太子河流域徑流量變化驅(qū)動(dòng)因子分析

李錦鵬

(本溪滿族自治縣水務(wù)和移民事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 本溪 117100)

1 研究背景

經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展與全球氣候的變化促使太子河流域植被覆蓋類型與覆蓋面積發(fā)生了較大改變，生態(tài)環(huán)境的變化導(dǎo)致流域干旱災(zāi)害的發(fā)生更加頻繁，流域內(nèi)水環(huán)境污染及資源型缺水問題更加突出，已成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展與人們生活質(zhì)量提升的瓶頸。土地利用/覆蓋變化作為國(guó)內(nèi)外水文研究機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一[1-2]，許多學(xué)者在徑流變化特征方面做了大量研究，如Poly Akov等[3]以夏威夷Kauai島為例，研究分析了在不同時(shí)空高差下熱帶流域的徑流變化特征，并取得了理想的模擬效果；Chalor等[4]利用Ann AGNPS模型模擬分析了小農(nóng)業(yè)流域的泥沙與徑流狀況，在不同尺度徑流量上模型呈現(xiàn)出較好的模擬效果。水資源與土地利用被國(guó)際農(nóng)業(yè)研究組織認(rèn)為是土地利用與水關(guān)系研究的核心內(nèi)容，在水文領(lǐng)域信息遙感與GIS技術(shù)的研究應(yīng)用得到了迅速發(fā)展，空間單元格可借助GIS技術(shù)進(jìn)行劃分，而水文模型需要的背景資料可通過信息遙感技術(shù)的土地利用類型圖與DEM數(shù)據(jù)獲取。

因此，為更好地反映不同土地利用類型、坡度、堤型等因子對(duì)流域徑流的變化影響，水文模型的構(gòu)建可引入信息遙感系統(tǒng)與GIS技術(shù)，通過相關(guān)性分析為水利工程規(guī)劃提供一定的決策依據(jù)。

2 太子河流域土地利用類型及子流域降水變化

2.1 流域概況

太子河流域位于東經(jīng)122°26′～124°53′、北緯40°29′～41°39′，主要有細(xì)河、沙河、湯河、蘭河等支流[5]，流經(jīng)丹東、鞍山、遼陽、撫順、鞍山等地，流經(jīng)區(qū)域地形地貌結(jié)構(gòu)類型多樣且錯(cuò)綜復(fù)雜，地勢(shì)構(gòu)造層次由東向西逐漸降低并以低山丘陵和平原區(qū)為主。流域位于溫帶大季風(fēng)氣候區(qū)，年降水量為480～950mm且主要集中在6—9月，氣候特征為冬季寒冷漫長(zhǎng)、夏季炎熱多雨。流域上游離黃海較近其降雨量較大，汛期內(nèi)澇災(zāi)害嚴(yán)重，年蒸發(fā)量由東南向西北依次增大，溫度在5～9℃范圍，濕度在70%左右。

太子河流域上游是以落葉闊葉林為主的山地森林富水區(qū)，植被所占面積為50%以上，屬于多水區(qū)；太子河中游與下游區(qū)域分別為低山丘陵與平原區(qū)，降水量較少且人口較為密集。近年來，流域土地利用類型受人為活動(dòng)與氣候變化的影響程度不斷增大，流域輸水量逐年降低，下游河道經(jīng)常出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，水環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)出逐年惡化的發(fā)展趨勢(shì)。觀音閣水庫是一座以防洪排澇、保證工業(yè)與城市用水為主，兼顧一定的旅游觀光、養(yǎng)魚發(fā)電為主的重點(diǎn)水利工程，水庫控制面積2.795km2，總庫容為21.68億m3，設(shè)計(jì)與校核洪水位為千年和萬年一遇。近年來，觀音閣水庫庫區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)得到了迅猛發(fā)展，各行業(yè)與農(nóng)業(yè)灌溉對(duì)水資源需求急劇增大，進(jìn)一步加劇了水資源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾[6-9]。所以，深入分析降水徑流變化特征對(duì)于促進(jìn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水資源可持續(xù)開發(fā)利用以及供需平衡分析具有重要意義，并且可為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展受極端水文氣象與氣候變暖的不利影響分析提供參考依據(jù)。

