利用試驗實測數(shù)據(jù)開展了大量的相關研究。田鳳霞等[9]揭示了祁連山青海云杉林植被系統(tǒng)的水文循環(huán)機理及其對山區(qū)水文路徑的調節(jié)機制。馬明國等[10]圍繞森林水文循環(huán)問題開展了航空遙感、地面同步觀測試驗和水文與生態(tài)參數(shù)加密觀測試驗。趙傳燕等[11]在黑河下游地區(qū)研究了地下水位的波動變化。劉冰等[12]對黑河流域荒漠區(qū)降水特征及其土壤水分對降水脈動響應進行了研究。從國內外相關研究可以看出，大多數(shù)學者的研究集中在降水與土壤水的關系上，但將降水、土壤水和河川來水綜合起來研究的文獻還較少。本研究充分利用甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院的長期實測數(shù)據(jù)，分析降水、土壤水和河川來水的相互關系，將特別受到關注的內陸河流域可持續(xù)產(chǎn)流問題和流域上游的生態(tài)問題結合起來探討，以期為流域綜合治理提供科學依據(jù)。

1　資料選取與方法介紹

1.1研究區(qū)概況

祁連山地處青藏、蒙新、黃土3大高原的交匯地帶(36°30′—39°30′N，93°30′—103°E)，《全國生態(tài)功能區(qū)劃》和《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》都將該區(qū)域劃分為50個國家重要生態(tài)功能區(qū)和25個重點生態(tài)功能區(qū)之列，生態(tài)區(qū)位十分重要。大野口流域(38°16′—38°33′N，100°13′—100°16′E)屬于祁連山中山氣候帶，東至馬鬃梁、西至西溝梁、北鄰正南溝、南含排露溝，發(fā)源于肅南縣境內的野牛山，主要有東岔、西岔、頭灘溝、西溝梁、觀臺溝和深溝6條較大支流匯集于大野口水庫，面積約80 km2，水庫控制了流域98%的集水區(qū)，是典型的閉合流域。由于區(qū)內海拔變化區(qū)間較大，水熱條件有較大差異，形成了垂直梯度和水平差異的植被和土壤類型。海拔由低到高，植被類型依次為山地荒漠植被、山地草原植被、山地森林草原植被、亞高山草甸植被、高山冰雪植被；土壤類型依次為山地灰鈣土、山地栗鈣土、山地灰褐土、亞高山灌叢草甸土、高山寒漠土。在各類土壤中山地灰褐土和亞高山灌叢草甸土是較適宜生長森林的土壤，分布在海拔2 400～3 300 m和3 300～4 000 m 區(qū)域內。建群種青海云杉(Piceacrassifolia)呈斑塊狀或條狀分布在試驗區(qū)海拔2 400～3 300 m 陰坡和半陰坡地帶，與陽坡草地交錯分布；祁連圓柏(Sibinaprzewal)呈小塊狀分布于陽坡、半陽坡；灌木優(yōu)勢種有金露梅(Potentillafruticosa)、箭葉錦雞兒(Caraganajubata)、吉拉柳(Salixgilashanica)等；草本主要有珠芽蓼(Polygonumviviparumlinn)、黑穗苔(Carexheterostachya)和針茅(Stipacapillata)等。

1.2數(shù)據(jù)來源與方法

1.2.1數(shù)據(jù)來源及監(jiān)測方法數(shù)據(jù)來源如表1所示，人工地面氣象站監(jiān)測嚴格根據(jù)中央氣象局編訂的《地面氣象觀測規(guī)范》的要求執(zhí)行。水庫每天8:00，20:00目測水尺法測定水位，將監(jiān)測到的水位數(shù)據(jù)和水庫庫容曲線表對照查算，可得出水庫蓄水量，一段時間的前后蓄水量之差，可求得這一段時間的流域來水量(m3),為了使河川徑流量與降水量的單位一致而便于比較，用單位時間的來水量除以流域總面積，可求得這一段時間內流域河川徑流(mm),通常也稱流域河川徑流(mm)。自動氣象站每30 min獲取一次數(shù)據(jù)，獲取降水量、空氣濕度、土壤體積含水率等數(shù)據(jù)。

