三江平原沼澤性河流撓力河徑流演變特征及影響因素分析

三江平原沼澤性河流撓力河徑流演變特征及影響因素分析

三江平原位于黑龍江省東北部。這是黑龍江省、松花江和烏蘇里江交匯處形成的低平原。這是中國(guó)沼澤濕地的中心區(qū)域之一。經(jīng)過(guò)多年的恢復(fù)，它成為了中國(guó)的重要商品農(nóng)業(yè)基地。開(kāi)墾沼澤需疏干排水,必然改變水文條件,引起水量平衡變化。本文選擇三江平原中部典型的沼澤性河流撓力河為研究對(duì)象,分析了河川徑流的演變特征,揭示了徑流演變與氣候因素以及人類活動(dòng)的關(guān)系,闡明了徑流演變的主要驅(qū)動(dòng)力,從而為三江平原沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)、水利工程規(guī)劃以及沼澤濕地資源持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。1流量發(fā)展的特征分析1.1灘沼濕地河流撓力河位于三江平原中部,為烏蘇里江的一級(jí)支流,發(fā)源于完達(dá)山脈勃利縣境內(nèi)的七里嘎山,自西南流向東北,在饒河縣東安鎮(zhèn)入烏蘇里江,全長(zhǎng)596km,流域總面積為24863km2。在其流域控制范圍內(nèi),以撓力河、七星河河床為軸線,沿河兩岸發(fā)育著大面積的河漫灘沼澤濕地。撓力河在寶清鎮(zhèn)以上為山區(qū)河流,地面坡降為1/200～1/800,河道彎曲系數(shù)為1.7。寶清鎮(zhèn)以下進(jìn)入平原區(qū)成為典型的沼澤河流,地面坡降變緩,中游劉福亮子為坡降變緩的轉(zhuǎn)折點(diǎn),寶清至劉福亮子坡降為1/1600;劉福亮子至炮臺(tái)亮子坡降為1/4000～1/10000;炮臺(tái)亮子至菜咀子坡降為1/12000～1/15000。由菜咀子開(kāi)始灘地坡降又逐級(jí)變陡,菜咀子至河口平均坡降為1/8000,彎曲系數(shù)為2～3。河道彎曲嚴(yán)重,只有部分河段有防洪措施,大部分為天然狀態(tài)。河道呈微復(fù)式斷面,上游寬50m,最大水深2.5m,下游寬100m,最大水深3～5m。撓力河設(shè)有兩個(gè)基本水文測(cè)站寶清站和菜嘴子站,寶清站位于河流的中上游,地理坐標(biāo)為東經(jīng)132°27′、北緯46°20′,菜嘴子站位于河流的中下游,地理坐標(biāo)為東經(jīng)133°20′、北緯46°13′。1.2流量生產(chǎn)特征1.2.1建立徑流序列由于受自然或人為因素影響,年徑流序列可能表現(xiàn)出一定變化趨勢(shì),它反映了河川徑流演變的總體規(guī)律。本文采用Kendall迭次相關(guān)檢驗(yàn),對(duì)年徑流序列趨勢(shì)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和分析。取Kendall統(tǒng)計(jì)量τ,方差Var和標(biāo)準(zhǔn)化變量U的計(jì)算式分別為:式中:∑Pi為徑流序列所有觀測(cè)值中的xi<xj出現(xiàn)的個(gè)數(shù),順序的(i,j)的子集是(i=1,j=2,3,4…n),(i=2,j=3,4,5…n),(I=n-i,j=n);n為系列長(zhǎng)度。根據(jù)1964年至1999年撓力河寶清站和菜嘴子站的實(shí)測(cè)徑流資料進(jìn)行徑流趨勢(shì)分析(表1)。檢驗(yàn)中當(dāng)顯著水平α=0.05,α=0.01時(shí),撓力河兩個(gè)水文站1964～1989年的年徑流量呈顯著減少趨勢(shì),90年代徑流量減少趨勢(shì)不明顯。1.2.2變點(diǎn)分析結(jié)果地表水資源突變可理解為地表水資源從一種分布狀態(tài)到另一種狀態(tài)突然而持久的變動(dòng)。突變現(xiàn)象不僅在一定程度上反映了系統(tǒng)的本質(zhì),而且對(duì)于系統(tǒng)的有效調(diào)控起重要作用。掌握徑流演變規(guī)律,除了分析總體趨勢(shì)外,還必須判斷并檢驗(yàn)突變發(fā)生的時(shí)間、次數(shù)和變化幅度。