黃土高原丘陵溝壑區(qū)小流域次降雨徑流系數(shù)的影響因素研究

賴春羊

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電學(xué)院,四川 雅安 625014)

徑流系數(shù)是指某時(shí)段內(nèi)流域徑流量(R)與同期降水量(P)的比值,公式為a=R/P[1,2]。國(guó)內(nèi)外研究表明,徑流系數(shù)的影響因素較多,主要分為流域特征和降雨特征兩大因素。流域特征中,地形因素有著重要的影響。田永宏等通過(guò)黃土高原丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)的實(shí)測(cè)資料分析指出流域的徑流系數(shù)與溝道比降有顯著關(guān)系[3]。王浩等通過(guò)對(duì)黃土高原的實(shí)測(cè)資料分析,也得出相同的結(jié)論[4]。植被通過(guò)葉面及凋落物截流等過(guò)程,也會(huì)影響坡面產(chǎn)流,從而影響到流域徑流系數(shù)。Kan等研究了裸土及不同植被覆蓋和耕作方式下各種坡度、坡長(zhǎng)上的降雨徑流關(guān)系[5],李廣等通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出植被覆蓋度顯著影響徑流系數(shù)[6]。張洪江等利用灰色理論對(duì)重慶縉云山不同植被類型的草本層蓋度、枯落物厚度、灌木層蓋度和郁閉度等影響地表徑流的因素進(jìn)行了灰關(guān)聯(lián)分析,結(jié)果表明不同植物覆蓋對(duì)徑流影響顯著[7]。區(qū)域的下墊面會(huì)影響到降水的下滲情況,也是影響徑流系數(shù)的重要因素[3,8]

降雨特征中,氣候因子對(duì)產(chǎn)流影響顯著,鄧珺麗等利用太子河流域6個(gè)主要支流(海城河、南沙河、北沙河、蘭河、細(xì)河、太子河南支)年日均降水和徑流資料,分析了各支流徑流系數(shù)的變化趨勢(shì)及其與降水的關(guān)系,結(jié)果指出該流域年降水量對(duì)年徑流系數(shù)的影響極顯著[9]。郭華等研究鄱陽(yáng)湖流域近50年的徑流系數(shù),發(fā)現(xiàn)徑流系數(shù)上升呈突變性和階段性,且與降水量、氣溫和蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)及突變點(diǎn)吻合度較好,從而得出氣候變化是影響徑流系數(shù)的主要因素[1]。國(guó)內(nèi)外對(duì)氣候因子的影響研究較多,且得出的結(jié)論較為一致,氣候因子對(duì)徑流系數(shù)影響顯著[2,6,8,10,11]。此外,影響徑流系數(shù)的因素還有不同的耕作方式[5,12]、人類活動(dòng)[3,9]等。

因此,有學(xué)者認(rèn)為徑流系數(shù)綜合反映了流域內(nèi)自然地理因素對(duì)產(chǎn)流過(guò)程的影響,故可以很好地說(shuō)明流域內(nèi)水循環(huán)的程度,較好地監(jiān)測(cè)水循環(huán)隨時(shí)間的變化,在一定程度上也可以反映人類活動(dòng)影響的情況[1]。LGottschalk等認(rèn)為應(yīng)該把徑流系數(shù)看作一個(gè)隨機(jī)變量,它的分布函數(shù)是對(duì)該流域氣候物理機(jī)制的一種反映[13]。研究還表明,通過(guò)實(shí)測(cè)資料分析后,降雨徑流系數(shù)可以用于預(yù)測(cè)流域產(chǎn)流產(chǎn)沙狀況[3,14,15]。因此,研究徑流系數(shù)的影響因素并建立計(jì)算模型,對(duì)黃土高原流域的水土保持工作、區(qū)域水資源、水循環(huán)以及洪澇災(zāi)害的分析有著重要的意義[4,9]。

綜上,對(duì)于區(qū)域徑流系數(shù)的研究的影響因素較為一致,本文擬從流域特征和降雨特征因素中,選取合適的因子,通過(guò)實(shí)測(cè)資料對(duì)黃土高原丘陵溝壑區(qū)小流域次降雨徑流系數(shù)的影響因素進(jìn)行分析,并通過(guò)回歸分析方法建立計(jì)算模型。

1 研究區(qū)域概況

黃土高原面積約62.68×104km2,屬于典型的大陸性季風(fēng)氣候,冬季寒冷,夏季溫暖潮濕,雨熱同步,年均氣溫3.6～14.3℃,年降水量150～750mm,降水集中在7～9月且降水強(qiáng)度大,水土流失面積43×104km2、水土流失嚴(yán)重的面積為28×104km2、特別嚴(yán)重面積為10×104km2,水土流失十分嚴(yán)重[16]。并且,黃土高原植被覆蓋類型豐富,全區(qū)由東南向西北可劃分為相當(dāng)于“亞地帶級(jí)”的五個(gè)植被地帶,即森林植被地帶、森林草原植被地帶、典型草原植被地帶、荒漠草原植被地帶和草原化荒漠地帶[16]。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期開發(fā)利用全區(qū)平均森林覆蓋率僅為7%,由于缺乏植被保護(hù),加之不合理的土地利用,該區(qū)水土流失非常嚴(yán)重[17]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

降雨徑流資料從山西省、陜西省、甘肅省及黃河水利委員會(huì)水土保持實(shí)驗(yàn)站公開出版的徑流實(shí)測(cè)資料中獲取,共收集1954-1976年黃土高原丘陵溝壑區(qū)第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ副區(qū)23個(gè)小流域814場(chǎng)次降雨徑流資料,以及各小流域植被覆蓋率、流域面積、主溝長(zhǎng)度、溝道比降等資料。各分區(qū)小流域特征見表1。

