撓力河流域徑流變化分析

撓力河流域徑流變化分析

人類出生后，河流生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了變化，尤其是在20世紀(jì)中期之后。水利建設(shè)、農(nóng)業(yè)開發(fā)、城市化的不斷推進,對河流生態(tài)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)到功能都產(chǎn)生了不同程度的影響,有些影響甚至已經(jīng)超出了河流生態(tài)系統(tǒng)本身的調(diào)控能力。已有研究表明,人類活動已經(jīng)成為影響水文循環(huán)過程和水量時空分布的強大營力,顯著改變了天然狀態(tài)下的水循環(huán)過程,在時間和空間上都導(dǎo)致了水文循環(huán)要素質(zhì)和量的變化。河川徑流受氣候、地貌、土壤、植被等自然條件以及人類活動的耦合作用,其演變過程既表現(xiàn)出確定性的規(guī)律,同時也有強烈的隨機性。降水空間與時間分布的不均勻性對徑流的影響主要由下墊面產(chǎn)流特性的空間與時間不均勻性所決定。隨著人類改造自然能力的不斷增強,人類活動對流域水文的影響愈加顯著,流域徑流特征的平穩(wěn)性受到破壞。徑流特征的變化必然影響整個流域生態(tài)系統(tǒng),進而影響社會經(jīng)濟的發(fā)展。撓力河原屬三江平原典型沼澤性河流,建國后,由于受人類活動的長期影響,原有大面積沼澤濕地被開墾為農(nóng)田,沼澤濕地水文功能受到嚴(yán)重破壞,導(dǎo)致河流徑流情勢發(fā)生明顯改變,已有研究表明,本區(qū)60～80年代末,河流徑流量總體呈減少趨勢,人類活動已經(jīng)成為該區(qū)河流徑流演變的主要驅(qū)動力。以該流域為例,分析河川徑流的演化過程,認識其演化規(guī)律和驅(qū)動因素,不僅有助于流域水資源的可持續(xù)利用,同時也可為流域系統(tǒng)的生態(tài)恢復(fù)和保育提供理論依據(jù)。1濕地保護區(qū)概況撓力河流域地處黑龍江省三江平原腹地(圖1),地處133°31′～134°10′E,45°43′～47°35′,流域總面積24863km2,占整個三江平原總面積的近1/4,其中山區(qū)和丘陵面積占流域總面積的38.3%;平原占61.7%。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月～9月份。撓力河為烏蘇里江的一級支流,發(fā)源于完達山脈那丹哈領(lǐng),自西南流向東北,全長596km。其中寶清縣以上為上游河段,長183km,流域面積3689km2;寶清至菜咀子為中游河段,長283km,控制面積20796km2;菜咀子以下為下游,長130km。流域地勢低平,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,流域內(nèi)沼澤濕地面積占三江平原的1/4強。目前,流域內(nèi)有3處重要濕地保護區(qū),分別為七星河濕地(屬國家級濕地自然保護區(qū))、外七星河濕地保護區(qū)和燕窩島濕地保護區(qū)。這些保護區(qū)在保護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。然而,20世紀(jì)50年代以來,由于大規(guī)模的農(nóng)業(yè)開發(fā),濕地大面積萎縮,河流徑流情勢發(fā)生顯著改變,流域生態(tài)環(huán)境狀況不斷惡化。2排水溝年的變化2.1徑流生長及分配與其他東北地區(qū)河流一樣,撓力河一年內(nèi)有兩次汛期,即春汛和夏汛,徑流的年內(nèi)分配差異較大。河流封凍期為12月前后至次年3月,春汛出現(xiàn)于每年的3月～6月份,峰值出現(xiàn)在5月份左右;7月份之后夏汛開始,可一直持續(xù)到10月份。由于降水集中于每年的7月～10月份,受其影響,夏汛顯著大于春汛。春汛過后,因降水較少,加之蒸發(fā)損耗,導(dǎo)致徑流量有所降低,因此,月徑流量總體上呈現(xiàn)一“馬鞍狀”曲線。