本文采用均值差異T檢驗(yàn)的方法研究徑流的突變特征。若某一序列中某兩個(gè)時(shí)段的平均值之間的差異具有充分的統(tǒng)計(jì)顯著性,則認(rèn)為在給定的置信度范圍內(nèi),該序列在選定的時(shí)間點(diǎn)上出現(xiàn)了突變現(xiàn)象。定義樣本長(zhǎng)度為N的序列突變指數(shù)為:式中:X1p和S1為基準(zhǔn)年前M1年的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差;X2p和S2為后M2年的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。計(jì)算時(shí)采用連續(xù)移動(dòng)基準(zhǔn)年的方法,就可得突變指數(shù)AI的時(shí)間序列。定義統(tǒng)計(jì)量:式中:M1和M2為基準(zhǔn)年前后兩段序列的樣本長(zhǎng)度;Sp為聯(lián)合樣本方差。該統(tǒng)計(jì)量t服從自由度為M1+M2-2的t分布,當(dāng)給出一定的顯著水、平α,如t<tα則在α的顯著水平上,基準(zhǔn)總兩側(cè)M1年及M2年的均值有明顯的差異,即在基準(zhǔn)點(diǎn)處出現(xiàn)了突變。對(duì)徑流變化趨勢(shì)顯著的1964年至1989年的寶清站和菜嘴子站的年徑流序列作均值差異T檢驗(yàn)的突變分析。當(dāng)M1=11時(shí),寶清站突變指數(shù)AI=0.569,統(tǒng)計(jì)量t=2.875,取顯著水平α=0.01,相應(yīng)的臨界值tα=2.7969,寶清站t<tα,即寶清站在1974年,發(fā)生了一次徑流突變。當(dāng)M1=13時(shí),菜嘴子站突變指數(shù)AI=4.506,統(tǒng)計(jì)量t=2.301,取顯著水平α=0.05時(shí),相應(yīng)的臨界值tα=1.7109,菜嘴子站t<tα,即菜嘴子站在1976年發(fā)生了一次徑流突變。根據(jù)變點(diǎn)分析結(jié)果,可以認(rèn)為撓力河中上游的寶清站河川徑流的演變過(guò)程(1964～1989)可分為兩個(gè)階段,即1964～1973,1974～1989年,兩個(gè)階段的多年平均徑流量分別為6.64×108m3和3.08×108m3,相應(yīng)變點(diǎn)的躍度為3.56×108m3。撓力河中下游的菜嘴子站河川徑流的演變過(guò)程(1964～1989)也可分為兩個(gè)階段,即1964～1975,1976～1989年,兩個(gè)階段的多年平均徑流量分別為16.88×108m3和10.59×108m3,相應(yīng)變點(diǎn)的躍度為6.29×108m3。2流域內(nèi)徑流趨勢(shì)變化的因素流域濕地水文系統(tǒng)是一個(gè)受許多因素影響的極其復(fù)雜的系統(tǒng),流域內(nèi)徑流特征的變化影響著沼澤地區(qū)的環(huán)境演化和水資源的開(kāi)發(fā)利用,同時(shí)影響整個(gè)流域開(kāi)發(fā)過(guò)程的調(diào)控和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。流域內(nèi)徑流的趨勢(shì)變化主要受到氣候因素和人類對(duì)水土資源開(kāi)發(fā)利用的影響。河川徑流的演化過(guò)程受流域下墊面因素、降雨特性、流域蒸散特性以及人類活動(dòng)等多種因素的綜合影響,是一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)過(guò)程,其演變過(guò)程既表現(xiàn)出確定性的規(guī)律,同時(shí)也有強(qiáng)烈的隨機(jī)性。本文選用灰色關(guān)聯(lián)分析法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)模型對(duì)撓力河徑流演化的影響因素及驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析。