挠力河流域湿地面积和面积对面降水量的影响

挠力河流域湿地面积和面积对面降水量的影响

1挠力河流域典型景观变化土地使用和土壤覆盖变化（luc）是全球环境变化的中心问题，也是全球变化的主要因素和动力。IGBP(国际地球-生物圈计划)的核心项目(GAIM、BAHC、GCTE、LUCC)中都强调将模拟水文及土地利用变化作为核心内容。针对LUCC对流域径流的影响,已有不少学者进行了大量且较为深入的研究。挠力河流域作为三江平原最大的流域,其土地利用变化及其所引发的生态水文过程的变化特征(如径流的演变)在中国东北区极富有典型性和代表性。湿地面积的减少和耕地面积的增加是20世纪50年代以来挠力河流域典型景观变化,有不少学者就挠力河流域内景观格局及耕地、湿地和居民地的变化进行了大量研究,但针对该域土地利用变化对径流的影响研究暂时还少见报导。挠力河流域内现有的4个水文站(宝清、保安、红旗岭和菜咀子)的流量测验数据正显示年径流深(量)呈递减趋势,所以针对径流变化过程进行分析,揭示其变化关系及其驱动力,为深入认识湿地在流域尺度上的生态水文调节功能以及开发退化湿地的保护和恢复方案提供参考。2流域总结2.1各市基本农场的局部面积分布在5.挠力河流域位于黑龙江省三江平原腹地,地理坐标为东径131°~134°,北纬46°~48°,为乌苏里江的一级支流。挠力河流域行政区划隶属宝清县、友谊县、集贤县、富锦市、饶河县。黑龙江省农垦总局红兴隆、建三江和牡丹江分局,其中农垦红兴隆分局有五九七、八五二、八五三、红旗岭、饶河5农场的全部以及双鸭山、北兴、二九一和友谊4个农场的部分面积分布在此流域;农垦建三江分局有七星和大兴2个农场的全部以及红卫、创业、859和胜利4个农场的部分面积分布在此流域;牡丹江分局有八五一一农场部分面积分布在此流域,其中农垦占据了该流域土地面积的55%左右。2.2原采动地面积2.挠力河流域总面积24863km2,其中山区面积为8320km2,占总面积的33.5%;丘陵面积为1197km2,占总面积的4.8%;平原面积为15346km2,占总面积的61.7%。挠力河流域地形总趋势呈西南高、东北低。西部以那丹哈达岭为分水岭与松花江流域分界,海拔高程800~240m;南部以完达山与乌苏里江的左岸支流穆棱河为界,海拔高程200~60m;挠力河干流宝清镇以上为山区丘陵,宝清镇以下的中游左岸为大面积的平原,大部分为农田,部分沼泽湿地已被列为自然保护区和湿地保护区。右岸下游沿河有条带平原,其余为丘陵山地。2.3降水量与水质条件该流域属中温带大陆季风气候区,多年平均气温3.3℃,最高气温出现在7月份,月平均气温在21.9℃,最高气温达36.8℃(宝清站1978年6月27日);最低气温在1月份,月平均气温为-18.6℃,最低气温达-37.2℃(宝清站1970年1月3日)。日平均气温稳定通过10℃的初日为5月13日,终日为集9月29日,天数为140d,累积温度为2569℃。多年平均降水量为532mm,属于半干旱地带,降水大部分集中在6~9月份,占全年降水量的72%,尤其是7、8两个月雨量更为集中,约占全年降水量的44%,大暴雨多发生在此期间;春季降水较少,5、6月份降水仅占全年降水的23%;因此该地区春季干旱频繁,秋季又多洪涝灾害。各年降水量差别较大,年降水量最大发生在1981年,为826.5mm,最小发生在1975年,为326.6mm,其中1975~1979年为连续干旱年,5年间降水量均在300~400mm。本区日照时间较长,多年平均2500h,4~9月份日照时数可达1393h。初霜为9月中、下旬,终霜为5月上、中旬,无霜期为143d。结冰期长达150~180d。最大冻土深可达260cm。多年平均水面蒸发量为702mm(E601与E20蒸发皿换算系数为0.494)。年均相对湿度66%,绝对湿度7.7mb。夏季相对湿度70%~80%,冬季为60%~70%,春季为55%。多年平均风速4m/s,最大风速可达28m/s。冬季多西风和西北风,春季多西南风,夏季多东南风和西南风。