三江平原撓力河上游近60年來徑流演變分析

三江平原撓力河上游近60年來徑流演變分析

水文條件是濕地類型和濕地過程維持的重要因素，影響著濕地的發(fā)育和發(fā)展。氣候變化和人類活動(dòng)等以不同方式影響著濕地的水文系統(tǒng)和生態(tài)功能,特別是近年來人類活動(dòng)的日益加劇,極大地改變了濕地的下墊面條件,造成濕地生態(tài)系統(tǒng)平衡的破壞,使?jié)竦氐幕謴?fù)和保護(hù)工作日益迫切和必要。本文選擇三江平原的典型沼澤性河流——撓力河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,通過研究流域多年的徑流演化特征及其影響因素,并借助IHACRES模型定量表示氣候變化和人類活動(dòng)的影響量,較之以前主要借助經(jīng)驗(yàn)公式等研究流域徑流演變特征的方法,操作簡便且計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確,有助于深入了解沼澤濕地水循環(huán)與水平衡,對(duì)認(rèn)識(shí)沼澤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能具有重要意義。1濕地氣候條件撓力河流域位于三江平原腹地,地處133°31′~134°10′E、45°43′~47°35′N,流域總面積24863km2,占整個(gè)三江平原總面積的近1/4,濕地面積占三江平原濕地面積的1/4多。氣候?qū)贉貛駶櫚霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū),年均溫3.5℃,極端最低氣溫-37.2℃,極端最高氣溫36.6℃,年平均降水量518mm,多集中于6~9月份。撓力河為烏蘇里江的一級(jí)支流,發(fā)源于完達(dá)山脈那丹哈領(lǐng),自西南流向東北,全長596km。流域地勢(shì)低平,廣泛發(fā)育河漫灘,地表徑流不暢,有利于沼澤濕地的形成和發(fā)育。目前,流域內(nèi)有3處重要濕地保護(hù)區(qū),分別為七星河濕地(屬國家級(jí)濕地自然保護(hù)區(qū))、外七星河濕地保護(hù)區(qū)和燕窩島濕地保護(hù)區(qū),這些保護(hù)區(qū)在保護(hù)三江平原生物多樣性和維持生態(tài)系統(tǒng)功能和過程方面極具代表性。2學(xué)習(xí)方法2.1水文氣象趨勢(shì)分析中的應(yīng)用Mann-Kendall檢驗(yàn)是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法,變量可以不具有正態(tài)分布特征,檢測(cè)范圍寬、人為影響小、定量化程度高,因此適用于水文變量的趨勢(shì)分析。近年來,借助Mann-Kendall方法分析水文氣象數(shù)據(jù)的研究很多,包括降水、氣候及徑流的變化趨勢(shì)研究和突變性檢驗(yàn)。本文采用Mann-Kendall方法對(duì)撓力河上游徑流進(jìn)行突變性檢驗(yàn),求出徑流突變的年份,為應(yīng)用IHACRES模型分析徑流變化的原因提供基礎(chǔ)。2.2降雨-徑流模型IHACRES模型是Jakeman等于1990年提出的一個(gè)以單位線原理為基礎(chǔ)的集總式概念性降雨-徑流模型,模型由兩個(gè)基本模塊串聯(lián)而成,非線性模塊將降雨轉(zhuǎn)化為有效降雨,線性模塊將有效降雨轉(zhuǎn)化為徑流。有效降雨是指最終以徑流形式流出流域的降雨,所有的水量損失都發(fā)生在非線性模塊,模型在國外廣泛用于徑流模擬,并在一些資料缺乏地區(qū)推廣使用。2.3蓄水量的總量s對(duì)于一個(gè)流域來說,水量的平衡方程為:P=E+Q+ΔS(1)其中,P是降水量,E是蒸發(fā)量,Q是徑流量,ΔS是流域的蓄水量的變化。從較長時(shí)間來看,ΔS可以被認(rèn)為是零。徑流量的總體變化可以用下式表示:ΔQ=|ΔQcˉˉˉˉˉˉˉ+ΔQhˉˉˉˉˉˉˉ|(2)其中,ΔQ為徑流變化的總量,ΔQcˉˉˉˉˉˉˉ為氣候變化引起的徑流量的變化量,ΔQhˉˉˉˉˉˉˉ為人類活動(dòng)引起的徑流量的變化量。3結(jié)果與分析3.1徑流突變點(diǎn)分析研究采用撓力河上游寶清站日徑流和月徑流實(shí)測(cè)資料,資料序列長度為1956~2002年,共計(jì)47a,由Mann-Kendall法計(jì)算出數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)序列值UF和UB,然后取顯著性水平α=0.05,則臨界值Uα/2=±1.96,最后繪制UF、UB曲線和臨界值直線圖,得徑流突變點(diǎn)(圖1)。