春汛和夏汛分別占年徑流量的13.5%～13.7%和16.0%～23.3%。徑流一般集中于4月～11月份,寶清站和菜嘴子站4月～11月份徑流分別占年徑流總量的99.24%和94.74%。最小徑流量出現(xiàn)在每年的12月至次年的3月份,占年總徑流量的7.56%和5.26%(圖1)。從圖中還可看出,由于沿岸沼澤濕地的存在,使中游菜咀子站各月徑流量分配趨于均一,其曲線較上游寶清站要緩平。因河床坡度小,泄水不暢,水位消退緩慢,夏汛一直延續(xù)到11月中、下旬,甚至12上旬河水開始封凍,汛期才結(jié)束,為我國汛期結(jié)束最晚的地區(qū)之一。河川徑流年內(nèi)分配的均勻狀況可以用徑流年內(nèi)分配的不均勻系數(shù)Cvy來表示,其計算方法如下:Cvy=√12∑i=1(Κi/ˉΚ-1)212式中:Cvy為徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù);Ki為各月徑流量占年徑流量的百分比;ˉΚ為各月平均占全年百分比,即ˉΚ=100%/12=8.33%。Cvy值越大,表明各月徑流量相差懸殊,即徑流年內(nèi)分配越不均勻。根據(jù)寶清站和菜嘴子站歷年各月徑流計算出Cvy結(jié)果如圖2所示。寶清站上游河段屬于山區(qū)性河流,徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cvy較大,在0.77～1.97之間變動;由于中游大片濕地的徑流調(diào)蓄作用,下游菜嘴子站徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)較前者小,介于0.62與1.32之間,但是有明顯上升趨勢:1975年前一時段內(nèi)Cvy平均值為0.81,1975年后一時段Cvy平均值為0.98,且呈上升趨勢,這也說明,中游土地利用方式的大規(guī)模改變導(dǎo)致濕地徑流調(diào)蓄功能的退化,徑流年內(nèi)穩(wěn)定程度降低,反映在徑流年內(nèi)不均勻系數(shù)Cvy上表現(xiàn)為其值增大。2.2排水能力的年變化2.2.1年際變化特征徑流量年際相對變化幅度的特征可通過年徑流量的變差系數(shù)Cv和年際變化的絕對比率來表示。年徑流量的變差系數(shù)Cv計算方法為:Cv=√n∑i=1(ki-1)2n-1式中:n為觀測年數(shù);ki為第i年的年徑流變率,即第i年平均徑流量與正常徑流量的比值。Cv值反映年徑流量總體系列離散程度,Cv值大,年徑流的年際變化劇烈,這對水利資源的利用不利,而且易發(fā)生洪澇災(zāi)害;Cv值小,則年徑流量的年際變化小,有利于徑流資源的利用。表1為撓力河流域年際變化特征分析結(jié)果。可以看出,撓力河徑流的Cv均較大(大于0.7),對應(yīng)年際極值也較大。2.2.2豐水時段主導(dǎo)根據(jù)水利部信息中心水文預(yù)報規(guī)范,徑流豐枯情況的劃分標(biāo)準(zhǔn)為:按距平百分率p(p=某年徑流量-多年平均值多年平均值×100%)。p>20%為豐水;10%<p≤20%為偏豐;-10%<p≤10%為平水;-20%<p≤-10%為偏枯;p<-20%為枯水。根據(jù)計算分析,撓力河徑流年際變化的過程中,豐水時段歷時較短,通常只有1年～4年;而枯水時段歷時較長,最長可達9年。自20世紀(jì)50年代末至70年代中期,流域處于豐水時期;而在20世紀(jì)70年代以后,流域基本處于枯水或者偏枯(圖3)。3流量趨勢分析3.1序列趨勢變化的定量說明采用累積濾波器,對撓力河年徑流的趨勢變化進行分析。具體方法如下:S=n∑i=1Ρi/n′ˉΡ式中:S為累積平均值;P為徑流序列;ˉΡ為徑流序列均值;n為徑流序列長度,n′=1,2,…,n。累積濾波器可充分反映時間序列定性的變化趨勢。對序列趨勢變化的定量說明,則需要一個定量化指標(biāo),本文采用Kendall秩次相關(guān)法來進行計算,基本原理如下:對任意時間序列Pi(i=1,2,…,n),其任意對偶值(Pi,Pj,i<j),如果Pi<Pj,則序列絕對上升;反之,則絕對下降。