渾河流域水文水資源響應(yīng)變化趨勢研究

崔舒穎

（遼寧省撫順?biāo)木?，遼寧 撫順 113008）

渾河流域是我國東北地區(qū)重要的工業(yè)基地和農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)基地之一，流域內(nèi)人口密度大且城鎮(zhèn)化率高，對推動全省經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要作用。然而，受各種不利因素影響，渾河流域出現(xiàn)水生態(tài)環(huán)境不斷惡化、水體嚴(yán)重污染、水資源供給壓力大、水資源時空分布不均衡以及洪水災(zāi)害頻發(fā)等諸多問題，對科學(xué)判斷和準(zhǔn)確預(yù)測未來水資源變化趨勢及干旱洪澇等自然災(zāi)害造成較大壓力，不利于經(jīng)濟(jì)社會與資源環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展[1]。因此，為揭示水資源演變規(guī)律，準(zhǔn)確識別關(guān)鍵性驅(qū)動因子，全面掌握流域水文演化機(jī)制，切實提升洪澇災(zāi)害防御及預(yù)測能力，有必要量化計算和精準(zhǔn)識別水資源響應(yīng)變化趨勢及其驅(qū)動因子。

目前，我國許多學(xué)者研究探討了流域洪澇災(zāi)害的致災(zāi)因子，結(jié)果發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致流域洪澇災(zāi)害發(fā)生概率增大的關(guān)鍵因素是氣候變暖引起降雨量增多，而改變流域水文水資源的主要因素是各類工程建設(shè)以及林草植被破壞等人類活動[2]。鑒于此，文章結(jié)合現(xiàn)有研究成果以及流域內(nèi)實際情況，采用雙累積曲線法和敏感性系數(shù)法定量計算分析1985-2020 年間渾河流域水文水資源對人類活動、氣候變化的響應(yīng)過程，并進(jìn)一步驗證兩種方法的定量分析結(jié)果。

1 流域概況

渾河流域是全省水資源最豐富的內(nèi)河，也是獨立入海河流。渾河全長415km，流域面積2.5 萬km2，屬于不對稱水系。渾河主要流經(jīng)遼寧中部城市群，人口稠密，傳統(tǒng)重工業(yè)發(fā)達(dá)，隨著遼河徑流量的持續(xù)減少以及古源西遼河斷流干涸，渾河及其支流太子河承擔(dān)著中部城市群幾乎所有的供水任務(wù)。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

水文循環(huán)參數(shù)的合理選擇是保證評價結(jié)果科學(xué)準(zhǔn)確的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，文章結(jié)合營口水文站的地貌形態(tài)特征及渾河流域水文資料選擇3 個代表性水文循環(huán)參數(shù)，即徑流量Q、蒸散發(fā)E0、降雨量P，深入探討關(guān)鍵性驅(qū)動因子對改變水文水資源演化的作用機(jī)制。

蒸散發(fā)和降雨量數(shù)據(jù)來源于遼寧省氣象監(jiān)測站，采用反距離權(quán)重插值法計算流域內(nèi)各點的潛在蒸散發(fā)和降雨量，以平均值作為最終計算結(jié)果；流域內(nèi)的徑流量數(shù)據(jù)來源于營口水文站相關(guān)監(jiān)測資料，年數(shù)據(jù)序列取1985-2020 年。首先，簡要分析敏感性系數(shù)法和雙累積曲線法的計算過程及其基本原理，然后利用渾河流域的徑流序列、蒸散發(fā)以及降雨量等要素揭示其水文變化規(guī)律，并確定人類活動作用下（變化期）與自然狀態(tài)下（基準(zhǔn)期）水資源改變分界點。

2.2 敏感性系數(shù)法

敏感性分析法主要是遵循水量平衡原則來計算不同氣候條件下的徑流量，從而反映徑流對氣候變化的響應(yīng)特征，水量平衡的數(shù)學(xué)計算式為：

式中：E、△S為流域的蒸散發(fā)量和蓄水量變化值，若時間序列較長則蓄水量變化值可以取0。然后利用下式計算氣候變化所產(chǎn)生的蒸散發(fā)與降雨量之間的關(guān)系，即：

式中：ω為植被相關(guān)系數(shù)。

依據(jù)計算經(jīng)驗和相關(guān)資料，在年徑流量變幅不超過50%的情況下，可以不考慮流量受其它因素的影響變化，采用蒸散發(fā)與降雨量的相對變化之差確定流域的徑流量變化值，具體計算方法為：

式中：Qclim為流域徑流量受氣候變化影響的變化值；△E0、△P為蒸散發(fā)和降雨量產(chǎn)生的徑流量相對變化值；γ、β為蒸散發(fā)和降雨量敏感性系數(shù)，可利用公式（4）計算確定：

式中：x為干燥系數(shù)，可利用E0/P計算確定。

2.3 雙累積曲線法

采用雙累積曲線的偏移特性可以反映水文序列的一致性特征，在不同因素作用下水文序列的變化情況可以用累積曲線形狀特征來描述，其主要原理就是利用相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)建立水文過程與人類活動的相互作用關(guān)系，可利用下式表示各水文要素在基準(zhǔn)期的線性關(guān)系，即：

式中：∑Q、∑P為累積徑流量和降雨量；k、b為計算參數(shù)。

在各種人類活動影響和自然狀態(tài)下，設(shè)定各演變期內(nèi)渾河流域的氣候變化步調(diào)相同，則通過計算實測與模擬徑流量的差值即可反映水文水資源徑流量對人類活動的響應(yīng)變化情況，其表達(dá)式為：

