近30年来三江平原七里沁河水文过程研究

赵艳波 孙冬海 刘正茂,2

(1.黑龙江农垦勘测设计研究院 哈尔滨 150090;2.东北师范大学城市与环境科学学院.长春 130024)

1 引言

水文过程是流域内物质和能量流动的重要传输过程,水文过程能有效地反映一个流域的降水、下垫面变化及水资源的利用状况。水文过程是维持河流自身健康,以及下游湿地生态系统结构与功能发挥的重要自然过程。河流水文过程尽管表现出高度的非线性,但其变化特征能揭示流域景观结构的变化。

七里沁河是三江平原典型的山丘性河流,中上游是以山丘森林地为主,而下游以平原和沼泽湿地区为主。由于在二十世纪50～70年代,上游森林砍伐面积较大,并且开垦了大量的坡耕地;下游大面积的湿地被开垦成耕地,并且近10多年来旱地被大面积转变成水稻田,再加上防洪治涝水利工程的修建等人为因素的干扰,使得流域下垫面发生了较为明显的变化。

通过分析近30年七里沁河水文过程,基于流域景观结构的变化过程来阐明水文过程的变化原因,对于恢复和保护七里沁河独有的水文过程与特征,尤其是为挠力河下游湿地水文过程的修复与重建具有深远的意义。

2 研究区域概况

七里沁河位于黑龙江省三江平原东侧,发源于完达山脉东侧的神顶山北麓;河长75km,河道弯曲,坡降1/200～1/10000。七里沁河是挠力河的一级支流 (图1),宝清县与饶河县的界河。七里沁河流域面积1310km2。七里沁河中上游即红旗岭水文站控制集水区域内以森林地为主,据2005年遥感解译数据显示面积为1026.3km2,占集水区域面积的89.48%;下游地区为平原和湿地,面积约占七里沁河流域总面积的13.3%。七里沁河地处寒温带大陆季风气候区,多年平均气温2.7℃。年平均降水为572mm。多年平均水面蒸发量为628mm。结冰期长达150d～180d,最大冻深可达253cm。多年平均风速4m/s,最大风速 28m/s。多年平均封冻天数145d。

七里沁河所在流域有一处水文站,即红旗岭站(46°50′N,133°12′E), 其控 制 集水 面 积为1147km2,该站距七里沁河入挠力河口13km。目前观测项目有:水位、流量、冰情、降水等。1975年开始观测水位,1977年施测流量,1980年开始观测降水,观测项目从建站至今。集水区域内有河口、石场、红旗岭三个雨量站 (图1)。

图1 七里沁河集水区在挠力河流域的位置

3 数据来源及处理

3.1 数据来源

本研究中的水文与气象数据来源于佳木斯市水文局。降水量数据采用了河口、石场、红旗岭三个雨量站1956～2005年的数据。水文数据采用了红旗岭站1978～2005年的水位和流量观测数据。土地利用变化及覆被变化数据时间跨度为1954～2005年,共分为6个时间段,2005年、2000年、1995年、1986年、1976年和1954年。由于不同时期的数据源不同,所以处理的方式也不同:2005年为中巴卫星遥感数据,分辨率为23m,并附以一景Landsat ETM数据;1986年、1995年和2000年,采用 Landsat TM 卫星遥感影像,分辨率为30m;1976年采用了 MSS影像,分辨率为80m;所有数据都采用近红外、红光与绿光波段进行标准假彩色合成;1954年采用1︰100000地形图作为数据源。

3.2 数据分析及图件处理

面雨量的计算方法主要采用面积加权法进行计算。因研究区域内因为只有河口、石场、红旗岭三个雨量站有降水资料,基于各降水测站的控制范围,采用河口、石场、红旗岭面积权重系数为0.4、0.4和0.2进行面雨量的求算。径流深的计算方法,采用宝清水文站实测径流量与控制区域面积的比值得到。数据处理主要运ArcGIS9.2和Execel2003综合处理获得。图件处理主要采用Arc-GIS9.2和 AutoCAD2004、Excel2003和 MATLAB6.5进行绘制。

4 研究方法

(1)通过分析红旗岭站集水区域月平均面上降水与红旗岭站控制区域同期径流量月平均分配关系,来分析降水与径流的一致性。

(2)通过计算红旗岭水文站年内分配不均匀系数(CVy),来分析径流年分配不均匀性的变化趋。CVy能较为定量描述径流年内分配不均性。CVy的计算公式如下:

式中:K i为第i年各月径流量占年径流量的百分比,%;

