基于多元统计分析的喀斯特流域枯季最小日流量预测

基于多元统计分析的喀斯特流域枯季最小日流量预测

1枯季径流规律授粉盆地是指由特殊的水处理介质（可溶岩的双重水处理介质）和特殊的流域边界（地表和地下的双重水处理通道）组成的区域综合体。独特的地形、水系结构和水文动态过程与地域一体化。因此,喀斯特流域与正常流域特别是湿润地区常态流域相比,其流域空间的结构、水系的发育、地貌景观的形成和水文动态规律都有鲜明的差别。这种差异正是由于喀斯特流域独特的结构及由它所产生的功能效应所致,其中之一就表现在喀斯特流域的枯季径流规律上。对喀斯特地区的枯水规律,前人曾做过不少研究。枯季径流的影响因素除气候以外,下垫面因素也是其中重要因素之一。本文拟借助于GIS软件,从下垫面因素入手,分析空间尺度、岩性、地貌类型、森林植被等自然因素对喀斯特流域枯季径流的影响,以揭示出喀斯特流域的特殊介质结构及地貌类型对枯季径流影响的规律,为喀斯特地区水资源的评价利用等提供依据。2方法和数据的来源2.1基于arcwell软件的地质测量数据库的建立方法地理信息系统(GIS)是近几十年发展起来的地理研究的新技术,是一种收集、存储、处理和显示地理空间数据及其非空间属性的计算机工具,其核心是由数据库管理系统、图像处理和空间分析工具三个基本部分构成,具有地域综合、空间分析、动态预测、图形处理等多项功能,目前已在许多领域广泛地应用。地理信息系统软件Arcview是一种功能较为先进的软件,该软件可以进行空间分析、地址匹配、可生成和编辑属性数据以及提供专题制图等功能。本文正是利用了Arcview的空间分析功能来建立所需要的数据库。具体方法是:把1∶20万的贵州省综合水文地质图扫描并经Photoshop图像处理,再利用Arcview软件确定各流域的面积数据、流域内的各岩组面积数据,最后根据1∶10万的贵州省地形图,确定各流域的地貌类型及其所占的比例,建立相应的数据库。通过对流域下垫面各组成要素的定量分析,使下垫面类型的划分更具有科学性和真实性,从而直观形象地展现研究区下垫面的基本特征,达到定量分析之目的。2.2水文断面和流域根据贵州省水文总站整编的《贵州省历年水文特征值统计资料》,选用了其中观测年数在10年以上的水文断面共30个。流域面积一般以中小流域为主。森林植被覆盖率资料来源于《贵州省森林资源地域分布情况》(屠玉麟等),其余资料利用Arcview软件在贵州省综合水文地质图上获取。3复杂多样的植被、土壤、复杂的植被、土壤等复杂的土壤喀斯特流域的下垫面因素,如岩性、地质构造、地貌类型、植被土壤等复杂多样,即使是在一个很小的流域内下垫面的因素很难单一。在众多的影响因素中,地质、地貌等对喀斯特流域枯季径流的影响特别明显。3.1枯水退水规律流域面积是枯水径流预测的最有效的因素,流域的空间尺度与枯水流量的相关程度(取对数后的线性相关)很高(R=0.9128);在岩性方面,以灰岩为主的流域的各相应计算时段的枯季径流模数最小,以白云岩为主的流域枯季径流模数最大,以灰岩和白云岩混合的流域枯季径流模数居中。岩性对枯水退水过程有较大的影响,致使喀斯特地下水的衰减近似地表现出三个亚区:第Ⅰ亚区代表管道级别的地下水,退水系数较大,第Ⅱ、Ⅲ亚区分别反映了裂隙级和孔隙级的衰减过程,退水系数较小。由于前人对空间尺度、岩性对枯季径流影响已做过较多的研究,下面着重分析喀斯特流域的地貌类型对枯季径流的影响。3.2水文效应机制由于喀斯特流域岩性不同,其所发育的地貌类型也不同。流域不同喀斯特地貌结构对水文的产、汇流和径流过程将会产生不同的效应,这已被国内外许多研究所解释。而喀斯特流域地貌的水文效应实质是水文形成和径流过程对流域地貌结构产生的导、滞、蓄的状态响应。从这一点出发,地貌类型的差异也将导致不同流域枯水特性,现从以下两个方面进行探讨。3.2.1枯季径流特征选择两个流域荔波站(喀斯特地貌)和寨蒿站(非喀斯特地貌)。这两个流域位于贵州省东南部,气候条件基本相同,且森林覆盖率也相差不大。利用Arcview软件在贵州省综合水文地质图上提取所需的信息,即流域内的各地貌类型,生成专题地图,由Layout进行图像显示,如图1所示。荔波站所控制的流域,以喀斯特地貌类型为主,有峰丛洼地、峰丛谷地、峰林溶原、半喀斯特低、中山,其中以峰丛谷地为主,面积占42.62%。而寨蒿站流域,基本以非喀斯特地貌浅切低山为主。两者所产生的枯季径流特征如表1所示。从表1中可以看出:喀斯特流域所控制的流域枯季最小日、旬、月径流量和径流模数较非喀斯特流域小,而枯季最小日、旬、月径流变差系数比非喀斯特流域大。