表1　祁連山大野口流域降水-空氣濕度-土壤水-河川來水數(shù)據(jù)來源

1.2.2分析方法

(1) 特征值參數(shù)算法。利用人工地面氣象站和水庫18 a數(shù)據(jù)，計算降水、空氣濕度、河川徑流的年際變化平均值μ、標準差σ、變異系數(shù)Cv以及年際變化趨勢。利用自動氣象站2 a數(shù)據(jù)，計算降水、空氣濕度、土壤體積含水率、河川徑流年內變化平均值μ、標準差σ、變異系數(shù)Cv及年內變化特征。

(2) 相關和多元回歸分析。 建立降水、空氣濕度、土壤體積含水率、河川徑流數(shù)據(jù)表進行相關系數(shù)分析、擬合計算、方差分析等，最后建立降水—土壤水—河川來水回歸模型。

2　結果與分析

2.1降水-空氣濕度-河川來水年際變化特征分析

從表2可以看出，近18 a以來，降水量、空氣濕度和河川徑流平均分別為374.06 mm，60.91%和166.73 mm，降水的44.57%形成了河川徑流。年降水、年均空氣濕度和年河川徑流分別在307.43～440.69 mm，58.60%～63.22%和129.04～204.42 mm區(qū)間內變動。變化幅度由大到小依次為：河川來水>降水>空氣濕度。

從圖1可知，近18 a以來，年降水和河川徑流出現(xiàn)過2次高峰，兩次低谷。降水和徑流高峰同時發(fā)生在1998和2007年；降水和徑流的低谷一次發(fā)生同一年，一次發(fā)生在不同年份，分別是2004和2008年。降水和流域河川徑流均呈波動性上升趨勢，且二者上升率均為18 mm/10 a左右。空氣濕度也呈波動性上升趨勢，上升率為1.2%/10 a左右?？傮w來看，降水、空氣濕度和河川徑流在波動趨勢上基本保持一致。

表2　祁連山大野口流域降水-空氣濕度-河川來水年際變化特征

圖1　祁連山大野口流域降水-空氣濕度-河川來水年際變化特征

2.2降水-空氣濕度-土壤水-河川來水年內變化特征分析

如圖2所示，降水、空氣濕度、土壤水、河川來水年內變化步調基本一致。1月份降水、空氣濕度、土壤體積含水率、河川徑流平均分別為0.0 mm，44.7%，6.0%和0.0 mm，隨后均逐漸增加，直到7月份都達到最大，降水、空氣濕度、土壤體積含水率、河川徑流分別達到116.9 mm，66.61%，26.16%和52.73 mm，然后又遞減，直到12月底，降水、空氣濕度、土壤體積含水率、河川徑流平均分別低至0.1 mm，40.34%，12.47%和1.41 mm。各月降水和河川來水的標準差增均最大，變異系數(shù)也最大(表3)?？諝鉂穸群屯寥荔w積含水率的標準差很接近，且較小，平均8.39%左右?？諝鉂穸群屯寥荔w積含水率的變異系數(shù)也較小，分別為0.16和0.48。在森林高度范圍內，距地面越高，空氣濕度越大。這是由于不同層次的林冠對空氣水汽向上蒸發(fā)有聚集功能。

圖2　　　　祁連山大野口流域降水-空氣濕

2.3降水-空氣濕度-土壤水-河川來水相關性分析

相關系數(shù)|r|>0.95，存在顯著性相關；0.95≤|r|≥0.8高度相關；0.5≤|r|<0.8中度相關；0.3≤|r|

<0.5低度相關；|r|<0.3關系極弱，認為不相關。降水與空氣濕度、土壤水分，空氣濕度與土壤水分相關系數(shù)分別為0.74，0.72，0.64，均屬于中度正相關(表4)；河川徑流與空氣濕度、土壤體積含水率相關系數(shù)分別為0.76，0.82，屬于高度正相關或中度正相關。降水、空氣濕度、土壤水、河川來水的相互關系較緊密，均在中度正相關以上，因此，降水、空氣濕度、土壤水、河川來水均可參與回歸模型分析。

2.4降水-土壤水-河川來水回歸模型分析

2.4.1回歸模型擬合分析如表5所示，根據(jù)回歸擬合因子的物理意義，降水、土壤水、河川來水模型復相關系數(shù)均在0.95左右，屬顯性相關，說明回歸模型的擬合效果較理想；復測定系數(shù)表明模型可預測降水、土壤水、河川來水變差的95.2%，88.8%，97.6%。調整后復測定系數(shù)說明模型可預測降水、土壤水、河川來水量的93.4%，84.6%，96.7%。也就是說，通過模型預測的降水、土壤水、河川來水準確率可達93.4%，84.6%，96.7%。標準誤差說明計算出的降水、土壤水、河川來水與實際監(jiān)測值之間誤差分別為9.812，3.118和3.388，此值越小，說明模型精度越高。

