三江平原挠力河上游流域水文过程影响因素分析

三江平原挠力河上游流域水文过程影响因素分析

1气候因素对流域水文过程的影响随着水资源匮乏和污染日益严重，气候和土地利用变化对水文和水资源的影响已成为水文学研究的重要领域。流域水文过程是全球气候变化及地表响应综合作用的整体。气候变化是导致水文过程变化的重要原因,国内外在不同气候类型区开展了气候变化的水文效应研究,说明降雨是影响径流变化最主要的气候因素。土地利用/覆被变化作为人类活动的主要表征形式,同样是影响水文过程的重要因素,相关研究在不同尺度上探讨了土地利用变化对水文过程的影响。在气候变化及人类活动的驱动下,流域径流发生相应的变化,必然给水资源管理、农业,以及水生生态系统带来一系列的影响。虽然气候与土地覆被变化的影响对径流的形成是最关键的,但是,哪种因素在径流形成过程中的作用更大难以说清,因此,定量区分气候和土地覆被变化的水文效应对流域水资源管理更具实用价值。挠力河流域是三江平原沼泽湿地分布集中、面积最大、景观类型最丰富的地区。1956年以来,该地区经历了三次大规模农业开垦,这种大规模土地开垦导致自然湿地和森林快速转化为农业用地,减弱了该区的蓄水、调洪功能。系统评价长时间序列的人类活动导致的土地利用方式改变协同气候变化对流域水资源、水循环的影响程度,可以为挠力河流域土地利用科学管理、水资源的可持续利用提供依据。2流域地形及地貌挠力河为乌苏里江的一级支流,发源于完达山山脉那丹哈达拉岭、黑龙江省七台河市与密山市之间的对头砬子,流经七台河市、宝清县、富锦市和饶河县,在东安镇入乌苏里江,全长596km。挠力河流域位于黑龙江省东部地区的三江平原腹地,地理坐标为131°31′E～134°10′E,45°43′N～47°35′N。流域气候属中温带湿润半湿润大陆性季风气候,7-9月为雨季,年平均气温为3.5℃,全区多年平均降水量为553.3mm。流域土壤类型属于沼泽土和草甸土之间的过渡型土壤。挠力河流域总面积为24863km2。流域内地势南高北低,西南及东南部较高,中部较低,山地丘岭区面积为9517km2,平原区面积为15346km2。其中,宝清水文站以上区域为流域的上游部分,面积3605km2,占山地丘陵区的38%,这部分是整个挠力河流域主要的径流形成区,是本文的研究区域。2.1评价方法和数据来源研究区土地利用/覆被相关数据集的时间跨度为1954-2005年,共分为6个时间段,1954年、1976年、1986年、1995年、2000年和2005年。1954年以1∶100000地形图作为数据源,1976年采用LandsatMSS影像,1986年、1995年和2000年采用LandsatTM卫星遥感影像,2005年的数据为中巴资源卫星遥感数据。它们均以近红外、红光与绿光波段的标准假彩色合成。1954年土地利用/覆被数据的提取,以1954年的全要素1∶100000地形图作为数据源,利用地形图直接判读的方法,进行土地利用数据矢量化获取。1976-2005年土地利用/覆被数据提取方法参考“东北地区土地利用/覆被时空特征分析”,通过人工目视解译得到。根据研究区的特点和分析精度要求,将研究区土地利用类型进行归并处理,共分为7种类型:耕地、林地、草地、水域、城乡工矿用地、未利用地和湿地。其中,湿地为天然沼泽湿地,不包括人工湿地;耕地包括旱地和水田。在应用地形图和遥感影像提取土地利用信息过程中,应用各种来源的与土地利用相关的图件数据(如不同时期的地形图、三江平原植被图、沼泽分布图、中低产田分布图等)作为辅助参考数据,以提高解译精度。1976年数据解译结果以部分县市与农场的土地利用详查图进行辅助解译与验证。1986年、1995年、2000年的三江平原土地利用/覆被矢量数据,由中国科学院资源环境科学数据中心沼泽湿地与东北数据分中心提供,为中国土地利用/覆被数据集(NLCD)的一部分,并已得到广泛验证和应用。2005年遥感数据解译结果于2006年7-8月期间对广布于三江平原的数百个典型地物类型进行了验证,同时通过咨询当地农户与农场专家,对解译结果进行了修正。