太子河流域徑流量變化驅動因子分析

李錦鵬

(本溪滿族自治縣水務和移民事務服務中心，遼寧 本溪 117100)

1 研究背景

經濟社會的發展與全球氣候的變化促使太子河流域植被覆蓋類型與覆蓋面積發生了較大改變，生態環境的變化導致流域干旱災害的發生更加頻繁，流域內水環境污染及資源型缺水問題更加突出，已成為制約當地經濟發展與人們生活質量提升的瓶頸。土地利用/覆蓋變化作為國內外水文研究機構研究的熱點領域之一[1-2]，許多學者在徑流變化特征方面做了大量研究，如Poly Akov等[3]以夏威夷Kauai島為例，研究分析了在不同時空高差下熱帶流域的徑流變化特征，并取得了理想的模擬效果；Chalor等[4]利用Ann AGNPS模型模擬分析了小農業流域的泥沙與徑流狀況，在不同尺度徑流量上模型呈現出較好的模擬效果。水資源與土地利用被國際農業研究組織認為是土地利用與水關系研究的核心內容，在水文領域信息遙感與GIS技術的研究應用得到了迅速發展，空間單元格可借助GIS技術進行劃分，而水文模型需要的背景資料可通過信息遙感技術的土地利用類型圖與DEM數據獲取。

因此，為更好地反映不同土地利用類型、坡度、堤型等因子對流域徑流的變化影響，水文模型的構建可引入信息遙感系統與GIS技術，通過相關性分析為水利工程規劃提供一定的決策依據。

2 太子河流域土地利用類型及子流域降水變化

2.1 流域概況

太子河流域位于東經122°26′～124°53′、北緯40°29′～41°39′，主要有細河、沙河、湯河、蘭河等支流[5]，流經丹東、鞍山、遼陽、撫順、鞍山等地，流經區域地形地貌結構類型多樣且錯綜復雜，地勢構造層次由東向西逐漸降低并以低山丘陵和平原區為主。流域位于溫帶大季風氣候區，年降水量為480～950mm且主要集中在6—9月，氣候特征為冬季寒冷漫長、夏季炎熱多雨。流域上游離黃海較近其降雨量較大，汛期內澇災害嚴重，年蒸發量由東南向西北依次增大，溫度在5～9℃范圍，濕度在70%左右。

太子河流域上游是以落葉闊葉林為主的山地森林富水區，植被所占面積為50%以上，屬于多水區；太子河中游與下游區域分別為低山丘陵與平原區，降水量較少且人口較為密集。近年來，流域土地利用類型受人為活動與氣候變化的影響程度不斷增大，流域輸水量逐年降低，下游河道經常出現斷流現象，水環境質量呈現出逐年惡化的發展趨勢。觀音閣水庫是一座以防洪排澇、保證工業與城市用水為主，兼顧一定的旅游觀光、養魚發電為主的重點水利工程，水庫控制面積2.795km2，總庫容為21.68億m3，設計與校核洪水位為千年和萬年一遇。近年來，觀音閣水庫庫區經濟社會得到了迅猛發展，各行業與農業灌溉對水資源需求急劇增大，進一步加劇了水資源與經濟發展之間的矛盾[6-9]。所以，深入分析降水徑流變化特征對于促進生態環境保護、水資源可持續開發利用以及供需平衡分析具有重要意義，并且可為國民經濟發展受極端水文氣象與氣候變暖的不利影響分析提供參考依據。

表1 太子河流域土地利用類型與原代碼

2.2 土地利用類型

根據太子河流域土地利用特點和土地現狀分類中的等級劃分標準，按照表1將太子河流域土地利用情況進行不同類型的劃分，利用分類Ⅱ的土地利用類型分析觀音閣水庫控制的子流域徑流量變化驅動因子。

然后根據土地利用類型情況和原代碼劃分方法，對不同時間段土地狀況進行識別并作為徑流量變化參數指標評價的基礎。

2.3 子流域降水徑流及變化趨勢

大氣降水作為水資源補給的主要來源，對水資源管理和開發利用規劃的影響顯著，氣象要素隨著溫度的持續性變暖而越來越重要，其中徑流與降水要素對當地農業發展與經濟建設的影響顯著。子流域徑流與降水量變化趨勢由于土地利用情況及地形的變化可能發生一定的改變，在1995—2016年觀音閣水庫控制的子流域徑流量、降水量變化趨勢與過程如圖1所示。總體而言，在研究期間子流域降水表現出逐漸減少趨勢，特別是在2015年以后下降幅度較為明顯。這與太子河流域所屬氣候條件相關，該流域屬于溫帶大季風氣候區，年降水量受地形特征、人類活動和季風氣候影響，從而導致不同年度上的降水量分配不均衡。

