氣候變化和人類活動對徑流影響的模擬分析

氣候變化和人類活動對徑流影響的模擬分析

0沼澤化—引言三江平原位于黑龍江省東北部。是黑龍江省、松花江和烏蘇里江交匯處形成的形成平原?？偯娣e為10.89442公里，平原面積為6.674公里。這是中國典型的沼澤沼澤河流，在三江平原上有許多沼澤濕地。該盆地沼澤濕地面積較大。近50年來，隨著氣候變化和人類活動的影響，尤其是沼澤和沼氣土地的大規(guī)?；謴停恿髀窂桨l(fā)生了重大變化。其發(fā)展過程涉及氣候、地形、土壤和植被等自然條件和人類活動的影響。它不僅具有確定的規(guī)律，而且具有強烈的隨機性。分析沼澤河流的徑向特性，了解其發(fā)展規(guī)律和趨勢。這不僅有助于深入了解沼澤和濕地的水循環(huán)和協(xié)調，而且對了解沼澤生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能具有重要意義。同時，該流域濕地恢復對徑向流發(fā)展的影響以及流域水資源的合理規(guī)劃和利用提供了理論基礎。1撓力河流域濕地自然條件.撓力河流域位于黑龍江省三江平原腹地,地處131°31′—134°10′E,45°43′—47°45′N,如圖1所示.東南以完達山為界,向東與烏蘇里江連接,總面積為24863km2.其中山地面積占總面積的38.3%,平原占61.7%.該流域包括16條主要河流,撓力河是其主流,發(fā)源于完達山脈,自西南流向東北,全長596km,上游山區(qū)支流眾多,坡陡流急,中下游為平原區(qū),多條河流在此匯合、漫散.氣候屬中溫帶大陸性季風氣候,年均溫1.6℃,1月平均氣溫-21.6℃,7月平均氣溫21.4℃,極端最低氣溫-42℃,極端最高氣溫36.6℃,年平均降水量565mm,蒸發(fā)量542.4mm.撓力河流域地勢低平,平均海拔60m左右,廣泛發(fā)育河漫灘,各種碟形洼地廣泛分布,地表徑流不暢,而且廣泛分布的粘性土層阻礙地表水下滲,形成大面積沼澤,面積占三江平原的1/4強.獨特的自然環(huán)境和氣候條件,造就了該區(qū)豐富的濕地類型和獨特的生態(tài)環(huán)境.尤其在廣大的平原區(qū)域,寬廣的河漫灘、階地和山前傾斜平原上,發(fā)育形成了復雜多樣的濕地類型.2數(shù)據(jù)來源和研究方法2.1年平均徑流和年降雨數(shù)據(jù)本文重點對撓力河流域上游的寶清站(該站以上的集水面積為3689km2)和中游的菜嘴子站(該站以上的集水面積為20796km2)的徑流量進行分析,采用的數(shù)據(jù)是這兩站1956—2005年的實測逐日徑流量資料,逐月平均徑流量和逐年平均徑流量.降雨量數(shù)據(jù)采用了寶清縣氣象站、友誼縣氣象站、富錦市氣象站和饒河縣氣象站的1956—2005年的實測逐日降雨數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)由黑龍江省氣象科學數(shù)據(jù)共享服務中心提供.2.2學習方法2.2.1時間序列材料Mann-Kendall突變檢驗法是檢驗時間序列數(shù)據(jù)突變的一種非參數(shù)方法,檢驗能力較強.其計算公式如下.tk=k∑i=1mi(2≤k≤n),(1)ˉtk=E(tk)=k(k-1)4,(2)Var(tk)=k(k-1)(2k+5)72,(3)uk=tk-ˉtk√Var(tk).(4)tk=∑i=1kmi(2≤k≤n),(1)tkˉˉˉ=E(tk)=k(k?1)4,(2)Var(tk)=k(k?1)(2k+5)72,(3)uk=tk?tkˉˉˉVar(tk)√.