表1 研究區(qū)域小流域特性表

2.2 試驗(yàn)方法

對(duì)收集到的814次降雨徑流資料及小流域相關(guān)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。首先把徑流系數(shù)和降雨、地形及植被蓋度等因子進(jìn)行相關(guān)性分析,初步確定徑流系數(shù)影響因子；然后通過(guò)SPSS軟件進(jìn)行回歸分析,建立回歸模型。

3 結(jié)果分析

3.1 各因子與徑流系數(shù)相關(guān)性分析

用SPSS軟件分析黃土高原丘陵溝壑區(qū)第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ副區(qū)內(nèi)各影響因子與徑流系數(shù)的相關(guān)性,結(jié)果如表2所示。

表2 各區(qū)徑流系數(shù)與影響因子的相關(guān)性

注：**表示P<0.01(極顯著相關(guān)),*表示P<0.05(顯著相關(guān))。Note：**meansP<0.01(verysignificantcorrelation),*meansP<0.05(significantcorrelation)．

影響徑流系數(shù)的影響因素較多,按照前人的研究,大致分為流域特征因素與降雨特征因素。相關(guān)性分析結(jié)果顯示,對(duì)于丘陵溝壑區(qū)各分區(qū)而言,徑流系數(shù)與各因子的相關(guān)性相差較大,丘陵溝壑區(qū)總體上與流域的地形、降雨等因素保持著良好的相關(guān)性,特別是與降雨量、雨強(qiáng)、植被覆蓋率相關(guān)性極顯著。從各分區(qū)來(lái)看,徑流系數(shù)的與降雨特征因素的相關(guān)性密切,特別是與雨強(qiáng)的相關(guān)系數(shù)可高達(dá)0.574,這一結(jié)果與郭華等[1]對(duì)鄱陽(yáng)湖流域近50年的徑流系數(shù)影響因素的研究發(fā)現(xiàn)氣候因子仍是影響徑流系數(shù)最主要的因素的結(jié)論一致。

對(duì)于各個(gè)分區(qū)而言,第Ⅱ副區(qū)的徑流系數(shù)與各參數(shù)均呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性,雨強(qiáng)對(duì)徑流系數(shù)的影響在各個(gè)分區(qū)(第Ⅲ副區(qū)除外)相關(guān)性均可達(dá)到極顯著,在第Ⅲ副區(qū)沒(méi)有呈現(xiàn)良好的相關(guān)性,分析其原因,可能因?yàn)榈冖蟾眳^(qū)為梁狀丘陵區(qū),具有山高、坡陡、溝壑縱橫的地貌特點(diǎn),因此,各種降雨強(qiáng)度下產(chǎn)流速度都較快,地形對(duì)產(chǎn)匯流過(guò)程的影響顯著,從而弱化了雨強(qiáng)因素的影響。

流域形狀系數(shù)(主溝道長(zhǎng)度平方與主溝道比降的比值)與徑流系數(shù)在第Ⅱ、Ⅲ副區(qū)顯示出較好的相關(guān)性,而在第Ⅰ、Ⅴ副區(qū)相關(guān)性較差,從一方面反映出各區(qū)域地形對(duì)徑流系數(shù)的影響大小不同,同時(shí)也反映出流域產(chǎn)流的復(fù)雜性。流域形狀系數(shù)及溝道比降都是反映流域地形狀況的參數(shù),考慮到指標(biāo)獲取難易程度,以及二者與徑流系數(shù)的相關(guān)程度,故在回歸分析時(shí)選擇溝道比降作為流域地形指標(biāo)。

3.2 黃土高原丘陵溝壑區(qū)徑流系數(shù)預(yù)報(bào)模型

利用SPSS軟件對(duì)814場(chǎng)降雨資料建立回歸模型,結(jié)果如下表3。

表3 各區(qū)徑流系數(shù)回歸結(jié)果

注：a為徑流系數(shù)；J為溝道比降,%；P為降雨量,mm；I為雨強(qiáng),mm/h；fg為植被覆蓋率,%。Note:aisrunoffcoefficient;Jisslopeofthechannel,%;Pisprecipitationvolume,mm;Iisrainfallintensity,mm/h;isvegetationcoverage,%．

將各區(qū)原數(shù)據(jù)帶入模型中,求出模擬值,用模擬值與實(shí)際值繪制散點(diǎn)圖,見圖1。第Ⅰ副區(qū)與第Ⅱ副區(qū)擬合效果良好,數(shù)據(jù)基本均勻分布在1∶1線左右。對(duì)于第Ⅲ副區(qū)和第Ⅴ副區(qū)來(lái)說(shuō)當(dāng)徑流系數(shù)較小時(shí),模型擬合效果較好,數(shù)據(jù)分布均勻,當(dāng)徑流系數(shù)較大時(shí),模擬值偏小。

圖1 徑流系數(shù)實(shí)際值與模擬值比較

4 結(jié)論

影響黃土高原地區(qū)降雨徑流系數(shù)的因素較為復(fù)雜,基本可分為氣候因素和地形地質(zhì)因素,通過(guò)對(duì)前人論文的研究,本文所分析的流域形狀系數(shù)、溝道比降、降雨量、雨強(qiáng)、植被覆蓋率5大因素在整體上與徑流系數(shù)有著較好的相關(guān)性,研究發(fā)現(xiàn),氣候因素仍是主要影響區(qū)域降雨徑流系數(shù)的主要因素。

由溝道比降、降雨量、雨強(qiáng)、植被覆蓋4個(gè)因素可以對(duì)黃土高原各區(qū)構(gòu)建徑流系數(shù)的回歸模型,模型顯示,黃土高原各小流域降雨徑流系數(shù)隨溝道比降、降雨量、雨強(qiáng)增大而增大,隨植被覆蓋率的增大而減小。