表1 太子河流域土地利用類型與原代碼

2.2 土地利用類型

根據(jù)太子河流域土地利用特點(diǎn)和土地現(xiàn)狀分類中的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，按照表1將太子河流域土地利用情況進(jìn)行不同類型的劃分，利用分類Ⅱ的土地利用類型分析觀音閣水庫控制的子流域徑流量變化驅(qū)動(dòng)因子。

然后根據(jù)土地利用類型情況和原代碼劃分方法，對(duì)不同時(shí)間段土地狀況進(jìn)行識(shí)別并作為徑流量變化參數(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。

2.3 子流域降水徑流及變化趨勢(shì)

大氣降水作為水資源補(bǔ)給的主要來源，對(duì)水資源管理和開發(fā)利用規(guī)劃的影響顯著，氣象要素隨著溫度的持續(xù)性變暖而越來越重要，其中徑流與降水要素對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展與經(jīng)濟(jì)建設(shè)的影響顯著。子流域徑流與降水量變化趨勢(shì)由于土地利用情況及地形的變化可能發(fā)生一定的改變，在1995—2016年觀音閣水庫控制的子流域徑流量、降水量變化趨勢(shì)與過程如圖1所示。總體而言，在研究期間子流域降水表現(xiàn)出逐漸減少趨勢(shì)，特別是在2015年以后下降幅度較為明顯。這與太子河流域所屬氣候條件相關(guān)，該流域?qū)儆跍貛Т蠹撅L(fēng)氣候區(qū)，年降水量受地形特征、人類活動(dòng)和季風(fēng)氣候影響，從而導(dǎo)致不同年度上的降水量分配不均衡。

圖1 1970—2016年觀音閣水庫控制的子流域降水、徑流量變化趨勢(shì)

3 子流域水文干旱影響因子識(shí)別結(jié)果

3.1 研究方法

為了更加科學(xué)、準(zhǔn)確地分析徑流量變化受驅(qū)動(dòng)因子的影響作用，本文對(duì)子流域徑流變化過程引入普遍而實(shí)用的多元線性回歸模型進(jìn)行分析，該模型是通過尋求對(duì)因變量具有顯著線性相關(guān)的參數(shù)構(gòu)造“最優(yōu)”方程的研究方法[10]，其基本步驟如下。

步驟一：定義回歸方程的因變量和自變量。根據(jù)表1各土地利用類型定義自變量為X，因變量為Y，其中降水量及其他各土地類型分別為X1～X7，為使得各變量具有相同的數(shù)量級(jí)，降水量單位為10mm，其他變量的單位為該土地利用類型占子流域總面積的百分率[11]。因此，可利用下式反映變量Xi～Y的線性關(guān)系，即：

Y=β0+β1X1+β2X2+…+β7X7+ε

(1)

式中，βi—為未知參數(shù)且ε～N(0，σ2)。

假定X1～X7，Y的隨機(jī)觀測(cè)值為Xij，則上述回歸方程可表述為如下形式，即：

Yj=β0+β1X1j+β2X2j+…+β7X7j+εj

(2)

將轉(zhuǎn)換后的回歸方程利用矩陣的形式進(jìn)行計(jì)算，可描述為如下形式：

Y=Xβ+ε

(3)

式中，X，Y—n×(7+1)階設(shè)計(jì)矩陣和響應(yīng)變量構(gòu)成的n維向量；β，ε—分別為8維向量與n維誤差向量。

構(gòu)建模型后可通過最小二乘函數(shù)估計(jì)不同的變量βi，通過轉(zhuǎn)換計(jì)算可得到最終的經(jīng)驗(yàn)回歸方程如下：

(4)

殘差向量為：

(5)

通常情況下，

(6)

var(β)=σ2(XTX)-1

(7)

(8)