(4)對于時間序列數(shù)據(jù)x1,x2,……,xn,mi表示第i個樣本xi大于xj(2≤j≤n)的累計數(shù),在原序列隨機獨立的前提下,給定一顯著水平α0,當α1<α0時,拒絕原假設,表示序列存在著強的增長或減少趨勢.所有uk組成一條曲線u1,當曲線u1超過信度線,即表示存在明顯的變化趨勢,把此法引入到時間序列數(shù)據(jù)的反序列中.得到另一條曲線u2,如果曲線u1和曲線u2的交叉點位于信度線之間,則認為是突變點的開始.2.2.2與徑流的關系氣候變化對徑流量的影響估計常采用的一種方法是建立降雨與徑流的經(jīng)驗關系,根據(jù)李麗娟等的研究成果,本文將降雨和徑流的經(jīng)驗關系表述為Q′=a+bΡ(σ)c,(5)Q′=a+bP(σ)c,(5)式中Q′為計算的年徑流量,P為年降雨量,σ是年內(nèi)逐月降雨量的方差,a,b,c是通過基準期率定的三個常數(shù)項.變化期的計算值與基準期計算值的差值即為此時段降水變化對徑流的影響量;變化期與基準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.3結果3.1徑流變化的突變性撓力河流域寶清站和菜嘴子站1956—2005年的年平均徑流量序列數(shù)據(jù)的Mann-Kendall的突變分析結果如圖2,從圖上可以看出兩個站在1967年左右發(fā)生了一次突變,寶清站年平均徑流量經(jīng)歷了下降—增長—下降的過程,但年平均徑流量總體上是趨于下降的,菜嘴子站也經(jīng)歷了類似的過程,但增加的趨勢并不明顯.為進一步驗證徑流的突變特征,利用降水量-徑流量雙累積曲線驗證了寶清站和菜嘴子站1956—2005年的徑流變化的突變性.降水量-徑流量雙累積曲線通常情況下是一直線;如果流域下墊面或氣候發(fā)生改變,則降水量-徑流量雙累積曲線會發(fā)生偏移.因此,可根據(jù)雙累積曲線發(fā)生偏移的點,確定徑流發(fā)生變化的年代.圖3是寶清站和菜嘴子站1956—2005年累積徑流量與降雨量的關系圖,寶清站采用的降雨數(shù)據(jù)為寶清縣氣象站的降雨數(shù)據(jù),菜嘴子站的降雨數(shù)據(jù)采用的是寶清縣氣象站、友誼縣氣象站、富錦市氣象站和饒河縣氣象站降雨數(shù)據(jù)的平均值.從圖上可以看出寶清站和菜嘴子站1956—2005年整個時期的徑流量演變過程也可以分為兩個階段,基準期1956—1967年和變化期1968—2005年.從圖3還可以看出,撓力河流域兩個階段的徑流量與降雨量的累積曲線都是向右偏轉的,說明兩個階段年徑流量都是減少的,但變化期累積曲線向右偏轉的程度要大于基準期的偏轉程度,說明變化期相對于基準期來說,徑流的減少趨勢更為明顯.從年均徑流量的平均值也驗證了這一點,寶清站兩個時期的年平均徑流總量分別是7.9×108m3和4.0×108m3,減少了49.4%;菜嘴子站兩個時期的年平均徑流總量分別是27.30×108m3和12.4×108m3,減少了54.6%.兩個階段的年徑流變差系數(shù)也有不同程度的增加,寶清站增加了5.8%,菜嘴子站增加了29.7%,說明年徑流的年際變化劇烈程度在增加,這將更不利于水資源的利用,而且洪澇災害將更易發(fā)生,詳細統(tǒng)計特征見表1.3.2年際變化期徑流特征變化期內(nèi)撓力河水文情勢的年內(nèi)分配情況也發(fā)生了較大變化,如圖4.