3数据处理和研究方法3.1湿地和耕地的变化本研究中有关耕地和湿地数据处理,主要参考刘红玉等在研究挠力河流域湿地景观变化过程和吴运军等在研究近50年来挠力河流域居民地、耕地和沼泽地动态关系中运用的方法,同时参考流域内各县市和黑龙江省农垦统计资料,获取挠力河流域1954年、1975年、1986年和2000年的湿地和耕地的解译数据,然后分别线性内插1954~1974年,1976~1985年、1987~1999年的湿地和耕地变化数据。面降雨量数据利用挠力河流域内气象站和雨量站降水资料,并统一取1956~2000年系列,分年绘制等雨量线图,利用泰森多边形面积权重法进行计算。径流深数据主要以菜咀子水文站控区域近似代替整个流域的径流深,因为菜咀子水文站控制了流域20556km2,占了整个流域控制面积的82.67%,并且在菜咀子水文站控制区域内有宝清、红旗岭和保安3个水文站所控制的区域全在其内,即菜咀子水文站所控制的流域水文下垫面环境及范围能较好地代表流域特征。通过对耕地、湿地、面降水量和径流深数据经进行分析和整理,结果如图1所示。3.2影响单因素作用机理分析由于径流受降水、蒸发、水文下垫面环境以及流域水资源利用等诸多因子的综合影响,表现出因变量与自变量之间较为复杂的非线性关系。当前主要运用随机水文学的方法来揭示径流演变及其与作用因子之间的关系。如罗先香等(2002)采用均值差异T检验的方法对挠力河1964~1989年期间径流的演变进行了研究。本文现以挠力河流域内径流深作为因变量,分别对流域面上降水量、耕地和湿地面积变化作为自变量,相应分析降水量、耕地和湿地面积的变化对径流深变化的影响。分别通过构建线性函数相关、指数函数相关、对数函数相以及三次拟合函数相关分析,通过比较相关系数R2值的大小来选择相关性最好的关系函数,来分析各影响因子对径流的影响趋势,并进一步分析其影响机理。挠力河流域面上年降水量~径流深和湿地~耕地变化见图1。4研究结果4.1建立挠力河流域湿地面积径流深的变化关系经分析湿地面积(x)与径流深(y)线性相关函数为:y=0.0091x+30.81,相关系数R2=0.1558;对数相关函数为:y=38.036Ln(x)-240.95,相关系数R2=0.1104;指数相关函数为:y=34.766e0.0001x,相关系数R2=0.1404;而三次拟合函数为:y=1E-09x3-1E-05x2+0.0554x-1.8797,相关系数R2=0.3144。经比较选择三次拟合函数,并绘制如图2所示。由图2可知,挠力河流域湿地面积径流深的变化关系总体表现出随着湿地面积的减少径流深呈减少的趋势,如1958年挠力河流域湿地面积达9848.19km2,面上降水量为484.9mm,而径流深为124.9mm;1974湿地面积减少为6993.95km2,面上降水量为536.0mm,而径流深为102.6mm;1984年湿地面积减少为4099.54km2,面上降水量为579.3mm,而径流深为66.6mm;而2000年湿地面积减少为1717km2,虽然面上降水量达548.8mm,而径流深只有33.7mm。这可能与湿地面积的减少,降低了对流域地表径流的调节功能有一定的关系,因为湿地其实相当于一座天然水库,对水同样具有强大的源与汇功能。4.2耕地与径流深的变化关系经分析耕地面积(x)与径流深(y)线性相关函数为:y=-0.0058x+136.2,相关系数R2=0.1418;对数相关函数为:y=-54.766Ln(x)+576.33,相关系数R2=0.1959;指数相关函数为:y=115.73e-7E-05x,相关系数R2=0.1267;而三次拟合函数为:y=-4E-10x3+1E-05x2-0.1264x+468.34,相关系数R2=0.3147。经比较选择三次拟合函数,并绘制如图3所示。