河流徑流演變影響度分析

劉曉哲

( 遼寧河庫(kù)管服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

河流徑流演變主要受到自然因素和人類(lèi)活動(dòng)的影響，其中自然因素主要為降水因子，降水是河流徑流主要補(bǔ)給來(lái)源，是水文循環(huán)的重要組成部分。而人類(lèi)活動(dòng)則包括下墊面如土地利用變化和涉水活動(dòng)如水利工程的建設(shè)，以上要素均對(duì)河流的徑流產(chǎn)生直接影響[1]。當(dāng)前，河流徑流演變規(guī)律的分析已有研究，其中其徑流演變影響因素的定量探討取得不少研究成果[2- 9]，但這些成果大都從兩個(gè)要素進(jìn)行徑流演變影響度的定量分解，這兩要素一般為降水和人類(lèi)活動(dòng)。有研究結(jié)果表明涉水活動(dòng)和下墊面對(duì)河流徑流演變的影響度不同，下墊面主要影響流域的產(chǎn)匯流，從而影響進(jìn)入河道的徑流量。而涉水活動(dòng)則是通過(guò)調(diào)節(jié)河道內(nèi)的徑流量從而對(duì)河流徑流產(chǎn)生直接影響，涉水活動(dòng)和下墊面對(duì)徑流影響過(guò)程均不相同，因此在探討人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河流徑流演變影響度時(shí)需要將涉水活動(dòng)和下墊面進(jìn)行定量分解探討[10]。張建云[11]首次在國(guó)內(nèi)提出三要素定量分離方法，并在一些流域徑流演變影響度中進(jìn)行了應(yīng)用[12- 15]，結(jié)果表明該方法符合區(qū)域徑流演變的規(guī)律。但三要素定量分離方法在遼寧地區(qū)應(yīng)用還較少，為此本文結(jié)合該方法，以遼寧省的渾河、太子河、大凌河為實(shí)例，探討三要素定量分離對(duì)各河徑流演變影響度的適用性。結(jié)果對(duì)于河流水資源開(kāi)發(fā)利用提供參考。

1 研究方法

將自然要素和人類(lèi)活動(dòng)分解為降水、涉水活動(dòng)以及下墊面變化，該方法計(jì)算步驟為:①按照實(shí)測(cè)徑流的演變特征和流域內(nèi)涉水活動(dòng)以及下墊面變化的實(shí)際情況，將徑流序列劃分為天然和人類(lèi)活動(dòng)影響兩個(gè)階段，天然影響階段為基準(zhǔn)期，將基準(zhǔn)期徑流實(shí)測(cè)均值和人類(lèi)活動(dòng)影響階段的徑流實(shí)測(cè)均值相減得到徑流變化的總量；②采用基準(zhǔn)期的實(shí)測(cè)水文、氣象數(shù)據(jù)對(duì)水文模型進(jìn)行參數(shù)的率定，模型參數(shù)對(duì)天然條件下的流域產(chǎn)匯流特征進(jìn)行表征；③將率定好的水文模型，以人類(lèi)活動(dòng)影響期的降雨數(shù)據(jù)作為輸入，模型輸出結(jié)果為人類(lèi)活動(dòng)影響階段的徑流量估算值；④將基準(zhǔn)期徑流和估算的人類(lèi)活動(dòng)影響徑流量相減得到氣候變化影響下的徑流變化量，將氣候變化影響的徑流估算量和徑流變化總量相除得到氣候變化影響度，人類(lèi)活動(dòng)影響徑流量和徑流變化總量的比值為人類(lèi)活動(dòng)影響貢獻(xiàn)度。以渾河為例，對(duì)其計(jì)算步驟進(jìn)行分解，分解過(guò)程如圖1所示。

在圖中各要素的分解計(jì)算方程分別為：

ΔWC=WHN-WB

(1)

ΔWH=WHR-WHN

(2)

ΔWS=ΔWH-ΔWE

(3)

ΔWT=WHR-WB

(4)

式中，ΔWT—徑流變化總量，mm；ΔWH—人類(lèi)活動(dòng)影響量，mm；ΔWC—?dú)夂蜃兓绊懥浚琺m；WB—基準(zhǔn)期實(shí)測(cè)徑流平均值，mm；WHR—人類(lèi)活動(dòng)影響期實(shí)測(cè)徑流量，mm；WHN—人類(lèi)活動(dòng)影響期計(jì)算天然徑流量，mm；ΔWS—下墊面影響量，mm；ΔWE—涉水活動(dòng)影響量，mm。