表3　祁連山大野口流域降水-空氣濕度-土壤水-河川來水年內變化特征

表4　祁連山大野口流域降水-空氣濕度-土壤水-河川來水相關系數(shù)

表5　祁連山大野口流域降水-空氣濕度-土壤水-河川來水擬合系數(shù)

2.4.2回歸模型方差分析經(jīng)方差分析，F(xiàn)值的物理意義是回歸均方差MSr和剩余均方差MSe的比值，由于我們期望MSe越小，MSr越大越理想，所以，F(xiàn)值越大，說明模型對降水、土壤水、河川來水量的預測結果越理想。求得F檢驗值和F顯著水平(表5)，F(xiàn)顯著水平p<0.001,查得F0.001(3，8)的臨界值Fa為15.829，F(xiàn)檢驗值遠遠大于臨界值Fa，說明模型預測的降水、土壤水、河川來水量在a=0.001(p<0.001)水平上極顯著。

2.4.3偏回歸系數(shù)分析偏回歸系數(shù)分析主要是檢驗偏相關系數(shù)的顯著程度。

由表6可以看出，常數(shù)、降水、空氣濕度、土壤水、河川來水相關系數(shù)對應的顯著度(p)物理意義表示回歸模型的常數(shù)或自變量系數(shù)變化的顯著程度，其值越小，說明其顯著水平越高。在降水回歸模型中，對降水量變化指示性顯著程度從大到小依次為：河川來水>土壤水>空氣濕度；在土壤水模型中，對土壤水分變化指示性或影響顯著程度從大小依次為河川來水>土壤水>空氣濕度；在河川來水模型中，對河川來水影響顯著度從大到小依次為：降水>土壤水>空氣濕度。

從表6可見，查得t0.9(11)的臨界值為0.129，其相對應的t檢驗值的絕對值均大于臨界值，說明回歸模型在a=0.9水平上偏相關系數(shù)顯著。

表6　祁連山大野口流域降水-空氣濕度-土壤水-河川來水擬合系數(shù)

注：表中P2 835，Wa，Sw，Rd分別代表海拔2 835 m處的降水(mm)、空氣濕度(%)、土壤平均體積含水率(%)、河川徑流(mm)。

綜合上述，由R2擬合檢驗、F方差檢驗、t偏回歸檢驗，可得出祁連山大野口流域降水—土壤水—河川來水的回歸模型分別為：

P2835=0.147Wa-1.944Sw+2.658Rd+

13.296(R2=0.976，p<0.001)

(1)

Sw=-0.196P2835+0.055Wa+0.751Rd+

7.757(R2=0.942，p<0.001)

(2)

Rd=0.371R2835+0.035Wa+0.886Sw-

10.286(R2=0.988，p<0.001)

(3)

式中：P2 835(mm),Wa(%),Sw(%)、Rd(mm)分別代表著海拔2 835 m處的降水量、空氣濕度、土壤體積含水率、河川徑流。

3　結 論

(1) 年際變化上，研究區(qū)1994—2011年降水量、空氣濕度和河川徑流分別在374.06 mm，60.91%和166.73 mm上下波動，大氣降水的44.57%形成了河川徑流。河川來水量變化幅度最大，年降水量次之，年均空氣濕度最小。降水、空氣濕度和河川徑流均呈波動性上升趨勢，降水和河川徑流上升率均為18 mm/10 a左右，空氣濕度上升率為1.2%/10 a左右。

(2) 年內變化上，研究區(qū)2006—2007年降水、空氣濕度、土壤水、河川來水年內變化步調基本一致，1月份都較小，隨后都逐漸增大，直到7月份都達到最大值，然后又逐漸降低，直降到12份。各月降水和河川來水的標準差都最大，變異系數(shù)也最大；空氣濕度、土壤體積含水率標準差較小，變異系數(shù)也較小。低于森林高度內，距地面越高，空氣濕度越大。