2.1氣候因素對(duì)徑向流的影響2.1.1年氣候因子與流域徑流關(guān)聯(lián)程度由于流域徑流與氣候因子之間的關(guān)系既是已知的,又是未知或非確定的,是一種灰色關(guān)系。因而我們應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析法來(lái)研究氣候因子對(duì)流域徑流的敏感程度?；疑P(guān)聯(lián)分析法的計(jì)算步驟見(jiàn)文獻(xiàn)。母序列X0(t)(徑流量)和子序列Xi(t)(影響因子),用ri表示X0(t)與Xi(t)之間的關(guān)聯(lián)度,rj越大,表明X0(t)與Xi(t)之間的相關(guān)程度高,反之,表示相關(guān)程度低。徑流趨勢(shì)變化及其影響因子的分析是徑流預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)和依據(jù)。影響流域徑流的主要的氣候因子是:r1年均降水量、r2年降水量/降水天數(shù)、r3年均溫度和r4年蒸發(fā)量。計(jì)算年徑流量呈顯著減少趨勢(shì)的1964年至1989年撓力河流域菜嘴子站年徑流量與各氣候因子之間的關(guān)聯(lián)度,結(jié)果為:r1=0.721,r2=0.708,r3=0.563,r4=0.213.因而氣候因子與流域徑流關(guān)系密切程度從大到小的順序?yàn)閞1>r2>r3>r4。即在三江平原撓力河流域,降水是影響徑流變化的最主要的氣候因子,其次為年降水量/降水天數(shù)和年均溫度,年蒸發(fā)量對(duì)徑流影響最小。因此,下面重點(diǎn)分析流域降水與徑流的關(guān)系。2.1.2降水的時(shí)間、空間特征分析由于降水是影響本區(qū)徑流變化最主要的氣候因子,因此分析流域降水的時(shí)空分布特征有利于說(shuō)明降水和徑流演變的關(guān)系。(1)降水的空間分布特征將熵的概念引入撓力河流域雨量場(chǎng),討論降水在空間分布不均勻性的結(jié)構(gòu)特征。選擇撓力河流域13個(gè)具有長(zhǎng)期預(yù)報(bào)資料的雨量站來(lái)研究降水的空間特征。根據(jù)文獻(xiàn)的方法求出13個(gè)雨量站的時(shí)間熵,它將年降水量序列的時(shí)間進(jìn)行了概化,消除了隨機(jī)不確定性,其空間的分布特性顯露出來(lái)。圖1顯示了各個(gè)站的時(shí)間熵值與其所處的經(jīng)緯度的關(guān)系,熵與經(jīng)緯度之間不存在明顯的線性關(guān)系。這說(shuō)明撓力河流域降水在空間分布上無(wú)明顯差異,因此可以將各個(gè)雨量站的年平均降水作為流域的年平均降水量。(2)降水年際波動(dòng)和趨勢(shì)變化利用Kendall迭次相關(guān)檢驗(yàn)法分析降水在時(shí)間上的變化特征。根據(jù)降水序列的Kendall迭次相關(guān)分析,Kendall統(tǒng)計(jì)量τ=-0.111,Var=0.062,標(biāo)準(zhǔn)化變量U=-0.447。當(dāng)顯著性水平α=0.05時(shí),1U1<Uα/2=1.96;說(shuō)明撓力河流域年降水量無(wú)明顯的趨勢(shì)變化(圖2)。通過(guò)對(duì)撓力河流域降水的時(shí)間、空間特征分析可知:流域降水在空間分布上無(wú)明顯差異,降水量年際變化無(wú)明顯的趨勢(shì)性。降水有豐枯年季變化,其變化具有隨機(jī)性的特點(diǎn),這同徑流多年的變化的特點(diǎn)是一致的。但降水不是影響撓力河徑流量呈現(xiàn)趨勢(shì)減少的主要原因,因此氣候因子也不是影響撓力河徑流量減少的主要因素。2.2基于徑向基函數(shù)的徑流預(yù)報(bào)三江平原自1949年起經(jīng)歷了4次開(kāi)荒高潮,濕地面積急劇下降,濕地墾殖率達(dá)到64%,農(nóng)田已取代原來(lái)的沼澤和沼澤化濕地,成為現(xiàn)今三江平原的主要景觀類型,其下墊面發(fā)生了巨大變化。