气候变化和人类活动对径流影响的模拟分析

气候变化和人类活动对径流影响的模拟分析

0沼泽化—引言三江平原位于黑龙江省东北部。是黑龙江省、松花江和乌苏里江交汇处形成的形成平原。总面积为10.89442公里，平原面积为6.674公里。这是中国典型的沼泽沼泽河流，在三江平原上有许多沼泽湿地。该盆地沼泽湿地面积较大。近50年来，随着气候变化和人类活动的影响，尤其是沼泽和沼气土地的大规模恢复，河流路径发生了重大变化。其发展过程涉及气候、地形、土壤和植被等自然条件和人类活动的影响。它不仅具有确定的规律，而且具有强烈的随机性。分析沼泽河流的径向特性，了解其发展规律和趋势。这不仅有助于深入了解沼泽和湿地的水循环和协调，而且对了解沼泽生态系统的结构和功能具有重要意义。同时，该流域湿地恢复对径向流发展的影响以及流域水资源的合理规划和利用提供了理论基础。1挠力河流域湿地自然条件.挠力河流域位于黑龙江省三江平原腹地,地处131°31′—134°10′E,45°43′—47°45′N,如图1所示.东南以完达山为界,向东与乌苏里江连接,总面积为24863km2.其中山地面积占总面积的38.3%,平原占61.7%.该流域包括16条主要河流,挠力河是其主流,发源于完达山脉,自西南流向东北,全长596km,上游山区支流众多,坡陡流急,中下游为平原区,多条河流在此汇合、漫散.气候属中温带大陆性季风气候,年均温1.6℃,1月平均气温-21.6℃,7月平均气温21.4℃,极端最低气温-42℃,极端最高气温36.6℃,年平均降水量565mm,蒸发量542.4mm.挠力河流域地势低平,平均海拔60m左右,广泛发育河漫滩,各种碟形洼地广泛分布,地表径流不畅,而且广泛分布的粘性土层阻碍地表水下渗,形成大面积沼泽,面积占三江平原的1/4强.独特的自然环境和气候条件,造就了该区丰富的湿地类型和独特的生态环境.尤其在广大的平原区域,宽广的河漫滩、阶地和山前倾斜平原上,发育形成了复杂多样的湿地类型.2数据来源和研究方法2.1年平均径流和年降雨数据本文重点对挠力河流域上游的宝清站(该站以上的集水面积为3689km2)和中游的菜嘴子站(该站以上的集水面积为20796km2)的径流量进行分析,采用的数据是这两站1956—2005年的实测逐日径流量资料,逐月平均径流量和逐年平均径流量.降雨量数据采用了宝清县气象站、友谊县气象站、富锦市气象站和饶河县气象站的1956—2005年的实测逐日降雨数据,数据由黑龙江省气象科学数据共享服务中心提供.2.2学习方法2.2.1时间序列材料Mann-Kendall突变检验法是检验时间序列数据突变的一种非参数方法,检验能力较强.其计算公式如下.tk=k∑i=1mi(2≤k≤n),(1)¯tk=E(tk)=k(k-1)4,(2)Var(tk)=k(k-1)(2k+5)72,(3)uk=tk-¯tk√Var(tk).(4)tk=∑i=1kmi(2≤k≤n),(1)tk¯¯¯=E(tk)=k(k−1)4,(2)Var(tk)=k(k−1)(2k+5)72,(3)uk=tk−tk¯¯¯Var(tk)√.(4)对于时间序列数据x1,x2,……,xn,mi表示第i个样本xi大于xj(2≤j≤n)的累计数,在原序列随机独立的前提下,给定一显著水平α0,当α1<α0时,拒绝原假设,表示序列存在着强的增长或减少趋势.所有uk组成一条曲线u1,当曲线u1超过信度线,即表示存在明显的变化趋势,把此法引入到时间序列数据的反序列中.得到另一条曲线u2,如果曲线u1和曲线u2的交叉点位于信度线之间,则认为是突变点的开始.2.2.2与径流的关系气候变化对径流量的影响估计常采用的一种方法是建立降雨与径流的经验关系,根据李丽娟等的研究成果,本文将降雨和径流的经验关系表述为Q′=a+bΡ(σ)c,(5)Q′=a+bP(σ)c,(5)式中Q′为计算的年径流量,P为年降雨量,σ是年内逐月降雨量的方差,a,b,c是通过基准期率定的三个常数项.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结果3.1径流变化的突变性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的Mann-Kendall的突变分析结果如图2,从图上可以看出两个站在1967年左右发生了一次突变,宝清站年平均径流量经历了下降—增长—下降的过程,但年平均径流量总体上是趋于下降的,菜嘴子站也经历了类似的过程,但增加的趋势并不明显.为进一步验证径流的突变特征,利用降水量-径流量双累积曲线验证了宝清站和菜嘴子站1956—2005年的径流变化的突变性.降水量-径流量双累积曲线通常情况下是一直线;如果流域下垫面或气候发生改变,则降水量-径流量双累积曲线会发生偏移.