3.2.2半喀斯特地貌类型在流域中所占面积的统计结果由于喀斯特地区有峰丛洼地、峰丛谷地、峰林溶原(盆地)、峰林谷地、以及半喀斯特等多种地貌类型,这些喀斯特地貌类型的差异性也会影响枯季径流的特征值。在30个样区中选择织金、荔波等四个流域分别代表典型的峰丛洼地、峰丛谷地、峰林溶原(盆地)、和半喀斯特地貌类型,对其地貌类型在流域中所占的面积进行统计,并与其枯水特征值对比,结果如表2所示。从统计结果来看,第一,在喀斯特地貌类型中,以峰丛洼地为主的流域,各响应计算时段的枯季径流模数最小,以峰林溶源(盆地)为主的流域,枯季径流模数相对较大;第二,当流域中具有较多的不纯的碳酸盐岩或碳酸盐岩与非碳酸盐岩相互交错在一起时(即半喀斯特类型),有时反而具有较大的枯季径流模数;第三,各计算时段的枯季径流变差系数在峰丛地貌地区较大,而在峰林溶原地区较小。显然如果仅仅依靠以上四个流域尚不能说明这些规律的普遍性,但是作者通过对30个样区,利用Arcview软件计算流域中各地貌类型的面积及其百分比,再通过多元统计进行聚类分析,发现各地貌类型与其枯水径流特征值的关系规律与上述也是一致的。3.4森林植被对河流径流的影响森林植被影响水文过程、促进降雨再分配、影响土壤水分运动、改变产流汇流条件,进而在一定程度上起到削减洪峰、增加枯水径流,控制土壤侵蚀,改善河流水质的作用。从国内外研究来看,森林植被对河流径流的影响存在着不同的结论,张福义认为植被率大的流域,其枯季径流一般较大而稳定;而Hornbeck.J.W(1970)在新英格兰进行了实验结果表明,当流域的植被被清除或阻止植被生长时,流域的年径流量会增加,而且所增加的量主要发生在枯季。在喀斯特流域,森林植被的变化如何影响枯季的径流量,至今还未见研究。由于喀斯特流域的下垫面因素较复杂,从单一的植被因素分析其对枯季径流的影响,误差将会较大,因此,本文在考虑各因素对枯季径流的影响时,也考虑了植被的作用。4上地壳下低水势梯度模型从以上单因素对枯季径流的影响分析结果可以看出,各因素对枯季径流量并不是呈明显的线性关系。由于各因素之间相互影响,相互制约,共同影响着枯季径流量,因此一些研究者曾定性地描述了影响枯季径流的各自然因素,或分别以地貌、地质、气候和地形等作为参数建立枯系径流流域水文模型,而RichardMVegel(1992)则从地质水文的角度建立如下的数学模型:Qd,T=b0X1b1X2b2X3b3(1)Qd,T—T年中d天的最小枯季径流量;Xi-流域的特征值;bi—参数该模型反映了在各因素共同对枯季径流量的影响。利用该模型可以对枯季经流进行枯水预测。基于上述模型,本文选择流域面积(X1)、碳酸岩面积在流域中的百分比(X2)、主要地貌类型在流域中的百分比(X3)和森林覆盖率(X4)四个特征值来计算流域多年平均最小日流量(Qo),其数学模型如下:Q0=b0X1b1X2b2X3b3X4b4(2)对方程(2)两边取对数,转化为多元线性回归方程:LnQ0=Lnb0+b1LnX1+b2LnX2+b3LnX3+b4LnX4(3)利用最小二乘法原理进行参数bi估计。原始数据主要利用Arcview软件从水文地质图上获取,建立数据库(如表3中的第5～7栏),根据样本的特性,现将流域分为峰丛和峰林两大地貌类型区来建立数学模型。把表3的数据按方程(3)进行转化,再利用SPSS软件进行多元统计,计算结果如下:峰丛地区:LnQ0=1.075LnX1+0.859LnX2-0.431LnX3-0.191LnX4-0.961Q0=0.383X11.075X20.859X3-0.431X4-0.191(4)峰林地区:LnQ0=1.357LnX1-1.219LnX2+1.041LnX3-0.167LnX4-0.0177Q0=0.982X11.357X2-1.219X31.041X4-0.167(5)为了判定回归方程(4)和(5)所有的自变量对因变量的影响的显著性,本文采用F检验,由SPSS计算的F值与对于给定置信度α(α=0.05)所查出的临界值进行比较:F峰丛=6.8>f(4,6)=4.5F峰林=20.23>f(4,3)=9.12由此可以看出,上述两方程中个各自变量X对Q0的影响是显著的,而且它们的多元相关系数R2分别为0.82和0.96。这说明在喀斯特地区,各下垫面因素对枯季最小日流量有着显著性影响。当然,在不同的流域,由于地质、地形、地貌等因素的不同,其对枯季径流影响的程度不同。从检验的结果和多元相关系数来看,方程(5)要比方程(4)的可靠性更高,由此可以认为在峰丛地区影响枯季最小日径流量的因素要比峰林地区复杂得多。另外,利用方程(4)和(5)可以对无观测站地区进行枯季最小日流量估计或预测。5垫面及地貌(1)喀斯特流域内的空间尺度、岩性和地貌类型等各自然因素对枯