结果表明,以遥感数据源建立的空间数据库的总体解译精度约为92%。2.2数据分析方法本文采用土地利用变化幅度和土地利用转移率两个指标,以揭示研究区土地利用变化,计算公式及说明详见文献。选择年均流量、洪峰流量两个水文参变量分析流域的水文过程特征。挠力河上游流域主要的土地利用类型为林地和耕地,其他土地利用类型均占较少面积,对流域的径流影响较小。为使土地利用数据和流域径流数据保持时段对应,以便进行同步统计分析,将研究区对径流影响较大的两种土地利用类型(耕地和林地)分别运用分段线性插值技术,获得1954-2005年的连续数据系列。研究区的土地主要开发为农业用地,因此,用农村人口增长率的3年滑动平均值作为线性插值的权重,计算公式为:LUijt=LUjit−1+rj(LUij−LUij0)(1)LUijt=LUjit-1+rj(LUij-LUij0)(1)其中,j为分段数,本文以1976年、1986年、1995年、2000年四年数据为界,将1954-2005年52年分割为5个时段,分别为1954-1976年,1976-1986年,1986-1995年,1995-2000年,2000-2005年;其中,LUij,LUij0分别表示j时段,第i种土地利用类型在时段末和初期的面积,rj为人口增长率权重值。2.3第一次增设于让研究区因研究区内没有工业用水因素,水文过程主要受土地利用变化和气候变化的影响,前人研究也证明三江平原地区的径流变化主要受人类活动和气候的影响。历史上三江平原经历了三次大规模的开荒高潮,第一次始于1956年,首先,开始于密山、虎林、宝清和挠河等地,研究区在此阶段也开始了大规模的开荒运动。而在此之前,研究区内几乎没有农业活动,因此,本文将1956年作为研究起始年份,根据研究区土地利用数据将整个研究时段划分为四个不同阶段分别探讨水文过程的驱动力因素(其中,1995年和2000年较为接近,因此,将后两个时段合并,其余年份与土地利用数据保持一致),四个时段分别为1956-1975年,1976-1985年,1986-1994年,1995-2005年。2.4土地利用变化对水文过程的影响为分析气候变化和土地利用变化对水文过程的影响,利用1956-1975年的水文过程变量和降雨(耕地面积)通过回归分析方法,建立水文过程随气候(土地利用)变化的单因素模型,定量区分气候因子(土地利用变化因子)单独作用对水文过程的影响。假定土地利用无大规模变化,利用水文过程随气候变化的模型模拟1976年以后气候变化的水文参变量Qˆ1Q^1,评价实际水文参变量值Q与模拟值Qˆ1Q^1之间的土地利用校准残差R1,计算公式为:R1=Q−Qˆ1R2=Q−Qˆ2(2)R1=Q-Q^1R2=Q-Q^2(2)以同样的方法(公式(2))模拟假定气候变化微弱前提下,土地利用变化对水文过程的影响,得到模拟的水文参变量Qˆ2Q^2,以及气候校准残差R2。基于土地利用变化的水文过程模型和气候变化的水文过程模型,依据R1和R2运用最小二乘法求得公式(3)中的气候变化和土地利用变化的影响权重系数,分别为α和β,建立降雨量和耕地面积两指标的水文过程驱动力模型。Qˆ=αQˆ1+βQˆ2(3)Q^=αQ^1+βQ^2(3)3模型应用和结果分析3.1文化遗产的变化挠力河上游流域为整个流域的径流形成区,年均流量均值为16.21m3/s,洪峰流量均值为242.23m3/s,自1956年以来该区年均流量和洪峰流量呈现明显的递减趋势(图1)。流域水文过程变化趋势为总体递减,局部波动起伏,其中,年均流量和洪峰流量均值在1956-1975年间最高,洪峰流量超过1000m3/s的年份有两年。1976-1985年流域年均流量和洪峰流量均值与前期(1956-1975年)相比分别减少12.54m3/s和211.94m3/s,减少速率分别为66.1%和62.7%。1986-1995年年均流量和洪峰流量又有所上升,均值分别比前期增加17.9%和134.2%,其中,洪峰流量增加非常显著,这是因为该时段存在两年洪峰流量极大值(971m3/s和910m3/s),对该时段的洪峰流量均值贡献较大。