K-为各月平均占全年百分比,K=8.33%;

(3)统计红旗岭站连底冻天数等参数来分析七里沁河冰冻季节的旱化趋势;选择典型年1995年和2005年红旗岭站4月至11月5日平均水位过程线,来分析七里沁河河流水位的涨退变化。

5 结果与分析

5.1 降水和径流的分配过程

通过分析七里沁河上红旗岭站集水区域1981～2000年面降水过程可知:红旗岭站7月、8月的面降水量较大 (图2);而同期红旗岭站月均流量可知:4月、5月、8月的流量最大 (图3)。

图2 集水区域月平均雨量站降水分配(1981-2000)

图3 集水区域月平均流量分配 (1981-2000)

图4 集水区域月平均雨量站降水分配 (1981-2000)

但从图2和图3可得出,红旗岭站月均最大流量与集水区域月均最大面降水量在时间上并不完全吻合。图2表明自1981-2000年期间,月均流量最大值出现在5月,而在此期间月均面降水量明显小于6月、7月、8月和9月。统计8月、9月、10月和11月四个月的面降水与8月、9月、10月和11月的月均流量整体上存在一致性。面降水和流量各自存在季节性分配不均匀性的同时,也存在降水量和流量在时间分配上的不完全一致性。因为红旗岭站集水区域以森林为主 (1954年森林面积占集水区的84.4%;1976年为90.4%;1995年为92.1%;2000年为90.8%;2005年为89.5%),冰雪融化是4和5月径流的主要来源,而4月和5月的径流包括11月至3月的以降雪为主的降水,据统计此段降水量达52mm左右,所以导致了春汛流量出现最大。

通过运用公式 (1)计算可知:自1980～2005年,红旗岭水文站控制区Cvy平均值为1.44,并且其变化趋势呈递增趋势 (图4),这表明Cvy增大。栾兆擎等 (2007)曾得出挠力河流域的菜咀子和宝清水文站Cvy也呈递增趋势。通过运用同样的方法分析,得知挠力河上游宝清水文站集水区域1961～2006年Cvy平均值为1.29、七星河上游保安水文站集水区域1961～2000年Cvy平均值为1.12、菜咀子水文站集水区域1961～2002年Cvy值为0.93。Cvy值与流域下垫面及用水状况是有关的,但集水区域内森林面积的比例能明显影响Cvy,一般随森林面积比重的增大,Cvy反而增大。据统计红旗岭站集水区域森林面积占了该区的84%(1954年)～92%(2005年),宝清站集水区内的森林面积占了该区的 50%(2005年)～60%(1954年),保安站集水区内森林面积占了该区的60%(2005年)～87%(1954年);菜咀子站集水区的森林面积占了该区的26%(2005年)～30%(1954年)。因森林能有效减少林区近地层或林下的风速,相对裸露的耕地来说,至少平均减少11～12月和1～3月期间4m/s～6m/s,这将大减少降落在林下的积雪在风力作用下以水蒸汽的形式进入大气,使得大部分降雪以冰雪融水径流形式在翌年4月和5月才能形成地表径流进入河流,所以森林面积越大的流域,4月和5月的径流总量占全年的比重越大。宝清站集水区森林面积的比例小于保安站集水区域的,但Cvy前者大于后者,这可能与宝清站上游龙头桥水库 (设计库容为6.145亿m3)自1999年开始蓄水调节径流有关。

图5 1990年和2005年4-11月5日平均水文过程线

图6 1979～2005年出现连底冻天数的变化过程

5.2 河流水位的变化过程

水位的节律变化对维持河流的健康至关重要。A.Barendregt(1995)认为湿地保护依赖于水位,尤其与湿地相连接河流的水变化对湿地物多样性保护相当关键。其实,一条河流的健康生命就在于有节律的水位变化。河流水位有节律的涨落,一方面反映了河流径流量的时空分配过程;另一方面因河流水位反复升降过程使得河滩地消落带季节性地出现,为河流水生生物的繁殖提供了场所。七里沁河洪水的涨落过程对下游挠力河湿地自然保护区的正常发育极为重要。但近些年来,其变化过程也在发生较为明显的变化 (图5)。由图5可知:2005年4～11月5日平均水位过程线比1990年升降速度明显增大。近年来,由于红旗岭站集水区修建了大量的水利工程,使得流域排水水文梯度增大,地表径流的集散过程加速。据调查,在1990s年代后期,红旗岭农场已在红旗岭站集水区修建了七里沁河堤防和越岭河堤防,累计长达23.2km(标准为十年一遇)修建了两条累计长达19.25km的排水沟,标准为三年一遇,这些水利工程的修建对加速流域地表径流的集散过程存在一定的贡献。另外,七里沁河的支流大牙克河右岸为高山,左岸筑有5年一遇标的防洪堤8.7km,使得天然河道在人为作用下沟渠化,增大了泄洪的速度。