撓力河流域經(jīng)過(guò)近40年的開(kāi)墾,濕地面積僅剩52.26萬(wàn)hm2,包括天然濕地45.80萬(wàn)hm2和人工濕地6.46萬(wàn)hm2。開(kāi)發(fā)規(guī)模較大的時(shí)期在1950年代至1980年代,占流域面積50%以上的寶清縣各年新開(kāi)荒地面積見(jiàn)圖3。濕地的面積的減少,濕地的調(diào)蓄功能降低,特別是河漫灘濕地的開(kāi)墾,使洪澇災(zāi)害的發(fā)生頻率及危害增加。同時(shí),隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,撓力河流域水資源開(kāi)發(fā)利用程度也逐漸提高。目前,流域內(nèi)龍頭橋以下的大型灌區(qū)已有5處,總用水量達(dá)1.848×107m3,圖4為寶清縣1970年至1990年灌溉面積變化圖,僅寶清縣灌溉面積就由1970年的220hm2增加到1990年的1600hm2左右。為防止河流泛濫,已修筑了339km的堤防,流域內(nèi)還有4個(gè)已建成的大中小型水庫(kù),壩高均不超過(guò)12m,是防洪、灌溉、綜合利用水庫(kù)。目前興建的龍頭橋水庫(kù),控制流域面積1730km2,總庫(kù)容6.15×108m3,是一座以灌溉、防洪為主,兼顧發(fā)電、養(yǎng)魚(yú)、旅游等綜合利用的大型水利工程。該水庫(kù)的建成,將改善和新增灌溉面積4.24萬(wàn)hm2。隨著水利工程的修建,灌溉面積及需水量也在不斷的增加。流域下墊面條件的改變和水利工程的建設(shè),包括水庫(kù)、堤壩,特別是農(nóng)田灌溉用水的巨增對(duì)河川徑流的演變有深刻影響河流徑流量依賴于氣象因素(降水、蒸發(fā)等)和流域的自然地理特征,同時(shí)具有很強(qiáng)的自相關(guān)性,作為徑流模擬和預(yù)報(bào),以上因素必須考慮。同時(shí),由于缺乏像土壤水分、流域蓄水量等影響因素資料,在預(yù)報(bào)時(shí)無(wú)法反映它們對(duì)徑流的影響。為了揭示人類活動(dòng)即人類對(duì)水土資源的開(kāi)發(fā)利用程度與河川徑流變化規(guī)律的相互關(guān)系,可根據(jù)各影響因子與流域地表徑流量非線性、不確定性的關(guān)系,采用徑向基函數(shù)法建立氣候因子與地表徑流量的關(guān)系模型,來(lái)預(yù)報(bào)流域天然徑流量,通過(guò)天然徑流預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的比較,計(jì)算出各個(gè)時(shí)期水土資源開(kāi)發(fā)利用對(duì)流域水文的影響。徑向基函數(shù)法(RBF)是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法中的一種,它具有精度優(yōu)于BP網(wǎng)絡(luò),以及在計(jì)算時(shí)可以避免出現(xiàn)局部極小等優(yōu)點(diǎn),其算法介紹見(jiàn)文獻(xiàn)。利用1976年以前菜嘴子站的實(shí)測(cè)降水、降水強(qiáng)度、溫度、蒸發(fā)量等氣候因子資料建立徑向基函數(shù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,利用1976年以后的實(shí)測(cè)降水、降水強(qiáng)度、溫度、蒸發(fā)量資料預(yù)測(cè)1976年以后的天然徑流量。對(duì)天然徑流估計(jì)值Rn與實(shí)測(cè)值Rs進(jìn)行比較,用wr來(lái)表示各個(gè)時(shí)期人類活動(dòng)對(duì)河川徑流演變的影響(wr=100×(Rn-Rs)/Rn)。應(yīng)用1976年以前的資料進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練是由于集水區(qū)面積占流域面積80%以上的菜嘴子站的徑流量在1976年發(fā)生了突變,但流域降水量卻無(wú)明顯變化,因此可以假設(shè)人類活動(dòng)對(duì)流域徑流量的變化產(chǎn)生了重大影響。