相比于基準期兩個水文站1968—2005年階段的徑流量都有明顯的減少,寶清站的最大減少量為51.9m3·s-1,菜嘴子站的最大減少量為127.1m3·s-1,如圖4.在基準期(1956—1967年)寶清站的年內(nèi)徑流量分別在春季的5月份和夏季的8月份有兩個峰值,在變化期(1967—2005年)只在8月份出現(xiàn)了一個明顯的峰值.在基準期(1956—1967年)菜嘴子站的年內(nèi)徑流量分別在春季的5月份和夏季的10月份出現(xiàn)了兩個峰值,而且在降雨量最大的8月徑流量反而很低.這得益于分布于寶清站與菜嘴子站之間的大面積濕地的巨大蓄水功能,沼澤土壤的草根層和泥炭層具有巨大的持水與蓄水能力,有“生物蓄水庫”之稱,而隨著濕地不斷的被開墾為農(nóng)田,變化期內(nèi)的徑流量年內(nèi)分配發(fā)生了變化,主要表現(xiàn)在:徑流量分別在5月份和9月份出現(xiàn)了一個峰值,夏季的徑流量峰值出現(xiàn)時間比基準期的峰值出現(xiàn)時間提前了一個月;徑流量的最低值出現(xiàn)在7月,也比基準期內(nèi)的最低值出現(xiàn)時間提前了一個月.3.3年平均降雨為估算氣候變化對年均徑流量的影響,根據(jù)公式(5)對寶清站和菜嘴子站基準期的徑流-降雨的經(jīng)驗關系進行參數(shù)估算,寶清站的逐月降雨方差是通過寶清氣象站的逐日降雨數(shù)據(jù)計算得到,菜嘴子站采用的逐月降雨方差是寶清氣象站、友誼縣氣象站、富錦市氣象站和饒河縣氣象站逐月降雨方差的平均值,年平均降雨量也是該四站的年平均降雨量的平均值.通過上述方法建立的經(jīng)驗模型基本能反映徑流-降雨之間的關系,相對于菜嘴子站,寶清站的經(jīng)驗模型更好的表達了徑流-降雨間的經(jīng)驗關系,擬合度R2達0.89.利用建立的經(jīng)驗模型定量估算了變化期(1968—2005)的徑流量變化的驅動力大小,計算結果如表2.寶清站基準期內(nèi)年均徑流量的平均值為25.1m3/s,變化期較基準期減少了14.5m3/s,其中由氣候變化引起的年均徑流量變化占40.5%,人類活動引起的占59.5%;菜嘴子站基準期內(nèi)年均徑流量的平均值為87.9m3/s,變化期較基準期減少了48.5m3/s,其中由氣候變化引起的年均徑流量變化減少量為17.5m3/s,占總減少量的36.1%,人類活動引起年均徑流量減少量占總減少量的63.9%.總體來看,撓力河流域兩個水文站的徑流量減少主要是由人類活動引起的,中游的菜嘴子站受人類活動的影響更大一些.4徑流變差系數(shù)(1)撓力河流域寶清站和菜嘴子站1956-2005年的年平均徑流量序列數(shù)據(jù)可分為兩個階段,分別為是基準期1956-1967年和變化期1968-2005年.撓力河流域年平均徑流量的變化期與基準期相比,年平均徑流量的年際變化和年內(nèi)分配都發(fā)生了較大變化,主要體現(xiàn)在年平均徑流量減少顯著,兩個站的年平均徑流量減少量都在50%左右,徑流變差系數(shù)也有不同程度的增長,其中菜嘴子站增長了近30%;年內(nèi)分配變化主要體現(xiàn)在徑流峰值上,菜嘴子的夏季徑流峰值和最低值都較基準期提前了一個月的時間.(2)利用建立的徑流-降雨經(jīng)驗模型對變化期的年均徑流量研究發(fā)現(xiàn),40%的徑流減少量是由氣候變化引起的,徑流量的減少主要還是由人類活動引起的,中游的菜嘴子站受人類活動的影響更大一些.近50年來人類活動是撓力河流域下墊面變化的主要驅動力.建國以來,撓力河流域農(nóng)業(yè)開發(fā)活動非常活躍,已經(jīng)過4次