因此,可根据双累积曲线发生偏移的点,确定径流发生变化的年代.图3是宝清站和菜嘴子站1956—2005年累积径流量与降雨量的关系图,宝清站采用的降雨数据为宝清县气象站的降雨数据,菜嘴子站的降雨数据采用的是宝清县气象站、友谊县气象站、富锦市气象站和饶河县气象站降雨数据的平均值.从图上可以看出宝清站和菜嘴子站1956—2005年整个时期的径流量演变过程也可以分为两个阶段,基准期1956—1967年和变化期1968—2005年.从图3还可以看出,挠力河流域两个阶段的径流量与降雨量的累积曲线都是向右偏转的,说明两个阶段年径流量都是减少的,但变化期累积曲线向右偏转的程度要大于基准期的偏转程度,说明变化期相对于基准期来说,径流的减少趋势更为明显.从年均径流量的平均值也验证了这一点,宝清站两个时期的年平均径流总量分别是7.9×108m3和4.0×108m3,减少了49.4%;菜嘴子站两个时期的年平均径流总量分别是27.30×108m3和12.4×108m3,减少了54.6%.两个阶段的年径流变差系数也有不同程度的增加,宝清站增加了5.8%,菜嘴子站增加了29.7%,说明年径流的年际变化剧烈程度在增加,这将更不利于水资源的利用,而且洪涝灾害将更易发生,详细统计特征见表1.3.2年际变化期径流特征变化期内挠力河水文情势的年内分配情况也发生了较大变化,如图4.相比于基准期两个水文站1968—2005年阶段的径流量都有明显的减少,宝清站的最大减少量为51.9m3·s-1,菜嘴子站的最大减少量为127.1m3·s-1,如图4.在基准期(1956—1967年)宝清站的年内径流量分别在春季的5月份和夏季的8月份有两个峰值,在变化期(1967—2005年)只在8月份出现了一个明显的峰值.在基准期(1956—1967年)菜嘴子站的年内径流量分别在春季的5月份和夏季的10月份出现了两个峰值,而且在降雨量最大的8月径流量反而很低.这得益于分布于宝清站与菜嘴子站之间的大面积湿地的巨大蓄水功能,沼泽土壤的草根层和泥炭层具有巨大的持水与蓄水能力,有“生物蓄水库”之称,而随着湿地不断的被开垦为农田,变化期内的径流量年内分配发生了变化,主要表现在:径流量分别在5月份和9月份出现了一个峰值,夏季的径流量峰值出现时间比基准期的峰值出现时间提前了一个月;径流量的最低值出现在7月,也比基准期内的最低值出现时间提前了一个月.3.3年平均降雨为估算气候变化对年均径流量的影响,根据公式(5)对宝清站和菜嘴子站基准期的径流-降雨的经验关系进行参数估算,宝清站的逐月降雨方差是通过宝清气象站的逐日降雨数据计算得到,菜嘴子站采用的逐月降雨方差是宝清气象站、友谊县气象站、富锦市气象站和饶河县气象站逐月降雨方差的平均值,年平均降雨量也是该四站的年平均降雨量的平均值.通过上述方法建立的经验模型基本能反映径流-降雨之间的关系,相对于菜嘴子站,宝清站的经验模型更好的表达了径流-降雨间的经验关系,拟合度R2达0.89.利用建立的经验模型定量估算了变化期(1968—2005)的径流量变化的驱动力大小,计算结果如表2.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,其中由气候变化引起的年均径流量变化占40.5%,人类活动引起的占59.5%;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,其中由气候变化引起的年均径流量变化减少量为17.5m3/s,占总减少量的36.1%,人类活动引起年均径流量减少量占总减少量的63.9%.总体来看,挠力河流域两个水文站的径流量减少主要是由人类活动引起的,中游的菜嘴子站受人类活动的影响更大一些.4径流变差系数(1)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可分为两个阶段,分别为是基准期1956-1967年和变化期1968-2005年.挠力河流域年平均径流量的变化期与基准期相比,年平均径流量的年际变化和年内分配都发生了较大变化,主要体现在年平均径流量减少显著,两个站的年平均径流量减少量都在50%左右,径流变差系数也有不同程度的增长,其中菜嘴子站增长了近30%;年内分配变化主要体现在径流峰值上,菜嘴子的夏季径流峰值和最低值都较基准期提前了一个月的时间.(2)利用建立的径流-降雨经验模型对变化期的年均径流量研究发现,40%的径流减少量是由气候变化引起的,径流量的减少主要还是由人类活动引起的,中游的菜嘴子站受人类活动的影响更大一些.近50年来人类活动是挠力河流域下垫面变化的主要驱动力.建国以来,挠力河流域农业开发活动非常活跃,已经过4次