基于多源信息融合的環(huán)境變化對徑流定量影響研究

趙佳楠

(通河縣水務技術服務中心，黑龍江 通河 150900)

1 概 述

中國西北內陸河流域水資源缺乏，水土流失現(xiàn)象嚴重，可用水資源量不斷減少，極度影響生態(tài)環(huán)境和經濟社會發(fā)展。文章基于多源信息融合技術，結合流域實際產匯流原理，通過溫升、植被變化、工程建設和用水情況變化等不同因素，分析各因子對水資源量的影響，從而客觀評價多因子影響下的流域水資源量。

水資源賦存條件依賴環(huán)境變化和人類活動的影響，內陸河地區(qū)因特殊的地理環(huán)境，多年氣候干旱，流域生態(tài)環(huán)境十分脆弱。近年來，開展大量的水土保持工作，對流域下墊面條件得到改善，生態(tài)環(huán)境好轉。同時隨著全球氣候變化，降水量和蒸發(fā)量使流域發(fā)生較大改變[1]。因此，采取多源信息融合技術方法，綜合分析植被變化、水利工程建設、溫度變化帶來的陸面蒸散發(fā)等多種因素，定量分析環(huán)境變化對河川徑流的影響，為正確評價變化環(huán)境下地表水資源量提供一定依據。

2 徑流定量分析原理[2]

2.1 天然補給量

大氣降水入滲補給量計算公式為：

Q降水=α×F×P有效

(1)

式中：α為入滲系數(shù)；F為計算區(qū)域面積；P為有效降水量。

井灌滲漏和田間入滲量計算公式為：

Q井補=β井·Q井灌

(2)

式中：Q井補井灌補給量；β井補給系數(shù)；Q井灌井灌用水量。

2.2 蒸發(fā)排泄量計算

流域水份蒸發(fā)量離散后表達式為：

(3)

式中：E為蒸發(fā)強度；Ei各離散單元水面蒸發(fā)強度；si水位埋深；△s蒸發(fā)極限埋深。

在地下水水均衡理論中的多年平均地下水總補給量、總排泄量和蓄變量間的均衡關系表達式為：

Q總補-Q總排±△W=X

(4)

(5)

式中：X、δ為絕對和相對均衡差。

3 工程應用

某流域位于中國內蒙古的東北部，地質構造屬中朝準地臺鄂爾多斯盆地，地質構造呈由西北向東南傾斜[3]。西北地勢高、東南地勢低，高程面流域最低，向四周逐漸增高，流域地理位置示意圖見圖1。

圖1 流域地理位置示意圖

3.1 地質構造

下全新統(tǒng)風積層(Q41eol)：厚0m-5m，零星披蓋于區(qū)內的地貌單元上，巖性為褐黃色中細砂，松散，孔隙發(fā)育。

上全新統(tǒng)湖積層(Q42l)：厚2m-5m，，巖性為灰黃色粉細砂，中細砂，含淤泥。

上全新統(tǒng)風積層(Q42eol)：厚3m-20m，分布面積超過55%。巖性為黃色中細砂，粉細砂，不同地貌部位厚度差異較大。

3.2 水文地質特性

含水層主要為上更新統(tǒng)孔隙潛水層，下部結構為中細砂夾砂礫石，中部為風積中細砂，頂部為全新統(tǒng)湖積層和粉細砂。含水層一般35-63m，最大88.35m，最小11.16m，水位埋深0.4m-4.53m，最大4.53m，涌水量為781.36m3/d-1160.57m3/d，滲透系數(shù)為2.5m/d-24.2m/d[4]。

地下水補徑排條件：地下水的主要補給方式為大氣降水，其他補給方式包括河水和灌溉入滲等。通常大氣降水補給后，水平徑流于排泄基準面，故形成該流域的地層構造形式。流域主要排泄方式為潛水蒸發(fā)，其次為側向徑流和人工開采。

3.3 計算成果

3.3.1 雨養(yǎng)植被變化及其對河川徑流影響量

3.3.1.1 基于遙感解譯的植被動態(tài)變化

以LandsatTM、ETM+遙感數(shù)據為主要信息源，通過收集1987年、1991年、2000年和2010年流域的土地利用狀況[5]，分析植被動態(tài)變化。結果見表1-2、圖2-3。

