三江平原挠力河流域的径流演变过程及其影响因素

三江平原挠力河流域的径流演变过程及其影响因素

气候变化是一个全球环境问题。气候变化对水文和水资源的影响研究越来越受到重视。气候变化不仅会引起水资源在时空上的分配变化,而且可能加剧洪涝、干旱灾害的发生频率,影响到区域生态、乃至人类的生存环境。气候变化对水资源的影响研究主要采用传统的数理统计方法和模型模拟法。模型模拟法基本上都遵从“未来气候情景设计-输入水文模拟模型-影响研究”的模式,但目前还不能准确预测未来气候将如何变化,只能根据各种方法制定未来气候构想或称为未来气候情景,存在着诸多的不确定性。水量平衡模型是近期非常受关注的一种方法,该方法即比传统的数理统计经验方法具有明显的物理意义,同时相对其它水文模型法来说有计算过程简单、参数容易获得等优点。挠力河作为三江平原地区一条典型的沼泽性河流,近50年来,随着气候变化和人类活动的影响,尤其是沼泽及沼泽化土地的大规模开垦,河流径流已经发生了一系列深刻的变化,如年径流量呈明显的减少趋势,径流的演变表现出阶段性特征,水文情势发生变化等,其演变过程受气候变化以及人类活动的双重作用,虽已有研究对气候变化与人类活动对径流的影响进行了一定讨论,但尚缺乏进一步的定量化评价。本文利用水量平衡法和降水-径流经验模型定量估算气候变化对流域径流量的影响,试图定量化气候变化对典型沼泽性河流径流变化的影响,同时为进一步开展流域沼泽湿地开垦的水文效应研究提供参数。1湿地湿地挠力河流域位于黑龙江省三江平原腹地,地处东经131°31′～134°10′,北纬45°43′～47°45′,如图1所示,总面积为2.42万km2。其中山地面积占总面积的38.3%,平原占61.7%。气候属中温带大陆性季风气候,年均气温1.6℃,1月平均气温-21.6℃,7月平均气温21.4℃,年降水量565mm,陆面可能蒸发量542.4mm。流域地势低平,平均海拔60m左右,地表径流不畅,形成大面积湿地,是以湿地面积占优势的流域——湿地流域。但自20世纪50年代以来,经过4次大规模农业开发活动,景观基质由沼泽湿地转变成了耕地。沼泽湿地面积已由1954年的9435.9km2占流域整个面积的39.8%,下降到2000年的3460.0km2,占流域面积的14.3%,仅为原湿地面积的1/3左右,而耕地面积由占流域总面积的8.2%增加到57.4%,湿地流域变成了农业流域,流域中的湿地在结构和功能上发生了巨大变化。2数据来源和研究方法2.1年气候变化率及年气象站舆论挠力河流域共有4个水文站,分别为宝清站、保安站、红旗岭站和菜嘴子站,空间分布位置如图1,由于保安站的资料部分缺失,红旗岭的观测时间较短(1977～至今)、集水面积较小(集水面积1103km2),不具有代表性。本文重点对流域上游的宝清站(集水面积3689km2,观测自1955～至今)和中下游的菜嘴子站(集水面积20796km2,观测自1956～至今)的径流量进行分析,采用的数据是1956～2005年两站的实测逐日径流量。为估算气候变化对径流量变化的影响,气象数据采用宝清县气象站、友谊县气象站和富锦市气象站的1956～2005年的逐日数据。其中宝清站所采用的降水和气温数据是宝清县气象站1956～2005年的年降水量和年均气温,菜嘴子站采用的是1956～2005年宝清县气象站、友谊县气象站和富锦市气象站的3站气温平均值。2.2气候变化对径向流的影响评价方法(1)基于气候变化的qΡ=E+Q+ΔS(1)P=E+Q+ΔS(1)式中P为降水量;E为蒸发量;Q为径流量;ΔS是流域的蓄水量变化。从较长的时间来看(如,5～10年),ΔS可以被认为是零。降水和潜在蒸发量的波动都能引起水量平衡的变化,径流量的总体变化假设用下式计算:ΔQtot=|ˉQobs2-ˉQobs1|(2)ΔQtot=|Q¯¯¯obs2−Q¯¯¯obs1|(2)式中ΔQtot为年均径流量的总体变化量;ˉQobs1为基准期年均径流量;ˉQobs2为变化期年均径流量。同时,ΔQtot也可以用下式表示ΔQtot=|ΔˉQclim+ΔˉQhuma|(3)式中ΔˉQclim为气候变化引起的径流量的变化量;ΔˉQhuma为人类活动引起的径流量的变化量。气候变化对径流量的影响因素主要是降水量和潜在蒸发量,由降水量和潜在蒸发量引起的径流量变化量可用下式表示:ΔˉQclim=∂Q∂ΡΔΡ+∂Q∂ΡEΤΔΡEΤ(4)式中ΔP为年均降水量的变化量;ΔPET为潜在蒸发量的变化量;∂Q∂Ρ为降水量变化对径流量变化的贡献率;∂Q∂ΡEΤ为潜在蒸发量对径流量变化的贡献率,因此只要计算出∂Q∂Ρ和∂Q∂ΡEΤ,就能定量确定降水量和潜在蒸发量对径流量变化的贡献率。根据已有研究成果,实际蒸发量可用下式计算:EΤΡ=1+ΡEΤΡ-[1+(ΡEΤΡ)ω]1/ω(5)式中P为年降水量;PET和ET为潜在蒸发量和实际蒸发量;ω为经验常数,与植被类型,土壤水力性质,地貌等情况相关,根据已有的研究结果,宝清站采用ω值为2,菜嘴子站采用的ω值为2.5。