由图3可知,挠力河流域耕地面积与径流深的变化关系总体表现出随着耕地面积的增加径流深呈减少的趋势,如1961年挠力河流域耕地面积为4054.44km2,面上降水量为526.7mm,而径流深为110.8mm;如1985年挠力河流域耕地面积为12357.87km2,面上降水量为532.5mm(大于1961年降水量,并且1984年为偏丰年面上降水量达579.3mm),而径流深为52.5mm;如1998年耕地面积增加到14771.37km2,虽然面上降水量达522.9mm(与1961年接近,且1997年为偏丰年面上降水量达585.6mm),而径流深也只有48.1mm;如2000年耕地面积增加到15086.25km2,虽然面上降水量达548.8mm,而径流深也只有33.7mm。挠力河流域耕地主要通过开垦湿地而来,因为1956~2000年湿地面积减少了8487.97km2,而耕地面积自1956~2000年增加了12125.3km2(其中有一部分是通过开垦林地而来),所以湿地面积的减少和耕地面积的增加,共同明显地改变了原来挠力河流域水文下垫面环境,对流域地表径流深的减少表现出了明显的贡献。4.3地表径流深与降水的关系经分析面降水量与径流深线性相关函数为:y=0.5209x-198.98,相关系数R2=0.5397;对数相关函数为:y=277.25Ln(x)-1658.4,相关系数为R2=0.5068;指数相关函数为y=2.3467e0.0061x,相关系数R2=0.5071;而三次拟合函数为:y=-2E-06x3+0.0046x2-2.6781x+501.4,相关系数R2=0.5741。经比较选择三次拟合函数,并绘制如图4所示。由图4可知,挠力河流域面上降水量与地表径流深关系总体上呈现出随着降水量的增加径流深也在增加,并且这种关系相对图2和图3所表现出的相关关系要强一些。这也是当前流域普遍所表现出来的降水与径流相关性。但这种关系由于受流域土地利用变化关系,当前也不是一种显著的线性关系,表现出一种较为复杂的非线性特征。区域面降水量~径流深差积曲线见图5,由图5可知,径流的变化已明显大于降水的变化幅度,并且变化步调也存在许多不一致。5地表径流随湿地转变期的变化土地利用的方式改变了径流的产汇过程。湿地面积的减少和耕地面积的增加对径流深递减是有较为明显的贡献,经分析其机理可以总结如下:(1)耕地一般要在每年的6月以后才会有较好的植被覆盖,所以耕地土壤表层主要裸露在空气中,而本区域多年平均风速4m/s,最大风速可达28m/s,即使在冬季大量降雪后,由于土壤表面风力较大耕地中的积雪主要是以风干的形式进入了空气中,而积雪给当地耕地土壤水分的补充量其实很有限,主要通过降雨补给,而湿地由于具有植被,能大量降低风速,所以积雪大部分能在来年4~5月份转变成地表径流。这可能是湿地转变成耕地对径流减少的重要原因之一。(2)湿地具有强烈的冷湿效应。湿地面积的减少,必然会降低原来湿地所在地及相邻区域近地层大气中的湿度;减少对近地层温度的调控能力,湿地转成耕地的区域近地面温度比原来湿地近地面温度一般要高出4~5℃,导致增大陆面蒸发潜力,这可能是流域径流呈递减趋势的原因之一。(3)湿地转为耕地,而耕作层土壤被机械反复的耕翻,一方面改变了原来天然湿地土壤的组成和结构,相应改变了对降水再分配过程,如相应的表层土壤的田间持水量不如原来湿地土壤层高;降水入渗速度减慢,并在耕地中的排水沟渠作用下,过多的土壤涝渍水蓄积于沟渠中或被迅速排出了该流域;另一方面由于耕地土壤温度比湿地土壤温度高出4~5℃,加上年年翻地对土层的扰动,无疑增大了陆面蒸发潜力和蒸发量。这些也是流域径流递减的重要原因。(4)自20世纪80年代末以来,由于耕地增加的同时,其中有部分旱作耕地被转为水稻田,而水稻田一方面增大了对地表水资源利用程度,相应减少了区域地表径流深;另一方面还有较多的水稻田是通过开采地下水进行灌溉的,所以地下位的下降,会减少土壤在冰冻季节的冻土层中土壤含水量,导致来年冻融后的地表径流减少。(5)由于受统计数据和资料的详细程度以及统计行业口径不统一等原因的影响,可能在有关湿地和耕地面积数据方面与实际可能存在一些偏差或出入,但这些不会影响对径流演变趋势的定性判断。(6)针对土地利用变化对径流深的影响程度的定量分析有待今后进一步深入研究。6径流生态保护的其他建议(1)挠力河流域湿地面积的减少和耕地面积的增加对径流深递减的影响较为明显,但面上降水量与径流深的