徑流系數影響因素分析

賴春羊， 鄭哲韜， 邱潔坤， 鮮 冰

(四川農業大學， 四川 雅安 625014)

0 前 言

徑流系數是水文學中的概念，是指時段內流域徑流量R與同期降水量P的比值，公式為：a=R/P[1]。由于流域特征變化以及不同時期降雨特征的差異，徑流系數在不同年份里有所不同，具有不確定性。但是多年平均的徑流系數則相對穩定，可以很好地表征流域內的水循環特點，以及水文特征的時空變化，因此，徑流系數得到了廣泛的應用，并成為國內外學者的研究重點。有學者認為，徑流系數作為一種隨機變量，能較好地反映流域氣候物理機制[1-2]。目前，關于徑流系數的影響因素，國內外學者的研究結論較為一致，即：徑流系數主要受流域地形地貌特征、下墊面狀況及氣候因素的影響。比如，郭華等注意到1995～2002年中，潘陽湖流域的徑流系數出現了顯著變化，且變化具有顯著的突變性和階段性。通過研究1955～2002年間潘陽湖流域的氣象資料，發現該時期內的徑流系數變化趨勢以及突變點與氣候因子的變化吻合，從而得出氣候因素仍是影響流域降雨徑流系數的主要因素[1]。而劉健等對近50年潘陽湖流域徑流變化特征進行研究，也得出了相同的結論[3]。宮愛璽等則選取了大清河水系并利用多元線性回歸分析方法，對大清河的四個子流域(紫荊關、城頭會、阜平和張坊)近50年的降雨資料進行研究，結果指出降雨因素對于徑流系數的變化影響最大，同時下墊面變化也對年徑流系數產生一定的影響，尤其是草地、耕地和建設用地的變化對年徑流系數影響較為明顯[4]。

由此可見，氣候因素和流域特征因素是影響流域降雨徑流系數的主要方面，本文將從這兩個方面分別總結前人的研究，為進一步分析徑流系數的影響因素提供參考。

1 氣候因素

大多數學者認為氣候因素對于流域降雨產流、流域降雨徑流系數起到主要的作用。比如Chen L等通過研究黃河發源地的氣候因素對徑流系數的影響，發現降雨和溫度是影響徑流系數的主要因素[5]。郭華等[1]，劉健等[3]則通過對潘陽湖流域近50年的水文氣象資料研究分析發現了相同的結果。

氣候因素對徑流系數的影響，國內外學者研究較多，基本上是通過對已有水文氣象資料的分析或人工模擬的方法進行分析研究。其中對于氣候因素中的降雨量、雨強、降雨歷時、蒸發量等的研究較多。郭華等基于1955～2002年潘陽湖流域的資料，利用奇異譜分析方法(SSA，Singular Spectrum Analysis)，以10 a為嵌入維數，并通過重建序列趨勢項消除數據噪音的方法，研究了資料中數據突變的原因，并利用CUSUM統計量和“解靴”算法進行了顯著性水平檢測，結果發現降水量與流域內各小流域徑流系數的相關性均達到了顯著相關的水平，蒸發量對于徑流系數也具有一定的影響，但明顯較降水量弱[1]。鄧珺麗等則利用1967～2006年太子河流域的氣象水文資料分析了太子河流域6個主要支流中，氣候因素對流域與徑流系數的影響，結果顯示年降水量對年徑流系數影響極為顯著[6]。宮愛璽等選取大清河水系的4個典型子流域，運用滑動平均和M-K檢驗分析了大清河流域的年徑流系數變化趨勢和突變特點，結果顯示降雨因素是徑流系數變化的主導因素[4]。魏小燕等通過人工模擬降雨的方法，研究了高羊茅草地地表徑流系數的影響因素，結果指出雨強與徑流系數相關[7]。李廣等同樣用人工降雨模擬器，定量研究了黃土丘陵區降雨雨強對徑流系數的影響，結果表明雨強與徑流系數呈負指數函數關系[8]。孫明等則利用太谷均衡實驗站的資料分析得出降雨極值強度與徑流系數呈顯著的線性相關，且徑流量的大小主要取決于降雨極值強度[9]。王兆禮等則通過分析東江流域1956～2005年的水文氣象資料指出降水和蒸發是影響流域徑流系數的主要氣候因素[10]。許申來等研究岷江上游黑水河流域相關資料后得出了相同的結論[11]。可見對于氣候因素對于徑流系數的影響，目前研究較多而且結果也較為一致[12-14]。鑒于流域徑流系數與氣候因素存在緊密聯系，徑流系數在流域水文預報中得到廣泛運用，如田永宏等分析黃丘一區的暴雨洪水資料后指出降雨量、雨強、降雨過程是決定流域產流的主要因素，并建立了小流域一次降雨條件下的產流計算式：M=B0IB1PB2。其中，M為一次降雨流域產流模數，P為一次降雨的雨量，I為一次降雨的權重降雨強度，B是與下墊面條件有關的小流域產流系數[15]。