圖1 徑流演變影響三要素分類(lèi)方法

2 成果與討論

2.1 河流概況

渾河流域面積28260km2，河流長(zhǎng)度495km，河流平均比降0.420‰，多年平均年降水量742.3mm，多年平均年徑流深220.9mm，多年平均年蒸發(fā)量677～822mm，流域平均寬度為46.9km，河道彎曲系數(shù)為1.7，河流形狀系數(shù)為0.09，河網(wǎng)密度為0.3。流域面積10km2以上一級(jí)支流54條，二級(jí)支流173條，三級(jí)支流222條，四級(jí)支流118條，五級(jí)支流14條。太子河屬于渾河支流，其流域面積13493km2，河流長(zhǎng)度363km，河流平均比降0.740‰，多年平均年降水量767.5mm，多年平均年徑流深253.4mm，流域平均寬度為37.2km，河道彎曲系數(shù)為1.7，河流形狀系數(shù)為0.10，河網(wǎng)密度為0.4。流域面積10km2以上一級(jí)支流60條，二級(jí)支流177條，三級(jí)支流106條；四級(jí)支流14條。大凌河流域面積23235km2，河流長(zhǎng)度453km，其中遼寧省境內(nèi)19989km2。河道平均比降為0.81‰，多年平均年降水量487.2mm，多年平均年徑流深76.6mm。流域平均寬度為51.3km、河道彎曲系數(shù)2.5、形狀系數(shù)0.11。流域內(nèi)10km2以上的一級(jí)支流112條，二級(jí)支流206條，三級(jí)支流172條，四級(jí)支流32條，五級(jí)支流4條。

2.2 資料概況

按照觀測(cè)資料的序列長(zhǎng)度以及徑流變化顯著為原則，分別選取渾河的邢家窩棚站、大凌河的凌海站以及太子河的唐馬寨作為研究站點(diǎn)，各站點(diǎn)的資料情況見(jiàn)表1，并對(duì)不同站點(diǎn)年代季的徑流進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

從表1可看出，渾河、太子河、大凌河的各站點(diǎn)不同年代徑流量都出現(xiàn)較為明顯的變化，渾河邢家窩棚站相比于20世紀(jì)70年代徑流量均有所遞減，且遞減幅度總體呈現(xiàn)上升變化。大凌河的凌海站相比于20世紀(jì)70年代徑流量也呈現(xiàn)明顯的遞減變化，且從2000年以后遞減比例達(dá)到83.68%。從太子河唐馬寨站不同年代徑流變化可看出，相比于20世紀(jì)70年代其和渾河邢家窩棚站的年徑流遞減比例較為接近，這是因?yàn)樘雍幼鳛闇喓拥闹匾Я?，其徑流變化的影響因素也較為相似，因此其徑流變化的遞減幅度也相對(duì)較為接近。

表1 選取的典型水文站資料情況

2.3 定量分離結(jié)果

基于渾河、太子河以及大凌河各站點(diǎn)實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)，結(jié)合前述徑流演變影響因素定量分解方法，對(duì)各河流徑流影響因素進(jìn)行降水、涉水活動(dòng)以及下墊面的影響度定量分離，結(jié)果見(jiàn)表2—4，并統(tǒng)計(jì)分析了各河流1980—2017年徑流演變各因素的影響度，結(jié)果見(jiàn)表5。

從大凌河凌海站實(shí)測(cè)徑流可看出，其豐枯變化較為明顯，降水在豐水期對(duì)徑流影響程度較低，而在枯水期對(duì)徑流影響程度較高，1980—1989年以及2000—2010年兩個(gè)枯水期降水影響的徑流遞減量分別為23.4mm和20.2mm。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始涉水活動(dòng)對(duì)大凌河凌海站的徑流影響度逐步提升，1980—2017年代徑流的遞減幅度較高于10mm，水利工程的修建使得徑流量減少的程度有所增加。從20世紀(jì)80年代到90年代下墊面變化對(duì)徑流的影響程度逐步減小，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始人類(lèi)活動(dòng)影響下大凌河凌海站以上流域的植被覆蓋度減小，降低植被的保水效應(yīng)。而從2000年以后隨著流域內(nèi)植被覆蓋的增加，降水徑流對(duì)地下水的補(bǔ)給量加大，隨著后續(xù)匯入河道后增加了河道內(nèi)的徑流量。

