河流徑流演變影響度分析

劉曉哲

( 遼寧河庫管服務中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

河流徑流演變主要受到自然因素和人類活動的影響，其中自然因素主要為降水因子，降水是河流徑流主要補給來源，是水文循環的重要組成部分。而人類活動則包括下墊面如土地利用變化和涉水活動如水利工程的建設，以上要素均對河流的徑流產生直接影響[1]。當前，河流徑流演變規律的分析已有研究，其中其徑流演變影響因素的定量探討取得不少研究成果[2- 9]，但這些成果大都從兩個要素進行徑流演變影響度的定量分解，這兩要素一般為降水和人類活動。有研究結果表明涉水活動和下墊面對河流徑流演變的影響度不同，下墊面主要影響流域的產匯流，從而影響進入河道的徑流量。而涉水活動則是通過調節河道內的徑流量從而對河流徑流產生直接影響，涉水活動和下墊面對徑流影響過程均不相同，因此在探討人類活動對河流徑流演變影響度時需要將涉水活動和下墊面進行定量分解探討[10]。張建云[11]首次在國內提出三要素定量分離方法，并在一些流域徑流演變影響度中進行了應用[12- 15]，結果表明該方法符合區域徑流演變的規律。但三要素定量分離方法在遼寧地區應用還較少，為此本文結合該方法，以遼寧省的渾河、太子河、大凌河為實例，探討三要素定量分離對各河徑流演變影響度的適用性。結果對于河流水資源開發利用提供參考。

1 研究方法

將自然要素和人類活動分解為降水、涉水活動以及下墊面變化，該方法計算步驟為:①按照實測徑流的演變特征和流域內涉水活動以及下墊面變化的實際情況，將徑流序列劃分為天然和人類活動影響兩個階段，天然影響階段為基準期，將基準期徑流實測均值和人類活動影響階段的徑流實測均值相減得到徑流變化的總量；②采用基準期的實測水文、氣象數據對水文模型進行參數的率定，模型參數對天然條件下的流域產匯流特征進行表征；③將率定好的水文模型，以人類活動影響期的降雨數據作為輸入，模型輸出結果為人類活動影響階段的徑流量估算值；④將基準期徑流和估算的人類活動影響徑流量相減得到氣候變化影響下的徑流變化量，將氣候變化影響的徑流估算量和徑流變化總量相除得到氣候變化影響度，人類活動影響徑流量和徑流變化總量的比值為人類活動影響貢獻度。以渾河為例，對其計算步驟進行分解，分解過程如圖1所示。

在圖中各要素的分解計算方程分別為：

ΔWC=WHN-WB

(1)

ΔWH=WHR-WHN

(2)

ΔWS=ΔWH-ΔWE

(3)

ΔWT=WHR-WB

(4)

式中，ΔWT—徑流變化總量，mm；ΔWH—人類活動影響量，mm；ΔWC—氣候變化影響量，mm；WB—基準期實測徑流平均值，mm；WHR—人類活動影響期實測徑流量，mm；WHN—人類活動影響期計算天然徑流量，mm；ΔWS—下墊面影響量，mm；ΔWE—涉水活動影響量，mm。

圖1 徑流演變影響三要素分類方法

2 成果與討論

2.1 河流概況

渾河流域面積28260km2，河流長度495km，河流平均比降0.420‰，多年平均年降水量742.3mm，多年平均年徑流深220.9mm，多年平均年蒸發量677～822mm，流域平均寬度為46.9km，河道彎曲系數為1.7，河流形狀系數為0.09，河網密度為0.3。流域面積10km2以上一級支流54條，二級支流173條，三級支流222條，四級支流118條，五級支流14條。太子河屬于渾河支流，其流域面積13493km2，河流長度363km，河流平均比降0.740‰，多年平均年降水量767.5mm，多年平均年徑流深253.4mm，流域平均寬度為37.2km，河道彎曲系數為1.7，河流形狀系數為0.10，河網密度為0.4。流域面積10km2以上一級支流60條，二級支流177條，三級支流106條；四級支流14條。大凌河流域面積23235km2，河流長度453km，其中遼寧省境內19989km2。河道平均比降為0.81‰，多年平均年降水量487.2mm，多年平均年徑流深76.6mm。流域平均寬度為51.3km、河道彎曲系數2.5、形狀系數0.11。流域內10km2以上的一級支流112條，二級支流206條，三級支流172條，四級支流32條，五級支流4條。

2.2 資料概況

按照觀測資料的序列長度以及徑流變化顯著為原則，分別選取渾河的邢家窩棚站、大凌河的凌海站以及太子河的唐馬寨作為研究站點，各站點的資料情況見表1，并對不同站點年代季的徑流進行了統計分析。

從表1可看出，渾河、太子河、大凌河的各站點不同年代徑流量都出現較為明顯的變化，渾河邢家窩棚站相比于20世紀70年代徑流量均有所遞減，且遞減幅度總體呈現上升變化。大凌河的凌海站相比于20世紀70年代徑流量也呈現明顯的遞減變化，且從2000年以后遞減比例達到83.68%。從太子河唐馬寨站不同年代徑流變化可看出，相比于20世紀70年代其和渾河邢家窩棚站的年徑流遞減比例較為接近，這是因為太子河作為渾河的重要支流，其徑流變化的影響因素也較為相似，因此其徑流變化的遞減幅度也相對較為接近。