圖1表明,寶清站徑流變化特點(diǎn)為:①月徑流和年徑流均呈現(xiàn)顯著減少趨勢(shì),期間1970~1974年徑流略微上升,其余年份一直減少,而且1976年以后這種減少趨勢(shì)明顯超過α=0.05的顯著性水平;②根據(jù)UF和UB曲線的交點(diǎn)位置,確定撓力河上游徑流在1966年發(fā)生突變。3.2流量變化的形成原因3.2.1年降水和年蒸發(fā)的變異系數(shù)分析結(jié)果氣候變化對(duì)徑流量的影響因素主要是降雨量和潛在蒸發(fā)量,本文采用Mann-Kendall檢驗(yàn)和變異系數(shù)法定性和定量分析氣候變化對(duì)撓力河上游徑流減少的影響。利用Mann-Kendall檢驗(yàn)法計(jì)算出寶清站年降水和年蒸發(fā)的突變點(diǎn)(圖2),可以看出,寶清站年降水呈現(xiàn)減少趨勢(shì),但是減少的趨勢(shì)幾乎都在α=0.05的顯著性水平之內(nèi),降水的突變點(diǎn)為1966年,與寶清站年徑流突變發(fā)生的時(shí)間一致,說明寶清站徑流的減少與降水的減少直接相關(guān)。然而,通過計(jì)算寶清站年蒸發(fā)的突變點(diǎn)發(fā)現(xiàn),寶清站年蒸發(fā)的突變點(diǎn)在1989年,且蒸發(fā)在1956~1989年之間波動(dòng)不大,1990年以后其減少趨勢(shì)才超出α=0.05的顯著性水平,說明寶清站蒸發(fā)量的變化對(duì)撓力河上游流域徑流的減少?zèng)]有直接關(guān)系。為定量表示降水和蒸發(fā)與徑流變化量的關(guān)系,研究采用寶清站年降水和年蒸發(fā)的變異系數(shù)與年徑流的變異系數(shù)相比較。根據(jù)上述分析結(jié)果,將流域徑流數(shù)據(jù)分為兩個(gè)階段,第一階段:1956~1966年;第二階段:1967~2002年。寶清站1956~2002年的年徑流和年降水以及年蒸發(fā)的變異系數(shù)分別為70.7%,25.2%和12.2%,其中,第一階段的值分別為38.7%,21.5%和9.2%;第二階段分別為73.7%,25.0%和12.6%。說明寶清站第一階段徑流的減少主要是由降水的減少引起的,蒸發(fā)只是次要原因;第二階段,降水和蒸發(fā)只是徑流減少的次要原因。3.2.2人類活動(dòng)對(duì)減少產(chǎn)量的影響(1)月尺度模型分析IHACRES模型的參數(shù)較少,所需輸入的數(shù)據(jù)有降水、徑流量、氣溫、流域面積等,減少了因模型復(fù)雜,參數(shù)和輸入數(shù)據(jù)多而造成的模擬結(jié)果的不確定性。模型沒有反映下墊面方面的參數(shù),即未把下墊面特征作為模型的內(nèi)生變量。因此,本文采用“參數(shù)參照法”,即將受人類活動(dòng)影響相對(duì)較少的1956~1966年作為基準(zhǔn)時(shí)段,并用該時(shí)段的降水、徑流及氣溫?cái)?shù)據(jù)率定模型的參數(shù);然后應(yīng)用該參數(shù),輸入對(duì)比時(shí)段(1967~2002年)的實(shí)際降水、徑流及氣溫?cái)?shù)據(jù)運(yùn)行模型,得到的模擬徑流可以看作是隱含基準(zhǔn)時(shí)段人類活動(dòng)影響情景的“基準(zhǔn)徑流”。實(shí)測(cè)徑流和基準(zhǔn)徑流的差異可以看作是除降水和氣溫以外的其他因子的影響,概括為人類活動(dòng)的影響。采用月尺度進(jìn)行模擬,輸入數(shù)據(jù)為1956~2002年撓力河上游寶清站的月降水、月徑流、月氣溫和流域面積的數(shù)據(jù),選取基準(zhǔn)時(shí)段逐月降水、氣溫和徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定(表1)。表1中,w為流域干時(shí)常數(shù);f為溫度調(diào)節(jié)因子;c為是保證在整個(gè)率定期模擬的有效降雨總量等于觀測(cè)總徑流量的一個(gè)非自由參數(shù);tr為參考溫度;δ為產(chǎn)流的延遲時(shí)間系數(shù)。圖3可看出,由于誤差原因,除個(gè)別年份模擬值有偏差外,其余年份模擬值與實(shí)測(cè)值的擬合效果較好。對(duì)模型的模擬精度進(jìn)行判斷,Nash-Sutcliffe模型效率系數(shù)ENS是評(píng)價(jià)模型擬合好壞的整體性綜合指標(biāo)。ENS=1?(Se2/σr2)(3)Se=∑(Qo?Qs)2n????????√(4)σr=∑(Qo?Qˉˉˉ)2n????????√(5)式中,Se為模擬徑流誤差的均方差,σr為實(shí)測(cè)值的均方差;Qo為實(shí)測(cè)徑流值,Qs為模擬徑流值,Qˉˉˉ為實(shí)測(cè)徑流的均值。