2 流域特征因素

流域特征對產流過程具有較大的影響，從而影響到流域徑流系數。武晟等利用模擬降雨系統，研究了城市中幾種典型下墊面對徑流系數的影響，結果指出在相同降雨條件下，3種弱透水性下墊面按徑流系數由大到小依次為：不透水磚、SBS、水泥路面[16]。宮愛璽等通過對大清河水系典型子流域的研究也表明草地、耕地和建設用地的面積變化對徑流系數具有一定的影響[4]。對于流域特征因素，國內外學者研究較多的有植被覆蓋率、植被類型、土地利用類型、坡度、溝道密度等。其中對植被的影響研究最多，相關文獻豐富，主要涉及植被覆蓋率、植被類型等對產流的影響。Kang S等研究了裸土及不同植被覆蓋率和耕作方式下各種坡度坡長上的降雨徑流關系[17]。李文華等[18]、石培禮等[19]也對植被覆蓋率對產流的影響進行了研究。吳希媛等通過模擬降雨實驗，研究得出植被覆蓋率隨植被類型和植被生長階段的不同而變化，而不同的植被覆蓋率對入滲和徑流產生影響的途徑不同[13]。魏小燕等則通過研究高羊茅草地在不同覆蓋率下的徑流系數并與裸地作對照，得出覆蓋率對流域產流有影響，且高羊茅草地地表徑流系數隨著覆蓋率的增加而降低[7]。王兆禮等在對東江流域的研究中也指出植被覆蓋率對徑流系數起到間接影響的作用[10]。張喜等則采用了固定樣地定位監測的方法，對黔中喀斯特山地不同森林類型對地表徑流的影響進行了研究，得出不同森林類型與覆蓋度對徑流系數均有影響，且因降雨量的原因與季節變化有關系[20]。時忠杰等則利用GIS技術對寧夏六盤山區香水河小流域的資料進行研究，發現受植被類型的影響，徑流系數以人工林最大, 灌叢次之, 亞高山草甸最小[21]。張洪江等為了探討植被類型的影響，通過灰色理論對重慶縉云山不同植被類型的草本層蓋度、枯落物厚度、灌木層蓋度和郁閉度影響地表徑流的因素進行了灰關聯分析[22]。許申來等通過GIS技術，對岷江上游的黑水河流域進行了研究，探討了不同景觀結構小流域的多年平均徑流系數，得出不同土地利用類型組合下徑流系數的大小關系[11]。楊新兵等[23]、張發會等[24]更是從動態角度研究了植被變化對徑流系數的影響。除了對植被的影響進行了大量研究外，國內外學者還對其他流域特征因素的影響進行了研究。如李廣等利用人工降雨模擬器設計不同土地利用方式的區組實驗，研究了土地利用對產流的影響[8]。Basic F等分析了不同耕作方式下的徑流情況和土壤流失狀況[25]。許翼等研究指出，坡長和坡度對徑流系數有影響[12]。吳希媛等也得出了相同的結論[13]。

有學者就氣候因素和流域特征因素對徑流系數的影響進行了綜合的研究。宮愛璽等的研究指出產流過程是一個比較復雜的問題，徑流系數的大小與降雨量、植被、前期土壤濕度、土壤理化性質、地形地貌等因素密切相關[4]。王浩等則收集了黃土高原小流域有關資料，將流域面積、流域主溝道長度、主溝道比降、降雨量、降雨歷時、平均降雨強度、流量等因素與流域徑流系數進行了相關性分析，得出流域面積、流域狹長度、降雨量及平均雨強是影響小流域次降雨徑流深的主要因素，并用回歸分析的方法建立了徑流深預報模型。

除了氣候因素和流域特征因素外，還有學者指出流域徑流系數與人類的活動有關[6，15]。

3 結 語

徑流系數因為其重要的生產實踐意義，受到國內外學者的廣泛關注，也進行了大量的研究。通過本文的分析，目前研究結果大致可分為氣候因素和流域特征因素兩大類，其中主要研究的有氣候因素中的雨量、雨強、降雨歷時、蒸發，流域特征因素中的植被覆蓋、植被類型、坡度、坡長、流域形狀等。但由于受到多方面因素的影響，流域的產流過程十分復雜，單純從氣候因素或者流域特征因素，甚至是從其中的個別因子進行研究，無法準確地對流域徑流系數進行研究與預報，從而影響流域的水土保持、水資源管理等工作。放眼國內外的研究可以發現，學者們大多基于少數幾個因子對徑流系數進行研究，鮮有從多方面、多角度對流域降雨徑流系數進行研究的。因此本文列舉出目前研究較多的影響因素，以供下一步更加全面地對流域降雨徑流系數影響因素的研究。此外，流域徑流系數受流域各種因素影響，地域性極強，后續研究中，應著重關注各重點流域徑流系數相關研究，建立徑流系數預報模型，為流域水文預報、水資源管理等工作提供科學依據。