1995-2005年水文参变量又比前期下降,分别减少24.2%和60.2%。将水文参变量标准化后对比其在不同时段内变化趋势的线性方程斜率(表1),可以看出,近50年来,年均流量比洪峰流量变化剧烈,但两者基本保持相同的变化速率。研究区年均流量和洪峰流量整体上呈递减趋势,但在不同研究时段的变化趋势又存在差异。1956-1975年、1995-2005年两个时段内,年均流量和洪峰流量呈减少趋势,而在1976-1995年间呈增加趋势。年均流量在1976年至1985年间变化最剧烈,直线斜率为0.137,洪峰流量在1986年至1995年间变化最为剧烈,直线斜率为0.149,可见,研究区的年均流量和洪峰流量并未保持相同的变化速率。3.2流域气候与土地利用变化的分析(1)年生时气温特征在全球气候变化背景下,近50年来,挠力河上游流域年均气温呈递增趋势,降雨量呈递减趋势(图2)。50年间多年平均气温为3.8℃,降雨量多年均值为522.4mm。年均气温在1976-1995年间变化剧烈,1976-1985年、1986-1995年间年均气温均值分别比前期升高0.4℃和0.9℃。降雨量在1976-1985年和1995-2005年期间变化较大,均值分别比前期减少56.1mm和24.3mm。(2)耕地对不同土地利用的分配变化表2为挠力河上游流域1954-2005年土地利用变化幅度数据。2005年研究区主要土地利用类型为耕地和林地,占土地总面积的89.08%。1954-1976年、1976-1986年两时段内,研究区土地利用变化剧烈,尤其是耕地和城乡工矿用地。1954-1976年间耕地和城乡工矿用地面积分别增加516.12%和452.67%,1976-1986年间分别增加86.83%和138.85%,这和研究区的历史状况相一致,1956-1986年研究区正处于开荒运动时期,导致林地、湿地面积大面积减少,耕地面积急剧增加。1986年以后,各种土地利用变化速度均有所减缓,但总体上仍为耕地面积持续增加,林地、草地、沼泽湿地面积持续减少,但变化幅度降低。耕地开垦对研究区径流变化产生较大影响,为进一步分析耕地的变化情况,分别计算不同时段耕地与其他用地间的相互转化关系(表3)。由转移矩阵可知,1954年以来,研究区其他土地利用类型开垦为耕地的面积明显高于耕地变为其他类型用地的面积。研究区耕地转出比例呈递减趋势,由1954-1976年的近40%减为1995-2005年的12.57%,而耕地转入比例却呈波动变化,四个时期转入比例依次为90.27%、56.16%、19.57%、32.68%。1954年至1976年虽有60%的耕地保持不变,但期间其他用地转为耕地的面积共占1976年耕地总面积的90.27%,这是因为1954年耕地面积基数小,在1976年并未表现出较大的比例,但随着耕地面积的不断增加,1986-1995年10年间,85.74%保持不变的耕地在1995年耕地总面积中占90.43%,基本保持平衡。3.3降雨对流域年内水文过程的影响分别拟合气候因子中的降雨、气温和蒸发与水文参变量间的回归方程,结果表明,降雨和各水文参变量间存在显著的相关关系,气温和蒸发对水文过程影响相对较弱,与水文参变量间的关系不显著。因此,未对气温和蒸发的水文过程影响进一步分析。从1956-1975年降雨量与水文过程间的相互关系(图3)可以看出,研究区降雨量对水文过程的影响呈非线性,降雨对年均流量的影响较洪峰流量更显著。这是因为洪峰流量一般由突发的极端暴雨事件引起,与年均降雨量的关系相对较弱。运用图3中的拟合方程模拟1975年以后三个时段的水文参变量,由模拟结果的RMSE和RE值(表4)可知,基于降雨量的水文过程模型对流域年均流量的模拟能力高于洪峰流量。1976-1985年间,降雨量对研究区水文过程的影响不明显,对年均流量和洪峰流量的模拟误差均较大,其中,年均流量模拟的相对误差为159.08%,洪峰流量模拟的相对误差为233.92%。