在建立網(wǎng)絡(luò)模型時(shí)首先要考慮網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出之間的響應(yīng)關(guān)系,即降水、降水強(qiáng)度、蒸發(fā)和溫度與徑流量之間的響應(yīng)關(guān)系。為了提高模型精度和消除月徑流量之間的相依性,輸入時(shí)降水資料選用當(dāng)月及上月降水之和、降水強(qiáng)度用兩月降水之和除以總降水天數(shù),蒸發(fā)與溫度仍選用當(dāng)月值,月徑流量作為網(wǎng)絡(luò)的輸出。這樣建立的徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)模型具有較高的精度,可以用來(lái)進(jìn)行徑流量的預(yù)報(bào)。1964年至1974年的共132組降水、降水強(qiáng)度、蒸發(fā)和溫度作為網(wǎng)絡(luò)的輸入,月徑流(各月日均流量m3/s)作為網(wǎng)絡(luò)的輸出,1975年的12組數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)的檢驗(yàn)(圖5、6)。通過(guò)檢驗(yàn)結(jié)果,可以看出模型精度較高,可用來(lái)模擬氣候因子對(duì)徑流量的影響,用此模型可用于1976～1989年徑流量的預(yù)測(cè)。預(yù)報(bào)結(jié)果如下:1976年到1980年撓力河流域天然徑流量減少了60%左右,80年代以后,天然徑流量減少了30%左右。1981年、1982年預(yù)報(bào)徑流量值小于實(shí)測(cè)徑流量值,這可能是1981年為一特大豐水年,年降水量達(dá)到784.7mm,降水強(qiáng)度6.07mm/d,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流域降水和降水強(qiáng)度的平均值509mm、4.54mm/d,使流域產(chǎn)、徑流條件發(fā)生了變化,造成了流域更大的徑流量。相依性是徑流演變過(guò)程的一個(gè)重要指標(biāo),徑流系列的相依性反映了年徑流演變過(guò)程在時(shí)間上的依承關(guān)系,因此,1982年徑流量由于受到前期徑流的影響,實(shí)測(cè)徑流量值也大于預(yù)報(bào)徑流量值。對(duì)一個(gè)流域,影響地表水資源變化的因子,一是氣候因子,主要是降水的多年變化;另一個(gè)是由于生產(chǎn)發(fā)展引起城市生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)耗用水量的增加,再著是人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)引起下墊面條件的改變。從以上預(yù)報(bào)結(jié)果可知:對(duì)三江平原撓力河流域地表水資源產(chǎn)生水文效應(yīng)的主要原因可以說(shuō)是人類活動(dòng)的不斷加劇。由于發(fā)展灌溉農(nóng)業(yè),修筑各種水利設(shè)施來(lái)開(kāi)發(fā)利用水資源,修建堤防工程,進(jìn)行河道治理與修建排水渠等改變了沼澤濕地水狀態(tài)格局,對(duì)河川徑流產(chǎn)生了明顯的水文效應(yīng)。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,工農(nóng)業(yè)及生活耗水量逐年增加,此外,連年興修水利工程及水土保持措施,也將增加流域地表蒸發(fā)及植物蒸騰損失。這是撓力河流域徑流產(chǎn)生遞減趨勢(shì)的基本物理成因。3徑流趨勢(shì)變化的人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)通過(guò)對(duì)三江平原典型沼澤性河流撓力河徑流演化特征進(jìn)行分析,自60年代至80年代末,撓力河徑流量總體呈現(xiàn)減少趨勢(shì),徑流演變過(guò)程具有明顯的突變特征。降水是影響徑流變化的最敏感的氣候因子,但流域降水序列不