如果序列非單調(diào)上升或下降,則有:τ=4zn(n-1)-1,Var(τ)=√2(2n+5)9n(n-1),m=τVar(τ)式中:m為秩次相關(guān)系數(shù);z為徑流系列所有對偶觀測值(Pi,Pj,i<j)中Pi<Pj出現(xiàn)的次數(shù),n為徑流系列長度。根據(jù)徑流序列值,利用上式求出m值。當(dāng)n增加時,m很快收斂于標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)分布,在正態(tài)分布表中查出臨界值1.96,若m>1.96說明序列的趨勢顯著。當(dāng)秩次相關(guān)系數(shù)m為正值,則說明序列有上升趨勢;反之,則表示有下降趨勢。3.2年徑流、年排放比及排序根據(jù)計算結(jié)果,撓力河年徑流累積平均曲線如圖4所示,累積濾波器反映的各站點年徑流變化趨勢以及Kendall秩次相關(guān)法所得結(jié)果如表2所示。從圖4可以看出,各站點的年徑流隨年份不同呈波動性變化,但總體上均呈顯著的下降趨勢。從表2還可以看出,累積濾波器所反映的徑流系列變化趨勢同Kendall秩次相關(guān)法所得的結(jié)果相一致,亦呈下降趨勢。而Kendall秩次相關(guān)法給出了定量化指標(biāo)—秩次相關(guān)系數(shù)m來反映徑流系列變化趨勢的顯著程度。秩次相關(guān)系數(shù)m值上可看出,兩站點的|m|均大于1.96,因此,可斷定撓力河年徑流具有顯著的下降趨勢。4人類活動影響年變化的影響為估算人類活動對撓力河流域年徑流量的影響,首先繪制寶清站、菜嘴子站降水-徑流雙累積曲線圖(圖5)。通常情況下,降水-徑流雙累積曲線系一直線;如果流域下墊面發(fā)生改變,則降水-徑流雙累積曲線會發(fā)生偏移。因此,可根據(jù)雙累積曲線發(fā)生偏移的年代確定下墊面受人類活動發(fā)生顯著改變的時間點。從圖中可看出,寶清站自1976年后,降水-徑流雙累積曲線首次發(fā)生顯著偏離;而對于菜嘴子站,降水-徑流雙累積曲線自1964年后首次發(fā)生明顯偏移,曲線首次發(fā)生顯著偏移前的時段可作為未受人類活動干擾的基準(zhǔn)期。據(jù)此,確定寶清站基準(zhǔn)期為1956年～1975年;菜嘴子站基準(zhǔn)期為1956年～1963年。根據(jù)基準(zhǔn)期內(nèi)累積年降水和累積徑流序列,建立相關(guān)方程如下:寶清站:∑R=8.16258+0.01237∑P,R=0.99595菜嘴子站:∑R=7.82148+0.05578∑P,R=0.99549根據(jù)相關(guān)方程,計算出各站點年徑流量,并將其作為近似天然徑流量。利用基準(zhǔn)期的實測降水、徑流資料的平均值,建立反映近似天然狀況下的降水-徑流關(guān)系,計算出不同時段的降水、實測徑流、計算徑流(天然徑流)的平均值。各時段的計算值與基準(zhǔn)期計算值的差值即為此時段降水變化對徑流的影響量;各時段與基準(zhǔn)期的實測差值減去降水變化的影響量,其值即為人類活動的影響量。根據(jù)計算結(jié)果(表3),寶清站和菜嘴子站人類活動對徑流的影響量占徑流減少總量的比率分別為71.19%和62.21%?？梢娙祟惢顒邮菍?dǎo)致?lián)狭恿饔驈搅鳒p少的主導(dǎo)因素,其次才是降水變化。而且,不同時段人類活動對徑流的影響程度也不同。以菜嘴子站為例,其以上的中游河段由于建國以來大規(guī)模的開荒活動,在60年代～70年代濕地破壞最為嚴(yán)重,農(nóng)田已取代原來的沼澤和沼澤化濕地,成為撓力河流域的主要景觀類型,流域下墊面發(fā)生了巨大變化,加之工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水,對徑流影響程度最大;80年代以后,隨著濕地大規(guī)模開墾活動的減少,濕地面積的減少速度開始下降,人類活動對徑流的影響程度開始趨于穩(wěn)定。5流域徑流及徑流分布(1)撓力河徑流的年內(nèi)分配差異較大,徑流主要集中在4月～11月份;年際變化劇烈,豐水期歷時較短,通常只有1年～4年;而枯水期歷時較長,最長可達9年。20世紀(jì)70年代以后,流域基本處于枯水或者偏枯。(2)采用隨機