三江平原挠力河上游近60年来径流演变分析

三江平原挠力河上游近60年来径流演变分析

水文条件是湿地类型和湿地过程维持的重要因素，影响着湿地的发育和发展。气候变化和人类活动等以不同方式影响着湿地的水文系统和生态功能,特别是近年来人类活动的日益加剧,极大地改变了湿地的下垫面条件,造成湿地生态系统平衡的破坏,使湿地的恢复和保护工作日益迫切和必要。本文选择三江平原的典型沼泽性河流——挠力河流域为研究对象,通过研究流域多年的径流演化特征及其影响因素,并借助IHACRES模型定量表示气候变化和人类活动的影响量,较之以前主要借助经验公式等研究流域径流演变特征的方法,操作简便且计算结果较为准确,有助于深入了解沼泽湿地水循环与水平衡,对认识沼泽生态系统的结构和功能具有重要意义。1湿地气候条件挠力河流域位于三江平原腹地,地处133°31′~134°10′E、45°43′~47°35′N,流域总面积24863km2,占整个三江平原总面积的近1/4,湿地面积占三江平原湿地面积的1/4多。气候属温带湿润半湿润大陆性季风气候区,年均温3.5℃,极端最低气温-37.2℃,极端最高气温36.6℃,年平均降水量518mm,多集中于6~9月份。挠力河为乌苏里江的一级支流,发源于完达山脉那丹哈领,自西南流向东北,全长596km。流域地势低平,广泛发育河漫滩,地表径流不畅,有利于沼泽湿地的形成和发育。目前,流域内有3处重要湿地保护区,分别为七星河湿地(属国家级湿地自然保护区)、外七星河湿地保护区和燕窝岛湿地保护区,这些保护区在保护三江平原生物多样性和维持生态系统功能和过程方面极具代表性。2学习方法2.1水文气象趋势分析中的应用Mann-Kendall检验是一种非参数统计检验方法,变量可以不具有正态分布特征,检测范围宽、人为影响小、定量化程度高,因此适用于水文变量的趋势分析。近年来,借助Mann-Kendall方法分析水文气象数据的研究很多,包括降水、气候及径流的变化趋势研究和突变性检验。本文采用Mann-Kendall方法对挠力河上游径流进行突变性检验,求出径流突变的年份,为应用IHACRES模型分析径流变化的原因提供基础。2.2降雨-径流模型IHACRES模型是Jakeman等于1990年提出的一个以单位线原理为基础的集总式概念性降雨-径流模型,模型由两个基本模块串联而成,非线性模块将降雨转化为有效降雨,线性模块将有效降雨转化为径流。有效降雨是指最终以径流形式流出流域的降雨,所有的水量损失都发生在非线性模块,模型在国外广泛用于径流模拟,并在一些资料缺乏地区推广使用。2.3蓄水量的总量s对于一个流域来说,水量的平衡方程为:P=E+Q+ΔS(1)其中,P是降水量,E是蒸发量,Q是径流量,ΔS是流域的蓄水量的变化。从较长时间来看,ΔS可以被认为是零。径流量的总体变化可以用下式表示:ΔQ=|ΔQc¯¯¯¯¯¯¯+ΔQh¯¯¯¯¯¯¯|(2)其中,ΔQ为径流变化的总量,ΔQc¯¯¯¯¯¯¯为气候变化引起的径流量的变化量,ΔQh¯¯¯¯¯¯¯为人类活动引起的径流量的变化量。3结果与分析3.1径流突变点分析研究采用挠力河上游宝清站日径流和月径流实测资料,资料序列长度为1956~2002年,共计47a,由Mann-Kendall法计算出数据统计序列值UF和UB,然后取显著性水平α=0.05,则临界值Uα/2=±1.96,最后绘制UF、UB曲线和临界值直线图,得径流突变点(图1)。图1表明,宝清站径流变化特点为:①月径流和年径流均呈现显著减少趋势,期间1970~1974年径流略微上升,其余年份一直减少,而且1976年以后这种减少趋势明显超过α=0.05的显著性水平;②根据UF和UB曲线的交点位置,确定挠力河上游径流在1966年发生突变。3.2流量变化的形成原因3.2.1年降水和年蒸发的变异系数分析结果气候变化对径流量的影响因素主要是降雨量和潜在蒸发量,本文采用Mann-Kendall检验和变异系数法定性和定量分析气候变化对挠力河上游径流减少的影响。利用Mann-Kendall检验法计算出宝清站年降水和年蒸发的突变点(图2),可以看出,宝清站年降水呈现减少趋势,但是减少的趋势几乎都在α=0.05的显著性水平之内,降水的突变点为1966年,与宝清站年径流突变发生的时间一致,说明宝清站径流的减少与降水的减少直接相关。然而,通过计算宝清站年蒸发的突变点发现,宝清站年蒸发的突变点在1989年,且蒸发在1956~1989年之间波动不大,1990年以后其减少趋势才超出α=0.05的显著性水平,说明宝清站蒸发量的变化对挠力河上游流域径流的减少没有直接关系。为定量表示降水和蒸发与径流变化量的关系,研究采用宝清站年降水和年蒸发的变异系数与年径流的变异系数相比较。根据上述分析结果,将流域径流数据分为两个阶段,第一阶段:1956~1966年;第二阶段:1967~2002年。宝清站1956~2002年的年径流和年降水以及年蒸发的变异系数分别为70.7%,25.2%和12.2%,其中,第一阶段的值分别为38.7%,21.5%和9.2%;第二阶段分别为73.7%,25.0%和12.6%。说明宝清站第一阶段径流的减少主要是由降水的减少引起的,蒸发只是次要原因;第二阶段,降水和蒸发只是径流减少的次要原因。