渾河水文要素改變度評估指標的建立與應用探討

陳媛媛

(遼寧河庫管服務中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

0 前 言

渾河作為遼河最大支流，其流域內河流眾多，水系較為復雜，其中流域面積10km2以上一級支流54條，二級支流條173條，三級支流222條，四級支流118條，五級支流14條。流域面積大于5000km2的河流有1條，1000-5000km2的河流6條，100-1000km2的河流63條，50-100km2的河流65條，10-50km2的河流446條，在這些河流中平原水網區3個，平原河流72條[1]。受人類活動和氣候變化影響，渾河流域水文要素特征發生了較為顯著的變化[2]。受到水文要素變化影響，渾河流域河道功能也發生了不同程度的改變，為定量對河流水文要素改變度進行研究，國內許多學者都致力于構建定量評估指標分析其改變度[3-9]，但這些指標大都采用單一指標進行評估，而未能考慮水文要素多個指標改變度的評估。為此文章從徑流、泥沙、洪水三種特征值建立水文要素改變度評估指標，并采用當前在國內水資源改變度評估領域應用較好的模糊數學模型[10-15]，對渾河流域進行水文要素綜合改變度的評估。

1 評估方法

1.1 評估指標

為對河道水文要素改變度進行綜合評估，從全面反映河道水文要素特征中選取具有代表性的評價因子，此外綜合考慮指標確定的難易程度，確定評估指標，如表1所示。

表1 河道水文要素改變度評估指標

1.2 評估方法

主要采用模糊數學模型對河流水文要素改變度進行評估，模型將水文要素改變度表征為統計變量xi，假定xi在[ai，bi]進行取值。則其在天然對比期統計變量為xi,0，要素統計量xt,0為t時段的統計變量。若該統計變量降低是則表示河流出現水文要素的改變，水文要素改變度計算方程為：

(1)

若該指標增加，則表示河流呈現發育狀態，水文要素改變度計算方程為：

(2)

在上述方程中時段t的第i個指標的改變度為Di,t，第i指標的取值范圍在[ai,bi]之間，i=1,2,……n。當計算的Di,t<0時，則表示為河流出現改變，當Di,t計算值>0時，則表示為河流未出現改變狀況。為對水文要素改變度進行綜合評估，本文對河流的不同指標要素進行組合，則時段t的組合指為：

Xt=[x1,tx2,tΛxn,t]

(3)

結合方程(1)或者(2)對時段t內的第i個指標的改變度Di,t進行計算，則時段t內的改變度Di方程為：

(4)

方程中綜合改變度中不同指標的權重為ω。本文對不同指標權重主要采用二元比較法進行確定。二元比較法各指標相對權重如表2所示。

表2 二元比較法各指標相對權重

為對水文要素改變度進行定量綜合評估，需要對不同程度改變度Di進行等級劃分，結合相關研究成果[14-15]，對河流水文要素改變度等級進行劃分，如表3所示。

表3 河道水文要素改變度評估等級劃分標準

2 渾河水文要素改變度評估

2.1 評估河段

選取渾河上、中、下河段進行水文要素改變度的評估，評估河段及數據概況如表4所示。

表4 研究河段及資料情況

2.2 評價指標及閾值分析

分別結合年最大洪峰、年輸水量以及年平均流量作為徑流、洪水、泥沙水文要素的評估特征指標，以1990年作為基準期，結合選定的北口前、撫順、邢家窩棚作為代表站，統計渾河上游、中游以及下游的河流水文特征評估指標及閾值的范圍，如表5所示。

表5 渾河不同評估河段不同年代水文要素特征統計值及閾值區間

在進行渾河上、中、下游河段水文特征指標中年均流量、年均輸沙量以及年最大洪峰流量時分別結合選取的北口前、撫順、邢家窩棚水文站統計的各指標系列最大值和最小值作為評估指標的閾值范圍。

2.3 水文要素改變度評估結果

以1990年作為標準時段，認為1990年以前遼寧省各典型河流處于天然狀況，分別對1990年以后到2017年期間以每10a作為一個標準計算時段，結合各研究站點水文數據，對其水文特征的改變度進行分析，分析結果如表6所示。

表6 水文特征指標改變度評估結果

以北口前站為例說明水文特征指標改變度計算過程，其水文特征在2010年-2017年的指標矩陣為Xt=[19.7 50.6 912]，則其水文特征在2010年-2017的指標邊界矩陣為：

采用公式(4)對其水文特征改變度進行評估矩陣的計算為DI,t=[-0.612 -0.835 -0.712]T。在水文特征指標中洪水權重一般高于泥沙，采用二元方法對各指標權重進行設定，得到不同指標的權重歸一化值：ω=[0.467 0.245 0.288]T，據此計算2010年-2017年北口前站斷面相比于1990年其水文特征改變度為-0.617，為高度改變。從分析結果可看出，渾河上、中、下游，總體在低度-高度改變變化之間，且在2010年以后基本處于中度-高度改變，這主要是因為從2010年以后渾河徑流和洪峰相比于1990年以前都有較為明顯的減少，尤其是洪峰值，相比于1990年以前，同一級洪量下洪峰遞減比例可達到20%左右。

3 主要結論

1)在水文特征指標中洪水權重一般高于泥沙，通過二元方法對各指標權重進行客觀設定，到洪水、徑流以及泥沙的歸一化權重值可分別為0.467、0.288、0.245。

2)由于2010年以后渾河徑流和洪峰相比于1990年以前都有較為明顯的減少，尤其是洪峰值，相比于1990年以前，同一級洪量下洪峰遞減比例可達到20%左右，使得渾河各河段水文要素從2010年以后基本處于中度-高度改變之間變化。