1)灌木林地。基本呈持續(xù)增加趨勢，1987-2010年增加38.0km2，其中，1987-1997年增加16.7km2，1997-2010年增加21.4km2。

2)草地。隨著國家推進建設的退牧還草和生態(tài)環(huán)境治理等，草地面積持續(xù)增加，1987年-2010年草地總面積增加434.1km2，其中高、中、低蓋度草地分別增加13.9、290.4、129.8km2。

表1 不同年份流域土地利用面積及比例

表2 不同時期土地利用及變化情況

圖2 1987年植被解譯圖

圖3 2010年植被解譯圖

3.3.1.2 雨養(yǎng)植被對河川徑流影響量

林草地對地表徑流的影響主要表現(xiàn)為植被冠層攔截降水，減少地表徑流，蒸發(fā)體現(xiàn)在植物蒸騰、地面蒸發(fā)。通常降雨強度條件下樹冠截留比例為20%左右，長時間高強度降雨，截留量則降低；同時，枯枝落葉層的滯流效應對截流量較大作用，通常在林區(qū)比例為20%。

根據遙感解譯成果，2000-2010年流域草地、灌木林地面積分別為825.3km2、52.4km2，較湖面穩(wěn)定時增大407.9km2、32.1km2。流域植被變化減少徑流量匯總，見表3。表明林草面積擴大對地表徑流降低起到積遏制作用，通過成果對比可知，高、中、低覆蓋度草場分別減少地表徑流量比例為90%、45%、30%，灌木林地減少比例為60%。由以上水資源評價結果，2000-2010年流域徑流模數(shù)為3.65萬m3/km2，植被減少徑流量為703.6萬m3。

表3 流域植被變化減少徑流量匯總

3.3.2 水庫坑塘建設影響量

水庫坑塘影響為工程攔蓄水量和水面蒸發(fā)增加量。

根據遙感解譯成果，萎縮階段多年平均水庫坑塘面積約為2.7km2，流域內水面蒸發(fā)量為1307.2mm，根據相關水庫初步設計，陸面蒸發(fā)量為302.7mm，則萎縮階段水庫坑塘面積造成的蒸發(fā)量為267.2萬m3。

根據現(xiàn)狀調查結果， 2010年水庫總蓄水量約為971萬m3，包括2個水庫則水庫年攔蓄水量為971/11=88.2萬m3。

故水庫坑塘等建設造成的地表水影響量約為356.3萬m3。

3.3.3 陸面蒸散量對河川徑流的影響

近年來該流域氣溫持續(xù)升高，湖泊萎縮階段流域氣溫增加約0.9℃，進而造成萎縮階段的流域蒸散發(fā)變大，地表徑流量不斷降低。紅堿淖流域多年氣溫變化圖，見圖4。

圖4 紅堿淖流域多年氣溫變化圖

氣候因子和水循環(huán)作用關系緊密，基于水量和能量平衡關系，簡單方程式為E/p=f(E0/P)=f(Φ)，這一，具體的水熱耦合平衡方程表達式為：

(6)

根據Budyko公式計算，2000-2010年多年平均降水量409.6mm，陸面實際蒸散發(fā)增加約3.7mm?？傻藐懨嬲羯l(fā)增加對地表徑流的影響約為528.3萬m3。

3.3.4 變化環(huán)境下的地表水資源量

該地表水資源量主要影響因素為降水和下墊面條件變化。溫度升高、水土保持工程、地下水開采及能源工程等都將對產匯流造成不利影響。當降水量一致，天然徑流量將持續(xù)降低。

結合上述分析，近期植被變化影響地表水資源量為703.6萬m3、水庫坑塘建設影響量356.3萬m3、氣溫升高造成陸面蒸散發(fā)增加約為528.3萬m3，合計總影響量為1588.23萬m3。在各影響因素中，工程建設和溫度變化造成的地表水資源量的減少是不可逆的，則現(xiàn)狀下墊面條件下流域地表水資源量除去上述因素，即為3851.4萬m3。

4 結 論

文章基于流域徑流定量分析中天然補給和蒸發(fā)泄流量計算原理，采取多源信息融合技術方法，結合流域綜合分析植被變化、工程建設、溫度變化帶來的的陸面蒸散發(fā)變化等，計算得出變化環(huán)境下的流域地表水資源量，定量分析近期環(huán)境變化對河川徑流影響，同時為客觀評價變化環(huán)境下地表水資源量提供依據。