(3) 降水、空氣濕度、土壤水、河川來水的相互關系較緊密，均在中度正相關以上。建立的模型可預測降水、土壤水、河川來水量變差的95.2%，88.8%和97.6%，預測降水、土壤水、河川來水量準確率可達93.4%，84.6%和96.7%，預測值與實際監(jiān)測值之間誤差分別為9.812，3.118和3.388。模型均通過了R2擬合檢驗、F方差檢驗和t偏回歸檢驗。

(4) 大野口流域是祁連山較典型的一個小支流，祁連山孕育的3大內陸河流域正是由這樣的小支流匯集而成。通過探討一個小支流從降水到河川來水在數(shù)量上的變化過程，從而為進一步研究內陸河流域生態(tài)水文過程機理提供參考依據(jù)。在相關研究中[13-15]，數(shù)據(jù)的獲取始終難度較大。過去偏重于人工觀測獲取數(shù)據(jù)，從理論上講，人工觀測數(shù)據(jù)較準確，但是由于野外工作條件的限制，經(jīng)多人觀測后，數(shù)據(jù)誤差隨之增大。近年來由于自動儀器和設備的大量投入，數(shù)據(jù)量增大且連續(xù)性增強，但是定點觀測，代表性較差。本研究將人工觀測和自動觀測數(shù)據(jù)結合起來分析，是研究流域生態(tài)水文過程中解決數(shù)據(jù)短缺和準確性的一次償試。

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Correlation Analysis of Precipitation, Soil Water and River Water in Dayekou Basin of Qilian Mountains

JIN Ming1,3, NIU Yun1,2,3, JING Wenmao1,3,MIAO Yuxin1,3, ZHAO Weijun1,3, CHE Zongxi1,3

(1.AcademyofWaterResourceConservationForestsofQilianMountainsinGansuProvince,GansuProvincialKeyLaboratoryofForestEcologyandFrozen-soilHydrologyandWaterResources,Zhangye,Gansu734000,China; 2.ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou,Gansu730000,China; 3.AcademyofEcologyScienceofZhangye,GansuScienceandTechnologyInnovationServicePlatformofEcologyinQilianMountainsofGansuProvince,Zhangye,Gansu734000,China)

[Objective] Correlations among precipitation, soil water and river water were analyzed in Dayekou Basin of Qilian Mountains in order to explore the ecological and hydrological processes of basin and river runoff formation. [Methods] More than 380 thousand data observed artificially for 18 years and obtained automatically for 2 years were processed using methods of characteristic-parameters algorithm, correlation analysis and multiple regression. [Results] (1) The annual precipitation, air humidity and river runoff depth averaged over the 18 years’ artificial observations were 374.06 mm, 60.91% and 166.73 mm, respectively. The river runoff accounted annually for 44.57% of the precipitation. The precipitation, air humidity and river runoff all showed rising trends with average rates of 18 mm/10 a, 1.12%/10 a and 18 mm/10 a, respectively. (2) The precipitation, air humidity, soil moisture and river runoff varied intra-annually in step. (3) With the height increase from forest ground, the influence of precipitation on air humidity decreased; In 0—80 cm soil profile, with the increase of soil depth, the influence of precipitation on soil moisture also decreased . (4) The relationship between rainfall, air humidity, soil water, river water more closely， the regression model among precipitation, air humidity, soil moisture and river runoff can interpreted the 95.2% and 88.8% and 97.6% variances of precipitation, soil moisture and river runoff, respectively, and with averaged prediction accuracies of 93.4%, 84.6% and 96.7%. [Conclusion] The proportional allocation among precipitation, soil water, river water could be quantified and regulated. The data acquiring methods of manual observation and automatic monitoring could well solve the ecological and hydrological processes research in river basin.

precipitation; air humidity; soil moisture; river runoff; Dayekou basin of Qilian Mountains

2015-11-19

2016-02-26

甘肅省基礎研究創(chuàng)新群體項目“祁連山土壤水源涵養(yǎng)功能與森林分布變化響應關系”(145RJIG337)； 國家自然科學基金項目(41461004)； 甘肅省科技創(chuàng)新服務平臺項目(144JTCG254)

金銘(1972—),男(漢族),甘肅省張掖市人,博士,副研究員,主要從事生態(tài)水文學方面的研究。E-mail:shyjinming@163.com。

牛赟(1974—),男(漢族),甘肅省通渭縣人,博士,高級工程師,主要從事生態(tài)水文學方面的研究。E-mail:niuyun2028@163.com。

A

1000-288X(2016)04-0056-06

Q948， X171.1