當(dāng)Qo=Qs時(shí),ENS=1;如果ENS為負(fù)值,說明模型模擬值還不如觀測(cè)值的平均值具有代表性。根據(jù)前人研究成果,當(dāng)ENS>0.75時(shí),可以認(rèn)為模擬效果好;0.36≤ENS≤0.75時(shí)模擬效果為令人滿意;ENS<0.36時(shí),模擬效果不好。應(yīng)用率定的參數(shù)模擬1956~1966年的月徑流,求出各年的Nash-Sutcliffe模型效率系數(shù)ENS。從表2可以看出,除1958、1962和1966年的模擬效果小于0.36,模擬效果不太令人滿意之外,其余年份的徑流模擬值與實(shí)測(cè)值的擬合程度較好,說明可以用IHACRES模型模擬撓力河流域的徑流變化趨勢(shì)。圖4中模擬值與實(shí)測(cè)值二者擬合直線的斜率為1.0027,對(duì)其進(jìn)行簡單的線性相關(guān)分析(R=0.8304,p=0.0017),置信度達(dá)99.83%,擬合效果較好。(2)人類活動(dòng)造成的撓力河上游徑流將基準(zhǔn)時(shí)段(1956~1966)模型率定的參數(shù)用于變化時(shí)段(1967~2002)的徑流模擬,其結(jié)果為受人類活動(dòng)影響較少的“基準(zhǔn)期”的徑流,求出模擬徑流與變化時(shí)段實(shí)測(cè)徑流的差值,即得人類活動(dòng)造成的撓力河上游徑流減少量(圖5)。寶清站1967~2002年間,模擬值與實(shí)測(cè)值差異較大,總趨勢(shì)為模擬值大于實(shí)測(cè)值,說明人類活動(dòng)引起的土地利用/覆被變化導(dǎo)致?lián)狭由嫌瘟饔驈搅鳒p少。(3)人類活動(dòng)導(dǎo)致的土地利用/覆被變化引入土地利用/覆被變化的影響指數(shù)(L)來定量評(píng)價(jià)人類活動(dòng)導(dǎo)致的撓力河上游的徑流減少量,公式如下:L=(Qo?Qs)/Qs(6)其中,Qo為實(shí)測(cè)徑流值(m3/s);Qs為模擬徑流值(m3/s)。根據(jù)模型計(jì)算寶清站1967~2002年土地利用/覆被變化的指數(shù)(L)(圖6),結(jié)果表明,人類活動(dòng)導(dǎo)致的土地利用/覆被變化指數(shù)年際間差異較大。其中,31%年份的徑流較基準(zhǔn)期減少50%以上,25%年份的徑流較基準(zhǔn)期減少30%~50%,25%年份的徑流較基準(zhǔn)期減少10%~30%;個(gè)別年份(1971、1974、1987、1991和1996年)出現(xiàn)實(shí)測(cè)徑流高于基準(zhǔn)期徑流的情況,這可能與模型的誤差有關(guān)。圖6可看出,雖然整體來看人類活動(dòng)導(dǎo)致的土地利用/覆被的變化指數(shù)在年際間差異較大,但存在兩個(gè)徑流減少幅度較大的連續(xù)階段,即:1975~1979年和1997~2002年。(4)墾荒初期20世紀(jì)2020年代為驗(yàn)證模型模擬結(jié)果,根據(jù)已有研究成果及相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料,對(duì)建國以來三江平原撓力河流域人類活動(dòng)導(dǎo)致的土地利用/覆被變化過程進(jìn)行了分析。新中國成立后,三江平原經(jīng)歷4次墾荒高潮。由于受氣候和開發(fā)技術(shù)水平所限,在1974年之前,僅對(duì)山前傾斜平原上濕地進(jìn)行開發(fā),這期間有54%的非沼澤濕地變?yōu)檗r(nóng)田,有12%的沼澤濕地喪失,1985年后,隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長,國家大修水利工程,平原區(qū)的低濕沼澤濕地逐漸被開墾為農(nóng)田,到2000年,共有87%濕地喪失。因此,撓力河上游1967~2002年徑流急劇減少的趨勢(shì)與相應(yīng)時(shí)段該區(qū)域人類開發(fā)活動(dòng)具有直接關(guān)系,應(yīng)用IHACRES模型計(jì)算的人類活動(dòng)導(dǎo)致的流域徑流減少量符合該流域的實(shí)際情況。4徑流變化的原因1)通過Mann-Kendall檢驗(yàn)法,分析1956~2002年撓力河上游流域徑流不斷減少的變化趨勢(shì),并根據(jù)突變點(diǎn)將撓力河上游徑流變化趨勢(shì)分為兩個(gè)階段,即:1956~1966年和1967~2002年。2)根據(jù)變異系數(shù)等統(tǒng)計(jì)方法,分析撓力河上游徑流減少的主要原因。其中,在第一階段,氣候變化是徑流減少的主要原因,而在第二階段,氣候變化是徑流減少的次要原因。3)應(yīng)用IHACRES模型模擬變化時(shí)段的徑