PET的计算方法采用Penman-Monteith法,为提高PET的估算精度,将整个挠力河流域划分成26个子流域(见图1),利用文献构建的流域分布式水文模型SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)计算宝清站和菜嘴子站以上每个子流域的潜在蒸发量,利用平均值代表该点的PET。根据式(1)和式(5)得到∂Q∂Ρ=Ρω-1(ΡωEΤ+Ρω)1/(ω-1)(6)∂Q∂ΡEΤ=Ρω-1EΤ(ΡωEΤ+Ρω)1/(ω-1)-1(7)(2)降水对径流的影响气候变化对径流量的影响估计经常采用的另一方法是建立降水与径流的经验关系,根据李丽娟等的研究成果,本文将降水和径流的经验关系表述为Q′=a+bΡ(σ)c(8)式中Q′为计算的年径流量;P为年降水量;σ是逐年的年内月降水方差;a、b、c是通过基准期率定的3个常数项。变化期的计算值与基准期计算值的差值即为此时段降水变化对径流的影响量;变化期与基准期的实测差值减去降水变化的影响量,其值即为人类活动的影响量。3对于径流的变化和其提高分为估算气候变化对挠力河径流量的影响,首先将挠力河流域宝清站和菜嘴子站1956～2005年的年平均径流量序列数据进行阶段划分,划分的标准采用文献的划分标准,即将宝清站和菜嘴子站1956～2005年整个时期的径流量演变过程分为两个阶段,基准期1956～1967年和变化期1968～2005年。降水和潜在蒸发量的波动都能引起水量平衡的变化,根据式(2)～式(7)分别估算变化期内年均降水量、年均蒸发量对年均径流量的影响及气候变化对年径流量的总体影响,估算结果如表1。从表1可以看出,宝清站和菜嘴子站的年均降水量对年均径流量的影响分别为42.9%和34.8%,年均蒸发量对年均径流量的影响分别为-9.7%和-10.9%;宝清站径流量的减少受降水量的影响更大一些,而年均蒸发量对年均径流量的影响,菜嘴子站要比宝清站稍大一些。宝清站基准期内年均径流量的平均值为25.1m3/s,变化期较基准期减少了14.5m3/s;菜嘴子站基准期内年均径流量的平均值为87.9m3/s,变化期较基准期减少了48.5m3/s,其中由气候变化对年均径流量的影响分别为42.7%和33.1%,宝清站的要大于菜嘴子站的。从两个站来看,气候变化对挠力河径流量的影响主要是由降水量的减少引起的,宝清站和菜嘴子站降水量变化引起的径流量减少大约是蒸发量变化引起径流量减少的4.4倍和3.2倍。根据式(8)对宝清站和菜嘴子站基准期的降水～径流的经验模型进行参数估算,宝清站的逐月降水方差是通过宝清气象站的逐日降水数据计算得到,菜嘴子站采用的逐月降水方差是宝清气象站、友谊县气象站、富锦市气象站逐月降水方差的平均值。通过上述方法建立的经验模型基本能反映降水～径流之间的关系,相对于菜嘴子站,宝清站的经验模型更好地表达了降水～径流间的经验关系,拟合度R2达0.89。利用建立的经验模型定量估算了变化期的径流量变化的驱动力大小,计算结果如表2。从表2可以看出,宝清站由气候变化引起的年均径流量变化约占40%,菜嘴子站由气候变化引起的年均径流量减少量约占总减少量的36%,与水量平衡法计算结果基本相似。通过上述两种方法对降水量对径流量的影响大小的估算发现,宝清站径流量的减少量大约40%是由气候变化引起的,菜嘴子站径流量的减少量大约36%是由气候变化引起的。总体来看,水量平衡法估算结果与降水～径流经验模型法的估算结果基本相似,但也存在一定的差别,具体原因将在讨论中进一步论述。4对径流的影响气候变化对径流量的影响研究经常采用文中的第2种方法,即建立降水～径流的经验关系。宝清站利用该种方法估算的气候变化对径流的影响要小于第1种方法的估算值,而菜嘴子站利用该种方法估算的值却相反,主要是由于以下几个方面的原因:首先,利用降水与径流的经验模型,只考虑了气候变化中的一个因素——降水变化对径流量的影响,与总体的气候变化对径流量影响存在一定差异。其次,对于宝清站来说,该站以上的流域主要是由林地覆盖,大约占该部分面积的50%左右,而且近50年来基本没有变化。利用Penman-Monteith法估算的潜在蒸发量是增加的,如图4(a),蒸发量的增加进一步加剧了降水量减少对径流量的影响。因此,水量平衡法估算的值要大于降水～径流经验模型的估算值;对于菜嘴子站来说,处于宝清站与菜嘴子站之间的流域土地利用/覆被发生较大变化,在近50年景观基质由沼泽湿地转变成了耕地。下垫面的变化改变了潜在蒸发量的变化,从友谊县1966～2000年的实测蒸发量及Penman-Monteith法估算的潜在蒸发量来看,蒸发量都是逐渐降低,如图4(b)。蒸发量的减少缓解了降水量减少对径流量的影响,因此水量平衡法估算值小于降水减少对径流的影响量,即降水～径流经验模型的估算量。从以上分析发现,水量平衡法对气候变化的影响估算更为准确有效,但水量平衡法也有参数较多,计算繁琐等缺点。5气候变化对挠力河流域径流的影响(1)流域内降水减少所产生的径流减少效应大于气温升高所产生的效应,降水量变化对宝清站和菜嘴子站径流量减少的贡献率为42.