人类活动影响下水文要素变化特征分析

孟祥琴，郭红霞，乔光建

（1.河北省石家庄水文水资源勘测局，石家庄050051；2.邢台县水务局，河北邢台054001；3.河北省邢台水文水资源勘测局，河北邢台054000）

1 降水量变化特征及影响因素分析

1.1 降水量变化特征

利用朱庄水库流域内1956～2005年降水系列资料，计算不同时段降水量，分析其变化趋势［2］。以10年为一时段进行分析，统计结果见表1。

由表1可以看出，随着时间的推移，不同年代的月平均降水量呈递减趋势。为分析降水量年内变化情况，对流域内降水资料以1980年为分界线，用1980年以前和以后的两个时段进行分析，如图1。

由图1可以看出，降水量的减少主要发生在汛期7、8月份。根据两个时段资料分析，出现3月份和12月份的1980年以后的月平均值大于1980年以前的月平均值，其他月份均是1980年以后时段大于1980年以前的时段。而非汛期的降水量虽有影响，但对年总量的影响所占比例不大。

表1 不同年代月平均降水量统计 单位：mm

图1 朱庄水库流域内降水量1980年前后时段对比

1.2 降水量变化影响因素

利用朱庄水库流域内1956～2005年降雨量系列资料，分析其变化趋势见图2。

图2 朱庄水库流域年降水量变化过程线

由图2可以看出，1956～2007年降水量平均每年减少2.7mm。年际变化幅度较大，极值比5.49。最大值1724.3mm，出现在1963年；最小值314.2mm，出现在1972年。

2 径流量变化特征及影响因素

2.1 径流量变化特征

2.1.1 年内变化特征

该流域以雨水补给为主的河流，其河流的径流量变化是随降水量的季节变化而变化的，其季节变化取决于河流的水源补给［3］。采用朱庄站1953～2000年天然年径流量系列，计算不同年代及多年月平均径流量，并点绘曲线见图3。

由图3可知，朱庄站不同年代及多年平均的年内径流变化过程相似均为单峰型且峰值均出现在8月份。径流量年内分配不均，1～6月份径流量小且变化缓慢，7月份开始逐渐增加，8月份增加迅速达到最大值，9月份开始逐渐减小，10～12月份径流变化缓慢但量较1～6月份稍大。总体来看，年径流量主要集中在汛期的6～9月，尤其集中在7～8月，汛期6～9月的径流量占年径流量的70%～80%。

图3 不同时段多年月平均径流量年内分配示意

2.1.2 年际变化特征分析

对朱庄水库水文站1953～2010年天然年径流量系列进行统计分析，年最大径流量出现在1963年，其值16.4亿m3，年最小径流量出现在1999年，其值0.0823亿m3，其极值比198.5，年径流变差系数1.02，说明该区域径流量年际变化很大，朱庄区域径流量年际变化曲线见图4。

图4 年际变化过程线

由图4可知，根据1953～2010年资料系列分析，朱庄水利流域天然径流系列呈递减的趋势，平均每年减少0.0557亿m3。

2.2 径流变化成因分析

2.2.1 下垫面变化对径流量影响

根据长系列资料建立朱庄水库流域20世纪70年代以前和80年代以后两个时段的降水～径流相关曲线。朱庄水文站不同时段降水～径流相关图，见图5。

图5 降雨径流相关线

利用朱庄水库水文站实测资料，分析20世纪70年代以前和80年代以后降雨径流关系。当年降水量400mm时，则前后时段的径流进行比较，减少67.0%；当年降水量为600mm时，前后时段径流比较，减少37.5%；当年降水量800mm时，径流减少23.0%；当降水量1000mm时，径流减少15.0%。由于人类活动的影响，使流域的下垫面条件发生改变，使该流域的地下水补给条件、径流、排泄的规律发生了相应变化。

朱庄水库水文站监测的结果分析可以看出，随着年降水量的增大，前后不同时段径流量的变化率逐渐减小，其变化范围由67.7%逐渐过渡到15.0%，说明年降水量越小，流域下垫面对径流的影响程度就越大。

根据《邢台县水资源调查及水利区划报告》［4］、《邢台县水资源开发利用现状分析报告》［5］和《邢台县水资源评价》［6］计算成果，分别对朱庄水库流域1980年、1990年、2000年土地利用情况进行分析。

通过不同年代该流域土地利用变化情况对比分析，1990年和2000年耕地面积比1980年分别增加了17.1%和34.5%；林地面积分别增加了1.46%和2.45%。土地变化情况为草地面积减小，草地改造为耕地、梯田和林地。其他用地增加幅度较大，但该项用地仅占全流域面积的6%，相对影响较小。

荒坡地改为林地后，土壤在结构及地质方面均会得到改善，土壤的下渗能力及蓄水能力会有所增强［7］。林地对径流的影响为枝叶在降雨过程中可以截留一部分水分，这部分水分大部分要蒸发掉；有枯枝落叶和发达根系的林地，具有涵蓄一定水量的能力，其入渗能力比草地大，从而增加了降雨过程的入渗损失量。

林地面积变化不大，1990年比1980年增加了1.46%，2000年比1980年增加了2.45%。有调查资料显示，林地结构却发生了变化，果林面积增加幅度较大，2000年比1980年增加了20.8倍。人工林增加了将近3倍。而林地面积占流域总面积的80.4%，因而林地变化对该流域产流汇流影响较大。

随着山区经济发展，对山地的开发力度不断增大，该流域草地变化呈递减趋势，有3个不同典型年的资料分析，1990年比1980年减少了29.6%，2000年比1980年减少了50.6%。草地面积占全流域总面积的11.9%，该流域大力发展林果经济，利用荒山发展林果种植，使得草地减少的面积大部分用于果林和农田。这样，开发林地的结果导致增加了降水的入渗量，也将对产流、汇流过程产生影响，导致径流系数趋于减小。