表2 渾河徑流影響量影響因素分解

表3 太子河徑流影響量影響因素分解

表4 大凌河徑流影響量影響因素分解

表5 各流域徑流影響量因素分解匯總

從渾河邢家窩棚站的徑流影響定量分解情況可看出，20世紀(jì)80年代和2000年后渾河邢家窩棚站的徑流有所減少，而20世紀(jì)90年代徑流有一定程度的遞增變化，這主要是因?yàn)?0世紀(jì)90年代幾個(gè)大水年份使得徑流量的均值有所增加。20世紀(jì)80、90年代以及2000年后降水對(duì)徑流量的影響度先增后減，2000年后期影響度變?yōu)樨?fù)值。涉水活動(dòng)對(duì)渾河徑流影響總體為遞減效應(yīng)，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，對(duì)徑流遞減的影響度逐步提高。下墊面變化對(duì)渾河邢家窩棚站的徑流影響總體為增加效應(yīng)，這主要是因?yàn)榱饔騼?nèi)的城鎮(zhèn)化水平的提高，使得徑流系數(shù)相應(yīng)增加，從而增加了河流徑流量。

從太子河唐馬寨站受涉水活動(dòng)影響看，徑流總體呈現(xiàn)遞減變化，這與太子河流域內(nèi)觀音閣、葠窩、湯河水庫(kù)的修建有直接關(guān)聯(lián)，受到流域內(nèi)城鎮(zhèn)用地變化，太子河唐馬寨站受下墊面變化影響徑流增加較為明顯。從各流域徑流影響度的匯總情況可看出，下涉水活動(dòng)和下墊面是渾河徑流演變主導(dǎo)因子，貢獻(xiàn)比重較為接近，三個(gè)要素的影響度分別為51.9%、45.8%、2.3%，涉水活動(dòng)是太子河徑流演變的主導(dǎo)因子，三個(gè)要素的徑流演變影響度分別為61.1%、29.8%、9.1%。大凌河的三個(gè)要素貢獻(xiàn)比重相差較小，對(duì)徑流演變貢獻(xiàn)相對(duì)均衡，對(duì)大凌河徑流演變影響度分別為42.7%、24.1%、33.2%。

2.4 回歸方程的建立

以渾河、太子河、大凌河基準(zhǔn)期之后為分析時(shí)段，以降水量、涉水活動(dòng)、下墊面三個(gè)要素建立其與各要素影響下徑流量的回歸方程，結(jié)合回歸方程實(shí)現(xiàn)未來(lái)變化情景組合模式下的徑流演變分析。各要素的回歸方程見(jiàn)表6—8。

表6 大凌河徑流不同影響因素的回歸方程

表7 渾河徑流不同影響因素的回歸方程

表8 太子河徑流不同影響因素的回歸方程

從前面三個(gè)影響因素下渾河、太子河、大凌河的徑流演變分析結(jié)果可知，徑流量受降水影響較為直接，因此各河流中降水和降水影響徑流量回歸方程的決定系數(shù)均最高，高于0.8，屬于高度相關(guān)。在涉水活動(dòng)影響下的徑流量和涉水活動(dòng)的相關(guān)方程總體決定系數(shù)要低于降水量的相關(guān)方程，其中渾河和大凌河的決定系數(shù)較高，可通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，而太子河的決定系數(shù)相對(duì)較低。各河流受下墊面影響徑流量和下墊面回歸方程的決定性系數(shù)較低，這主要是因?yàn)橥恋乩脭?shù)據(jù)相對(duì)較少，本文主要收集到了1956、1980、2000、2011年四個(gè)年份土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)，而其他年份各土地利用類(lèi)型主要通過(guò)插值方法計(jì)算得到，而雖然土地利用數(shù)據(jù)變化相對(duì)較小，且基本呈現(xiàn)連續(xù)波動(dòng)變化，因此總體回歸方程的決定系數(shù)較低。

3 結(jié)論

(1)在水文站天然徑流計(jì)算時(shí)，建議采用站點(diǎn)上一年的降水量作為參數(shù)對(duì)其降雨—天然徑流量之間的關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證或修正，以保證站點(diǎn)天然徑流計(jì)算精度。

(2)通過(guò)構(gòu)建不同要素影響下的徑流量與各影響因素的相關(guān)方程，可以對(duì)未來(lái)變化情景方式下的徑流演變進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而為涉水活動(dòng)或下墊面變化對(duì)徑流影響進(jìn)行評(píng)估，考慮土地利用數(shù)據(jù)收集較為困難，其連續(xù)波動(dòng)變化小，建議部分年份土地利用變化率可通過(guò)插值分析得到。

本文未考慮氣溫變化對(duì)區(qū)域徑流的影響，在以后的研究中還可加入氣溫對(duì)北方融雪徑流的影響。