式中，cii—為矩陣對(duì)角線的第i個(gè)元素。

E(Y)值隨著X1～X7參數(shù)量的變化無法對(duì)其線性特征利用圖形進(jìn)行判斷，因此有必要檢驗(yàn)其回歸系數(shù)的顯著性。本研究對(duì)自變量Xi與因變量Y的回歸模型利用R統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行求解，然后采用逐步回歸法的計(jì)算程度和最優(yōu)方程建立基本原則確定最佳方程。實(shí)踐表明，Step函數(shù)為逐步回歸計(jì)算應(yīng)用較為普遍且有效的方法，該函數(shù)是對(duì)AIC信息統(tǒng)計(jì)量按照一定的準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)變量刪除與增加的方法?；貧w方程由最小AIC值所對(duì)應(yīng)的變量構(gòu)成時(shí)即為尋找的最優(yōu)方程，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的因變量即為影響徑流量變化的關(guān)鍵性因子，并且因子相關(guān)程度可根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小反映。

3.2 結(jié)果分析

對(duì)流域月平均徑流量、月平均降水量以及不同土地利用類型之間的關(guān)系利用多元線性回歸模型進(jìn)行最優(yōu)的計(jì)算分析，觀音閣水庫控制的子流域徑流變化驅(qū)動(dòng)因子對(duì)應(yīng)的系數(shù)βi以及多元線性回歸方程計(jì)算結(jié)果見表2，其中“***、**、*、NA”分別代表通過100%、99.9%、99%的顯著性檢驗(yàn)和不存在現(xiàn)象關(guān)系。

根據(jù)回歸方程系數(shù)矩陣可建立子流域多元線性方程如下：

上游：Y=2.5X1+0.6X2+7.2X3+4.0X4+6.1X5-42.8

(9)

中游：Y=1.7X1+1.5X3+0.3X4-12.5

(10)

下游：Y=1.0X1+0.6X2+0.3X4-10.6

(11)

根據(jù)上述回歸方程計(jì)算結(jié)果可以看出，各驅(qū)動(dòng)因子對(duì)不同區(qū)域的徑流量影響程度存在一定差異，在觀音閣水庫控制的子流域上游區(qū)域影響因素較為復(fù)雜，其中土地利用類型變化的影響對(duì)徑流量變化最為顯著；在中游與下游區(qū)域的驅(qū)動(dòng)因子均為3項(xiàng)，其中草地與林地的相對(duì)覆蓋面積對(duì)土地利用類型的影響最為顯著，林地的影響范圍廣而草地的影響程度大，相對(duì)于上游區(qū)域降水與徑流的線性程度有所下降；水域面積為影響下游流域徑流的關(guān)鍵參數(shù)，造成下游徑流量減少的因素主要有水域面積和降水量的減少。

4 結(jié)論

本文以觀音閣水庫控制的子流域?yàn)槔?，?duì)流域的上、中、下游區(qū)域的徑流變化特征利用多元線性回歸模型進(jìn)行分析，揭示了土地利用與降水量變化對(duì)徑流量變化的驅(qū)動(dòng)特征，得出的主要結(jié)論如下。

表2 觀音閣水庫控制的子流域多元線性歸回方程系數(shù)矩陣

(1)對(duì)觀音閣水庫控制的子流域徑流量及其驅(qū)動(dòng)因子利用回歸模型進(jìn)行計(jì)算分析，在分析流域徑流變化與不同植被覆蓋類型的關(guān)系時(shí)模型具有較高的置信水平和較好的實(shí)用性，模型輸出結(jié)果顯示建設(shè)用地與未利用土地之間不存在線性相關(guān)性，因此二者可能存在其他的函數(shù)關(guān)系。

(2)由于土壤類型、坡度以及地形等環(huán)境條件的差異使得不同區(qū)域的徑流、降水變化對(duì)土地利用情況變化的敏感性不同，子流域上游區(qū)域植被類型多且地形坡度大，因此該區(qū)域主要受林地、草地、水域面積以及耕地等因素的影響；而下游區(qū)域耕地面積占比和人口密度較大，因此影響徑流量變化的主要因素為耕地。應(yīng)綜合考慮人口規(guī)模、地形特征、土地利用類型等因素，科學(xué)合理的確定水利工程建設(shè)規(guī)劃方案。