北胶莱河流域人类活动对径流量影响分析

2015-07-28王忠国李秀丽

山东水利 2015年3期

关键词：径流量影响分析

王忠国，李　飞，李秀丽

（潍坊市水文局，山东潍坊 261031）

北胶莱河流域人类活动对径流量影响分析

王忠国，李飞，李秀丽

（潍坊市水文局，山东潍坊 261031）

【摘要】选取昌邑市王家庄子站的径流量资料，用灰色系统理论，分析北胶莱河流域径流系数影响因素，进一步分析人类活动对河流径流量的影响程度。

【关键词】胶莱河；人类活动；径流量；影响分析

北胶莱河属于黄河流域，该河发源于平度市姚家庄，流经高密、昌邑进入渤海，流域面积3900km2，河道平均坡降1/37000，流域形状为叶形。1959-06在昌邑市宋庄乡乔家村设立王家庄子水文站，集水面积2531km2；1999-06-01测验断面上迁5km，更名为流河水文站，集水面积2510km2。流域内无深山区和浅山区，丘岭区占5%，其他均为平原区。丘岭区分布在流域的中上游。流域内农作物种植面积占90%，其它树木、草地等占10%，由于流域内坡度较小，植被情况良好，故水土流失不严重。中游地区有部分洼地积水。1974-08-14在王家庄子水文站实测最大流量为719m3/s。

1　流域人类活动对下垫面因素的影响

在解放初期，受社会发展和生产力的制约，流域内的农作物种植、树木、草地等植被较差。1953年起，人们开始了植树造林和水土保持工作，在丘岭区修建了大量的梯田、地堰、谷坊工程和小型塘坝。从1958—1979年，人们大力开展水利建设，在流域内，1960年建成了马旺中型水库1座，集水面积68.0km2，总库容0.27亿m3。1959年至1978年期间，建成了小（1）型水库3座；小（2）型水库18座；塘坝103座。这些水利工程总控制面积155km2，总兴利库容2181万m3。1971年至1982年期间，建成拦河闸11座，总拦蓄能力315万m3。1958年至1980年期间，建成了扬水站12座，设计流量1.43m3/s，灌溉面积575.33hm2。水资源开发利用的人类生产实践活动，使得流域的下垫面产生了变化，汇流条件也相应发生了变化；拦水、蓄水、提水的生产活动，增加了流域内的蓄水量，使得蒸发量也增大，进一步影响到径流量和径流过程的变化。采用王家庄子站历年的实测大断面资料，点绘测验河段的历年实测大断面图。由断面图分析知，1965—2013年北胶莱河的河道纵横断面变化，主要受人工开挖治理所控制。王家庄子站测验河段，1965年河道主河槽在中心，由于受水流冲刷的影响，到1970年河道主河槽偏移至左岸，河底高程变化很小，仅下降0.1～0.2m，但右岸淤积严重，河道宽度减少了20.0～21.0m，导致过水面积减少15%～20%。1970年以后，北胶莱河进行了人工开挖治理，河道加宽了100m，横断面呈矩形，主河槽河深达6m，纵断面进行了取直，使得水流比以前更加通畅。1980—2013年由于降水量、年径流量的减少，河道年平均含沙量明显变小。1999-06王家庄子站测验断面上迁至流河站后，泥沙项目停测。根据1960—2000年泥沙资料分析，1980—2000年多年平均输沙量为0.063万t，为1960—2000多年平均的1.4%。因此，河道横断面几乎没有变化，河底高程变化在0.01～0.10的范围内。

人工开挖治理河道，使得北胶莱河汇流条件及河道水面蒸发量产生了变化，进而影响到北胶莱河的径流量和径流过程。

2　流域人类活动影响因素分析

流域产生的径流量，取决于流域降水量的大小和流域下垫面的变化。采用1960—2013年共计54年降水量、径流量资料。1966年1月、1967年1～5月、1967年10月～1968年6月、1968年9～12月受潮水顶托影响，径流量按“0”处理。1999－06采用流河站径流量按面积比法进行处理。

北胶莱河流域内，大力兴修水利工程是在1958—1980年期间，因此将1979年作为时段划分点，绘制王家庄子站1960—1979、1980—2013、1960—2013年多年平均月径流量柱状过程线如图1示。

图1　流域多年平均月径流量柱状过程线

流域的径流量变化是河流径流系数的变化的重要标志。人类活动是影响河流下垫面变化的主要因素之一，也就是影响河流径流系数的主要因素。通过分析降水量、径流系数以及人类活动因素对径流量的影响程度，就能反映上述诸因素对河流径流量变化的影响程度。用灰色系统理论对王家庄子水文站的历年实测资料进行关联序分析，以确定各种因素与河流径流量之间的关系，从中找出主要因素，然后建立数学模型，进一步对影响河流径流量的人类活动因素进行定量分析。

记径流量、降水量、径流系数的时间序列分别为△｛x0（t）｝，△｛x1（t）｝，｛x2（t）｝，t∈｛1960,1961……N｝，N=2013。x0（t）对xi（t）的关联系数为

式中：k为常数，一般取0.5；

△min=mini（mint（△0i（t）），即各个因素间最小绝对差，一般可选为零；

△max=maxi（maxt（△0i（t）），即各个因素间最大绝对差。根据实测资料，计算x0（t）与xi（t）的关联系数，由计l0i（t）计算各因素的关联度γ0i为：

计算得：γ01=0.646；γ02=0.887

将数据列x0与各个数据列xi（i=1，2）的关联度γ0i由大到小排成一行，称为各数据列对x0的关联序，则：γ02=0.887＞γ01=0.646。

以上计算表明，影响年径流量的主要因素是径流系数，其次是降水量，而径流系数的变化是流域下垫面的变化产生的，流域下垫面是可以人为改变的，即人类活动因素影响着河流径流量的变化。为了定量地分析人为因素对河流径流量的影响程度，建立如下数学模型进行计算分析。

式中，α=（əy/əH）·（H/y），β=（əy/əG）·（G/y）分别代表降水量和径流系数产流弹性系数，为方便计算，用下面的差分方程式代替微分方程式（1），在时间间隔相同时有：

式中△y/y、（△H/H）、△G/G分别为径流量、降水量、径流系数的增长率，可根据水文实测资料得到；△M/M为人类活动影响的增长率，则人类活动的减沙率m为：

只要求出系数α、β值，就可以用（2）和（3）式求出△M/M，α、β与流域特征，植被覆盖度、土壤性质有关，一般较难直接由实验确定。根据上述关联分析，采用下式计算：

根据以上方法，对北胶莱河王家庄子水文站的资料进行分段。从1958—1979年，大搞水利工程，修建了水库、塘坝、拦河闸、扬水站等。这些工程措施使得径流量减少，径流过程变缓，从而流域的下垫面发生了变化。根据上述情况划分1960—1979、1980—2013两个阶段，列入表1，定量计算人为作用对河流径流量的影响程度。

计算得：△y/y=－87.34%；

△H/H=－19.63%；△G/G=－84.12%；△M/M=－30.38%；m=34.78%。