3.2.2人类活动对减少产量的影响(1)月尺度模型分析IHACRES模型的参数较少,所需输入的数据有降水、径流量、气温、流域面积等,减少了因模型复杂,参数和输入数据多而造成的模拟结果的不确定性。模型没有反映下垫面方面的参数,即未把下垫面特征作为模型的内生变量。因此,本文采用“参数参照法”,即将受人类活动影响相对较少的1956~1966年作为基准时段,并用该时段的降水、径流及气温数据率定模型的参数;然后应用该参数,输入对比时段(1967~2002年)的实际降水、径流及气温数据运行模型,得到的模拟径流可以看作是隐含基准时段人类活动影响情景的“基准径流”。实测径流和基准径流的差异可以看作是除降水和气温以外的其他因子的影响,概括为人类活动的影响。采用月尺度进行模拟,输入数据为1956~2002年挠力河上游宝清站的月降水、月径流、月气温和流域面积的数据,选取基准时段逐月降水、气温和径流数据进行参数率定(表1)。表1中,w为流域干时常数;f为温度调节因子;c为是保证在整个率定期模拟的有效降雨总量等于观测总径流量的一个非自由参数;tr为参考温度;δ为产流的延迟时间系数。图3可看出,由于误差原因,除个别年份模拟值有偏差外,其余年份模拟值与实测值的拟合效果较好。对模型的模拟精度进行判断,Nash-Sutcliffe模型效率系数ENS是评价模型拟合好坏的整体性综合指标。ENS=1−(Se2/σr2)(3)Se=∑(Qo−Qs)2n−−−−−−−−√(4)σr=∑(Qo−Q¯¯¯)2n−−−−−−−−√(5)式中,Se为模拟径流误差的均方差,σr为实测值的均方差;Qo为实测径流值,Qs为模拟径流值,Q¯¯¯为实测径流的均值。当Qo=Qs时,ENS=1;如果ENS为负值,说明模型模拟值还不如观测值的平均值具有代表性。根据前人研究成果,当ENS>0.75时,可以认为模拟效果好;0.36≤ENS≤0.75时模拟效果为令人满意;ENS<0.36时,模拟效果不好。应用率定的参数模拟1956~1966年的月径流,求出各年的Nash-Sutcliffe模型效率系数ENS。从表2可以看出,除1958、1962和1966年的模拟效果小于0.36,模拟效果不太令人满意之外,其余年份的径流模拟值与实测值的拟合程度较好,说明可以用IHACRES模型模拟挠力河流域的径流变化趋势。图4中模拟值与实测值二者拟合直线的斜率为1.0027,对其进行简单的线性相关分析(R=0.8304,p=0.0017),置信度达99.83%,拟合效果较好。(2)人类活动造成的挠力河上游径流将基准时段(1956~1966)模型率定的参数用于变化时段(1967~2002)的径流模拟,其结果为受人类活动影响较少的“基准期”的径流,求出模拟径流与变化时段实测径流的差值,即得人类活动造成的挠力河上游径流减少量(图5)。宝清站1967~2002年间,模拟值与实测值差异较大,总趋势为模拟值大于实测值,说明人类活动引起的土地利用/覆被变化导致挠力河上游流域径流减少。(3)人类活动导致的土地利用/覆被变化引入土地利用/覆被变化的影响指数(L)来定量评价人类活动导致的挠力河上游的径流减少量,公式如下:L=(Qo−Qs)/Qs(6)其中,Qo为实测径流值(m3/s);Qs为模拟径流值(m3/s)。根据模型计算宝清站1967~2002年土地利用/覆被变化的指数(L)(图6),结果表明,人类活动导致的土地利用/覆被变化指数年际间差异较大。其中,31%年份的径流较基准期减少50%以上,25%年份的径流较基准期减少30%~50%,25%年份的径流较基准期减少10%~30%;个别年份(1971、1974、1987、1991和1996年)出现实测径流高于基准期径流的情况,这可能与模型的误差有关。图6可看出,虽然整体来看人类活动导致的土地利用/覆被的变化指数在年际间差异较大,但存在两个径流减少幅度较大的连续阶段,即:1975~1979年和1997~2002年。(4)垦荒初期20世纪2020年代为验证模型模拟结果,根据已有研究成果及相关统计资料,对建国以来三江平原挠力河流域人类活动导致的土地利用/覆被变化过程进行了分析。新中国成立后,三江平原经历4次垦荒高潮。由于受气候和开发技术水平所限,在1974年之前,仅对山前倾斜平原上湿地进行开发,这期间有54%的非沼泽湿地变为农田,有12%的沼泽湿地丧失,1985年后,随经济发展和人口增长,国家大修水利工程,平原区的低湿沼泽湿地逐渐被开垦为农田,到2000年,共有87%湿地丧失。因此,挠力河上游1967~2002年径流急剧减少的趋势与相应时段该区域人类开发活动具有直接关系,应用IHACRES模型计算的人类活动导致的流域径流减少量符合该流域的实际情况。4径流变化的原因1)通过Mann-Kendall检验法,分析1956~2002年挠力河上游流域径流不断减少的变化趋势,并根据突变点将挠力河上游径流变化趋势分为两个阶段,即:1956~1966年和1967~2002年。2)根据变异系数等统计方法,分析挠力河上游径流减少的主要原因。其中,在第一阶段,气候变化是径流减少的主要原因,而在第二阶段,气候变化是径流减少的次要原因。3)应用IHACRES模型模拟变化时段的径