山区开发过程中，居民建房用地、道路、村镇建设、河川、农村工矿企业也将逐渐增加，这些用地面积逐渐增大。1990年其他用地比1980年增加了36.4%，2000年其他用地比1980年增加了55.3%。城镇化建设过程对水文要素的影响主要表现为：在城镇化快速发展的情况下，流域内不透水面积大量增加，改变了产流汇流的过程和条件，造成地面入渗量减少，汇流速度加快，洪峰流量增大。

3 蒸发量变化特征及影响因素分析

3.1 水面蒸发量计算

本次分析计算采用E-601型蒸发器的系列观测资料。

E-601型蒸发器主要有蒸发桶、水圈、测针和溢流桶四部分组成［8］。蒸发量观测以8时为分界日，前1日8时至当日8时观测量为前1日的蒸发量。

根据E-601 1次总量的起止时间，计算出20cm口径蒸发皿同期的蒸发总量，用两者的总量，计算出20cm口径蒸发皿的折算系数。可计算出E-601型蒸发器的日蒸发量。

朱庄水库20cm 蒸发皿与E-601蒸发器蒸发折算系数见表2。

表2 20cm蒸发皿与E-601蒸发器蒸发折算系数

3.2 水面蒸发量变化趋势与年内分配特征

根据朱庄水库1981～2011年观测资料分析，多年平均值为1085.4mm。变化趋势呈下降趋势，平均每年下降10.2mm。在30年资料系列中，水面蒸发量的最大值为1597.5mm，出现在1982年；最小值为756.9mm，出现在2003年，其极值比为2∶1。

按照1981～2000年和2001～2011年资料系列，分成2个时段，计算不同时段的月平均蒸发量，并计算其不同时段的变化量和变化率。年内变化过程线见图6。

图6 不停时段水面蒸发量年内变化过程线

朱庄水库不同时段月平均蒸发量，并计算器两个时段的变化量和变化率。对比分析见表3。

表3 不同时段月平均蒸发量对比分析

由表3看出，两个时段的蒸发量绝对减少量，较大值出现在5～9月份；而变化率的较大值出现在1月和12月。5～9月份的水面蒸发量占全年蒸发量的59.2，由于非汛期7个月的蒸发量只占全年蒸发量的40.8%，所以，蒸发量减小影响其作用的在汛期。

3.3 蒸发量变化影响因素

反映影响蒸发量的主要气候因子不仅受局部地区气象要素，如风速、相对湿度等影响，还会受到大尺度气候要素，如日照、气温等影响，而日照时数、云量与当地接受的太阳辐射大小有密切关系［9］。但是，在华北地区，观测到的水面蒸发量下降可能是日照和太阳辐射减少及风速减弱造成的，而日照和太阳辐射减少又可能和人为引起的气溶胶含量增加有关。

气溶胶按其来源可分为1次气溶胶（以微粒形式直接从发生源进入大气）和2次气溶胶（在大气中由1次污染物转化而生成）两种。它们可以来自被风扬起的细灰和微尘、海水溅沫蒸发而成的盐粒、火山爆发的散落物及森林燃烧的烟尘等天然源，也可以来自化石和非化石燃料的燃烧、交通运输及各种工业排放的烟尘等人为源。

气溶胶粒子能够从两方面影响天气和气候：一方面可以将太阳光反射到太空中，从而冷却大气，并会使大气的能见度变坏；另一方面却能通过微粒散射、漫射和吸收一部分太阳辐射，减少地面长波辐射的外逸。气溶胶对蒸发量的影响，主要通过对太阳辐射量的影响，从而影响水面蒸发量［12］。

4 结语

根据朱庄水库流域的水文资料系列进行分析，流域内的降水量、径流量和水面蒸发量3个水文要素的变化情况为：朱庄水利流域的降水量呈递减趋势，平均每年减少2.7mm，减少数量最大的在7～8月。径流量变化也呈递减趋势，平均每年减少0.0557亿m3，减少幅度最大出现在8月份。水面蒸发量也呈递减趋势，平均每年下降10.2mm，汛期的水面蒸发量的减少量大于非汛期。

［1］河海大学.水文学原理［M］.南京：河海大学出版社，1998.

［2］邢台市水务局，邢台水文水资源勘测局.邢台市水资源评价［R］.2003.

［3］王子璐.朱庄水库流域径流量变化特征及影响因素［J］.南水北调与水利科技，2011（4）：70-72.

［4］邢台县农业区划办公室.邢台县水资源调查及水利区划报告［R］.1984.

［5］邢台县水政水资源管理办公室.邢台县水资源开发利用现状分析报告［R］.1992.

［6］邢台县水务局.邢台县水资源评价［R］.2005.

［7］林凯荣，郭生练，张文华.基于霍顿下渗能力曲线的流量过程线连续分割方法研究［J］.水文，2008（1）.

［8］水利部国际合作与科技司.水利技术标准汇编［M］.北京：中国水利水电出版社，2002.

［9］张彦增，秦建文，乔光建.河北省平原区水面蒸发量变化趋势及影响因素［J］.南水北调与水利科技，2011（4）：63-65.

［10］Roderick ML，Farquhar GD.The cause of decreased pan evaporation over the past 50 years［J］.Science，2002，298:1410-1411.

［11］Liu B，Xu M，Henderson M，et al.A spatial analysis of pan evaporation trends in China，1955-2000［J］.Geophysical Research，2004，109（2）:2660-2668.

［12］王红磊，朱彬，沈利娟，等.南京市夏季大气气溶胶新粒子生成事件分析［J］.环境科学，2012（3）.