圖1 1970—2016年觀音閣水庫控制的子流域降水、徑流量變化趨勢

3 子流域水文干旱影響因子識別結果

3.1 研究方法

為了更加科學、準確地分析徑流量變化受驅動因子的影響作用，本文對子流域徑流變化過程引入普遍而實用的多元線性回歸模型進行分析，該模型是通過尋求對因變量具有顯著線性相關的參數構造“最優”方程的研究方法[10]，其基本步驟如下。

步驟一：定義回歸方程的因變量和自變量。根據表1各土地利用類型定義自變量為X，因變量為Y，其中降水量及其他各土地類型分別為X1～X7，為使得各變量具有相同的數量級，降水量單位為10mm，其他變量的單位為該土地利用類型占子流域總面積的百分率[11]。因此，可利用下式反映變量Xi～Y的線性關系，即：

Y=β0+β1X1+β2X2+…+β7X7+ε

(1)

式中，βi—為未知參數且ε～N(0，σ2)。

假定X1～X7，Y的隨機觀測值為Xij，則上述回歸方程可表述為如下形式，即：

Yj=β0+β1X1j+β2X2j+…+β7X7j+εj

(2)

將轉換后的回歸方程利用矩陣的形式進行計算，可描述為如下形式：

Y=Xβ+ε

(3)

式中，X，Y—n×(7+1)階設計矩陣和響應變量構成的n維向量；β，ε—分別為8維向量與n維誤差向量。

構建模型后可通過最小二乘函數估計不同的變量βi，通過轉換計算可得到最終的經驗回歸方程如下：

(4)

殘差向量為：

(5)

通常情況下，

(6)

var(β)=σ2(XTX)-1

(7)

(8)

式中，cii—為矩陣對角線的第i個元素。

E(Y)值隨著X1～X7參數量的變化無法對其線性特征利用圖形進行判斷，因此有必要檢驗其回歸系數的顯著性。本研究對自變量Xi與因變量Y的回歸模型利用R統計軟件進行求解，然后采用逐步回歸法的計算程度和最優方程建立基本原則確定最佳方程。實踐表明，Step函數為逐步回歸計算應用較為普遍且有效的方法，該函數是對AIC信息統計量按照一定的準則實現變量刪除與增加的方法。回歸方程由最小AIC值所對應的變量構成時即為尋找的最優方程，此時所對應的因變量即為影響徑流量變化的關鍵性因子，并且因子相關程度可根據相關系數的大小反映。

3.2 結果分析

對流域月平均徑流量、月平均降水量以及不同土地利用類型之間的關系利用多元線性回歸模型進行最優的計算分析，觀音閣水庫控制的子流域徑流變化驅動因子對應的系數βi以及多元線性回歸方程計算結果見表2，其中“***、**、*、NA”分別代表通過100%、99.9%、99%的顯著性檢驗和不存在現象關系。

根據回歸方程系數矩陣可建立子流域多元線性方程如下：

上游：Y=2.5X1+0.6X2+7.2X3+4.0X4+6.1X5-42.8

(9)

中游：Y=1.7X1+1.5X3+0.3X4-12.5

(10)

下游：Y=1.0X1+0.6X2+0.3X4-10.6

(11)

根據上述回歸方程計算結果可以看出，各驅動因子對不同區域的徑流量影響程度存在一定差異，在觀音閣水庫控制的子流域上游區域影響因素較為復雜，其中土地利用類型變化的影響對徑流量變化最為顯著；在中游與下游區域的驅動因子均為3項，其中草地與林地的相對覆蓋面積對土地利用類型的影響最為顯著，林地的影響范圍廣而草地的影響程度大，相對于上游區域降水與徑流的線性程度有所下降；水域面積為影響下游流域徑流的關鍵參數，造成下游徑流量減少的因素主要有水域面積和降水量的減少。

4 結論

本文以觀音閣水庫控制的子流域為例，對流域的上、中、下游區域的徑流變化特征利用多元線性回歸模型進行分析，揭示了土地利用與降水量變化對徑流量變化的驅動特征，得出的主要結論如下。

表2 觀音閣水庫控制的子流域多元線性歸回方程系數矩陣

(1)對觀音閣水庫控制的子流域徑流量及其驅動因子利用回歸模型進行計算分析，在分析流域徑流變化與不同植被覆蓋類型的關系時模型具有較高的置信水平和較好的實用性，模型輸出結果顯示建設用地與未利用土地之間不存在線性相關性，因此二者可能存在其他的函數關系。

(2)由于土壤類型、坡度以及地形等環境條件的差異使得不同區域的徑流、降水變化對土地利用情況變化的敏感性不同，子流域上游區域植被類型多且地形坡度大，因此該區域主要受林地、草地、水域面積以及耕地等因素的影響；而下游區域耕地面積占比和人口密度較大，因此影響徑流量變化的主要因素為耕地。應綜合考慮人口規模、地形特征、土地利用類型等因素，科學合理的確定水利工程建設規劃方案。