表1 選取的典型水文站資料情況

2.3 定量分離結果

基于渾河、太子河以及大凌河各站點實測徑流數據，結合前述徑流演變影響因素定量分解方法，對各河流徑流影響因素進行降水、涉水活動以及下墊面的影響度定量分離，結果見表2—4，并統計分析了各河流1980—2017年徑流演變各因素的影響度，結果見表5。

從大凌河凌海站實測徑流可看出，其豐枯變化較為明顯，降水在豐水期對徑流影響程度較低，而在枯水期對徑流影響程度較高，1980—1989年以及2000—2010年兩個枯水期降水影響的徑流遞減量分別為23.4mm和20.2mm。從20世紀80年代開始涉水活動對大凌河凌海站的徑流影響度逐步提升，1980—2017年代徑流的遞減幅度較高于10mm，水利工程的修建使得徑流量減少的程度有所增加。從20世紀80年代到90年代下墊面變化對徑流的影響程度逐步減小，從20世紀80年代開始人類活動影響下大凌河凌海站以上流域的植被覆蓋度減小，降低植被的保水效應。而從2000年以后隨著流域內植被覆蓋的增加，降水徑流對地下水的補給量加大，隨著后續匯入河道后增加了河道內的徑流量。

表2 渾河徑流影響量影響因素分解

表3 太子河徑流影響量影響因素分解

表4 大凌河徑流影響量影響因素分解

表5 各流域徑流影響量因素分解匯總

從渾河邢家窩棚站的徑流影響定量分解情況可看出，20世紀80年代和2000年后渾河邢家窩棚站的徑流有所減少，而20世紀90年代徑流有一定程度的遞增變化，這主要是因為20世紀90年代幾個大水年份使得徑流量的均值有所增加。20世紀80、90年代以及2000年后降水對徑流量的影響度先增后減，2000年后期影響度變為負值。涉水活動對渾河徑流影響總體為遞減效應，從20世紀80年代開始，對徑流遞減的影響度逐步提高。下墊面變化對渾河邢家窩棚站的徑流影響總體為增加效應，這主要是因為流域內的城鎮化水平的提高，使得徑流系數相應增加，從而增加了河流徑流量。

從太子河唐馬寨站受涉水活動影響看，徑流總體呈現遞減變化，這與太子河流域內觀音閣、葠窩、湯河水庫的修建有直接關聯，受到流域內城鎮用地變化，太子河唐馬寨站受下墊面變化影響徑流增加較為明顯。從各流域徑流影響度的匯總情況可看出，下涉水活動和下墊面是渾河徑流演變主導因子，貢獻比重較為接近，三個要素的影響度分別為51.9%、45.8%、2.3%，涉水活動是太子河徑流演變的主導因子，三個要素的徑流演變影響度分別為61.1%、29.8%、9.1%。大凌河的三個要素貢獻比重相差較小，對徑流演變貢獻相對均衡，對大凌河徑流演變影響度分別為42.7%、24.1%、33.2%。

2.4 回歸方程的建立

以渾河、太子河、大凌河基準期之后為分析時段，以降水量、涉水活動、下墊面三個要素建立其與各要素影響下徑流量的回歸方程，結合回歸方程實現未來變化情景組合模式下的徑流演變分析。各要素的回歸方程見表6—8。

表6 大凌河徑流不同影響因素的回歸方程

表7 渾河徑流不同影響因素的回歸方程

表8 太子河徑流不同影響因素的回歸方程

從前面三個影響因素下渾河、太子河、大凌河的徑流演變分析結果可知，徑流量受降水影響較為直接，因此各河流中降水和降水影響徑流量回歸方程的決定系數均最高，高于0.8，屬于高度相關。在涉水活動影響下的徑流量和涉水活動的相關方程總體決定系數要低于降水量的相關方程，其中渾河和大凌河的決定系數較高，可通過顯著性檢驗，而太子河的決定系數相對較低。各河流受下墊面影響徑流量和下墊面回歸方程的決定性系數較低，這主要是因為土地利用數據相對較少，本文主要收集到了1956、1980、2000、2011年四個年份土地利用調查數據，而其他年份各土地利用類型主要通過插值方法計算得到，而雖然土地利用數據變化相對較小，且基本呈現連續波動變化，因此總體回歸方程的決定系數較低。

3 結論

(1)在水文站天然徑流計算時，建議采用站點上一年的降水量作為參數對其降雨—天然徑流量之間的關系進行驗證或修正，以保證站點天然徑流計算精度。

(2)通過構建不同要素影響下的徑流量與各影響因素的相關方程，可以對未來變化情景方式下的徑流演變進行預測，從而為涉水活動或下墊面變化對徑流影響進行評估，考慮土地利用數據收集較為困難，其連續波動變化小，建議部分年份土地利用變化率可通過插值分析得到。

本文未考慮氣溫變化對區域徑流的影響，在以后的研究中還可加入氣溫對北方融雪徑流的影響。