对比不同时段(除1976-1985年)的模拟误差可知,降雨量对研究区水文过程的影响程度逐渐降低,模拟相对误差逐渐增高。3.4土地利用变化对年生长的影响利用1956-1975年的耕地面积数据与年均流量、洪峰流量数据分别拟合最优的回归方程用于反映研究区土地利用变化对水文过程的影响,由结果(图4)可知,研究区土地利用变化对径流影响较小,对年均径流的影响达到了显著水平(R2=0.24,p<0.05),而对洪峰流量并未产生显著的影响。这和前人研究有相似之处,如Lahmer等人指出耕地与其他用地间相互转化对于大中尺度流域的水文过程影响不显著,Klöcking等人研究结论为土地利用变化对水量影响比极端洪水影响大。土地利用变化对水文过程的影响表现在近地表的蒸散发、截留、填洼、下渗等水文要素及其产汇流过程。对研究流域的耕地(林地)面积和蒸发量分别作回归分析发现,土地利用变化对蒸发的影响非常显著,其中,林地面积和蒸发量的线性关系为,y=0.008x-849.587(R2=0.63,p<0.01),耕地面积和蒸发量的线性关系为y=-0.005x+1337.349(R2=0.57,p<0.01)。综上,虽然研究区的土地利用变化并未对水文过程产生直接的显著影响,但可以推断土地利用变化对蒸发过程的显著影响会间接地对径流结果产生影响。运用图4中的拟合方程模拟1975年以后假定气候不发生显著变化前提下的水文参变量值,由模拟的误差值可知,土地利用变化对年均流量的模拟能力较差,相对误差不断增高,1986年以后相对误差高达2000%,这显示如果单纯用土地利用模型模拟年均流量将带来极大的风险。由不同时段洪峰流量的模拟误差可知,耕地面积对洪峰流量的影响逐渐增高,模拟误差由最初建模时的94.03%降到1995-2005年的9.69%,模拟能力得到极大的提高。对比表4和表5可见,相对耕地面积,降雨量对年均流量的影响更大,各个时期的模拟误差均为土地利用模型大于气候模型。对于洪峰流量而言,耕地面积的影响大于降雨量的影响,说明改变土地利用方式,会对极端暴雨引起的洪峰流量产生影响,由此可以推断,森林具有调节洪峰的作用,开垦森林种植农田对年均流量不产生显著影响,但会对雨季的洪峰造成较大影响。国内学者王礼先等曾指出森林植被可以大幅度减少流域的暴雨洪峰流量。3.5水文过程模型对比分析由表4和表5可知,单独运用气候模型和土地利用变化模型进行水文模拟存在较大的不确定性,因此,运用上述基于降水和耕地变化的水文过程模型在不同时段模拟的相对误差和最小二乘法,确定挠力河上游流域水文过程驱动力模型,不同水文参变量取得最佳模拟精度时的模型参数值(见表6)。由结果可以看出,所建立的模型对研究区近50年的水文过程的模拟效果较好,年均径流和洪峰流量的RMSE值分别为0.5和1.04,对比表4-6中的RMSE值可以看出,同时运用气候和土地利用数据进行水文过程模拟,精度提高较大,也显示出基于降水和耕地面积的水文过程驱动力模型用于研究区的水文模拟具有较大优势。对比不同时期的降雨和耕地面积的权重系数可知,总体上研究区气候变化对水文过程的影响程度大于土地利用变化的影响。1956-1975年和1995-2005年两个时段内水文过程受气候和土地利用变化两者的共同作用,气候变化的影响相对高一些。1976-1994年间土地利用变化对水文过程不产生显著影响,其权重系数均为0。运用表6的参数建立研究区1956年以来50年水文过程随气候和土地利用变化的驱动力模型,并对年均径流和洪峰流量进行模拟,结果见图5。由结果可知,该驱动力模型对流域的径流模型效果较好,反映出了研究区水文过程的趋势。对比年均流量和洪峰流量的模拟值和实测值吻合度直线与标准直线(图6)可知,研究区水文驱动力模型对年均流量的模拟精度高于洪峰流量,年均流量模拟结果的决定系数为0.933,拟合的直线非常接近于标准线,而对洪峰流量的模拟结果的决定系数仅有0.816。由此可以推测,洪峰流量的影响机制较为复杂,除受气候和土地利用变化影响外,还有其他因素的综合作用,有待于进一步深入探讨。4年来流域水文过程模型模拟结