经统计红旗岭站1977～2005年的水位记录数据显示:冻结季节,七里沁河在红旗岭站处平均水位呈下降趋势,主要体现在连底冻的天数呈增加趋势(图6)。而流域温度有上升的趋势,相反连底冻的天数在增加,表明河流水位过程线总体上有降低的趋势,尤其是在1月、2月、3月、4月和12月,说明河流的水位变化过程在向偏旱化的方向发展。

5.3 径流产汇变化过程

据统计红旗岭站1980～2005年的月均流量数据显示:月均流量是以5月为最大值,其次是4月和8月。该区处于我国高寒区,每完成一个水文周期要经过主汛期,积雪与冻土形成,积雪与冻土融化,然后再进入另一个主汛期三个阶段,使得径流的产汇过程变得相当复杂。如10月、11月、12月至翌年的3月期间的降水多以雨夹雪和固态降水为主,待来年4月份和5月份才以融雪径流的形式进入河流中。尽管7月份的降水量较大,而径流量并不大,这可能与集水区域植被生态耗水量增大,降低了土壤有效含水量有关的,因为土壤有效含水量的降低将减少径流深。

经统计2001～2005年内的7月和8月平均流量分别为5.5m3/s和7.1m3/s,较1978～2000年7月和8月平均值10.5m3/s和18.8m3/s分别减少了5.0m3/s和11.7m3/s。这与自2000年以来红旗岭站集水区内增加水稻田有关,而7月和8月恰是水稻高耗水的季节。截止2005年,红旗岭站集水区耕地42.2ha,占集水区面积比重的3.68%,水稻田面积已达318.03ha,占整个集水区耕地面积的0.27%,尽管比例相对较小,但由于在此集水区内灌溉水源为七里沁河,按灌溉定额按400m3/亩计,则现有水田每年消耗集水区内的地表径流量为0.02亿m3,且水稻田较旱田径流深明显减少,从原来平均199mm下降至80mm左右,这将减少径流量约37万m3。所以,近几年来集水区域内水田面积的增加,减少河流的径流量。

1950s和1970s时期,曾有大面积的林地被砍伐,而在1980s、1990s林地有明显的增加,但增加的林地主要以人工林为主。2002年前红旗岭农场在七里沁河流域上游通过毁林开垦坡耕地约4000ha。1978年集水区域面降水728.7mm,降水频率为6.5%,而年径流量为1.591亿 mm3;而1994年集水区降水量为 668.8mm,降水频率为19.4%,而年径流量为3.01亿mm3;1979年面降水量达578.7mm,降水频率为38.7%,而年径流量为1.525亿 m3;1995年集水区域面降水量为525.9mm,降水频率为61.3%,而年径流量为2.10亿mm3。由此,可见随着森林面积的减少,集水区域内的年径流量也明显减少;随着森林面积的增加,年径流量也增加。

6 结论及建议

(1)1979-2005年七里沁河径流年内分配不均匀系数 (Cvy)呈递增趋势;其水文过程的变化趋势已反映出河流的旱化发展趋势;同时也说明三江平原山丘区河流在朝加速旱化的方向发展。

(2)七里沁河作为山区性河流,其水文特征已明显反映出了其集水区域的下垫面环境已受到了人类的强烈干扰;同时体现出对三江平原气候变暖的响应。

(3)森林对七里沁河4月和5月径流量的产生具有较大的贡献作用,主要体现在增大4月和5月径流量在年内的分配比重。

(4)集水区内旱田转变成水田减少了七里沁河6-8月的月均流量,2001～2005年内的7月和8月平均流量较1978～2000年7月和8月平均流量值分别减少了5.0m3/s和11.7m3/s。

(5)为了防止七里沁河年径流量的减少,应当增加流域上游森林面积的比重。为了增加挠力河流域湿地水资源的补充量,应增大流域河流源头森林面积,减少中上游水稻田的种植面积。

1 A.Barendregt,M.J.Wassen&P.P.Schot.Hydrological Systems Beyond a Nature Reserve,the Major Problem in Wetland Conservation of Naardermeer(the Netherlands).Biological Conservation,1995,(72):393-405.

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