通過計算基準(zhǔn)期與變化期實測徑流量的差值即可反映渾河流域水資源徑流量對氣候變化、人類活動共同作用下的響應(yīng)變化量，其表達(dá)式為：

式中： ?Qhuman、?Q為人類活動及其與氣候變化共同作用下的徑流變化量；mean為計算平均值；Q2c、Q2m、Q1m為變化期流域模擬、實測徑流量和基準(zhǔn)期實測徑流量。

3 結(jié)果與分析

3.1 水文序列變化

依據(jù)1985-2020 年水文序列統(tǒng)計數(shù)據(jù)，研究期間渾河流域的蒸散發(fā)、降雨量以及徑流量序列均呈明顯下降趨勢；結(jié)合徑流變化量計算結(jié)果，2013年之前渾河流域的蒸散發(fā)和徑流量呈現(xiàn)出波動上升的變化趨勢，而2013 年后逐漸表現(xiàn)出顯著下降趨勢，且降雨量變化規(guī)律不明顯[3]。采用敏感性系數(shù)法計算分析各水文要素的敏感性特征，如表1 所示。結(jié)果顯示水文序列期間蒸散發(fā)和降雨量均表現(xiàn)出減少趨勢，并且降雨量的規(guī)律性變化不明顯。

表1 蒸散發(fā)、降雨及徑流量序列敏感性

依據(jù)以上計算結(jié)果，2008年渾河流域的徑流量、降雨量序列出現(xiàn)明顯改變，因此以2008 年作為渾河流域水文序列分界點，即1985-2007 年屬于該流域自然狀態(tài)的基準(zhǔn)期、2009-2020 年屬于人類活動作用的變化期。人類活動作用時期相較于自然狀態(tài)下渾河的蒸散發(fā)、降雨量、徑流量依次減小18%、12%、25%。

3.2 水文水資源響應(yīng)

采用敏感性系數(shù)法定量計算渾河流域各水文要素對人類活動、氣候變化的響應(yīng)特征，如表2 所示。結(jié)果顯示，變化期相較于基準(zhǔn)期渾河流域的徑流量、蒸散發(fā)以及降雨量依次減少125.1mm、116.8mm、170.6mm；基準(zhǔn)期和變化期的流域干燥系數(shù)依次為0.52、0.46，降雨與蒸散發(fā)之間的比值依次為0.48、0.58，水文水資源干燥系數(shù)受氣候變化、人類活動的共同影響減小11.5%，而降雨與蒸散發(fā)的比值提高20.8%。依據(jù)渾河流域地貌形態(tài)有關(guān)資料，以林草植被為主要覆蓋物，故植被相關(guān)系數(shù)ω 取2.1，計算敏感系數(shù)和貢獻(xiàn)率，如表2 所示。結(jié)果表明，受氣候變化、人類活動影響渾河流域模擬徑流量減少75.0mm 和95.6mm，所對應(yīng)的貢獻(xiàn)率為44%和56%。

表2 蒸散發(fā)、降雨量及徑流量響應(yīng)變化量

采用雙累積曲線法計算基準(zhǔn)期、變化期流域的徑流量，如表3 所示。結(jié)果顯示，2008 年渾河流域的徑流與降雨量雙累積曲線出現(xiàn)明顯偏移，這與分界點計算結(jié)果保持較好一致性，然后將基準(zhǔn)期的降雨徑流關(guān)系系數(shù)0.9952 代入前文所述公式計算確定變化期模擬徑流量。結(jié)果顯示，模擬與實測徑流量之間的差距不斷增加，說明人類活動對徑流量的影響作用逐漸減弱，氣候變化和人類活動減少的徑流量為17.5mm、96.9mm，所對應(yīng)的貢獻(xiàn)率為35%、65%。

表3 雙累積曲線計算的徑流變化量

從表3 可以看出，基準(zhǔn)期和變化期渾河流域的徑流量變化值為17.5mm、96.9mm。為了保證計算結(jié)果的精準(zhǔn)度，進(jìn)一步減少變化期較基準(zhǔn)期的計算誤差，考慮將基準(zhǔn)期模擬徑流量減去平均誤差，即采用簡單誤差傳遞法對模擬徑流量進(jìn)行調(diào)整，在此基礎(chǔ)上將基準(zhǔn)期誤差向變化期轉(zhuǎn)移。經(jīng)誤差處理，基準(zhǔn)期實測與模擬流量雙累積曲線計算結(jié)果與之前基本一致，將雙累積曲線計算結(jié)果經(jīng)簡單誤差法處理，如表4 所示。結(jié)果表明，經(jīng)簡單誤差處理后人類活動所減少的徑流量為86.2mm，氣候變化和人類活動減少的徑流量貢獻(xiàn)率為39%、61%，較簡單誤差處理前人類活動貢獻(xiàn)率下降4%，該計算結(jié)果與實際情況相符。

表4 經(jīng)誤差傳遞法處理的徑流變化量

4 結(jié) 論

1）水文序列時段內(nèi)渾河流域的蒸散發(fā)和降雨量表現(xiàn)出減少趨勢，并且降雨量變化規(guī)律不明顯，2008 年渾河流域的徑流量、降雨量序列出現(xiàn)明顯改變，故以2008 年作為渾河流域水文序列分界點。

2） 變化期相較于基準(zhǔn)期，渾河流域的徑流量、蒸散發(fā)以及降雨量有所減少，受氣候變化、人類活動影響渾河流域徑流量逐漸減少，所對應(yīng)的貢獻(xiàn)率為44%和56%。將雙累積曲線計算結(jié)果利用簡單誤差法進(jìn)行處理，結(jié)果顯示氣候變化和人類活動減少的徑流量貢獻(xiàn)率為39%、61%，較簡單誤差處理前人類活動貢獻(xiàn)率下降4%，這與實際情況更加符合。