汾河流域生态修复地表径流计算分析

武光明

（山西省水文水资源勘测局，山西 太原 030001）

汾河流域生态修复地表径流计算分析

武光明

（山西省水文水资源勘测局，山西 太原 030001）

在对汾河流域水资源变化形势深入了解，开展相关方面的调查、分析和研究的基础上，采用基于流域水文下垫面地类划分建立的降雨产流模型进行地表径流计算，具有较高的计算精度。流域生态修复改变了水文下垫面条件，通过对治理水平年地表径流量的计算，表明生态修复可增加流域地表产水量，流域生态可得到较好恢复和改善。

生态修复；地表径流计算；地表产水量分析；汾河流域

汾河流域是山西省经济发展的重点区域，流域水资源长期过度开发，用水量不断加大，且随着煤炭等矿产资源的大量开采，破坏了植被生长，使生态环境遭到严重破坏，致使流域产流减少，水污染加剧。汾河流域生态修复是新时期加强生态文明建设的重要体现，因此对汾河流域水资源变化形势深入了解，开展相关方面的调查、分析和研究工作十分必要。

1 流域概况

汾河是山西省第一大河，也是黄河第二大支流，流经山西省中南部，东西宽188km，南北长412.5km，干流长716km，呈带状分布，流域面积39826km2。汾河发源于管涔山，自北向南纵贯6市45个县（市、区），汇聚吕梁、太岳山区50km2以上的支流83条，汾河流域面积大于1000km2的支流9条，自上而下分别为岚河、杨兴河、潇河、昌源河、磁窑河、文峪河、段纯河、洪安涧河和浍河。流域内有雷鸣寺泉、兰村泉、晋祠泉、洪山泉、郭庄泉、霍泉、龙子祠泉和古堆泉等8处岩溶大泉，这些岩溶大泉是汾河清水径流的重要组成部分。流域内历史上曾有茂密的森林覆盖，因近几百年森林的连续破坏，现有森林覆盖率很低，水土流失严重。

汾河流域地处中纬度大陆性季风带，属温带大陆性季风气候，为半干旱、半湿润型气候过渡区。多年（1956—2000年）平均降水量504.8mm。水资源总量33.6亿m3，其中：地表水资源量20.7亿m3，地下水资源量24.1亿m3，基流量11.2亿m3。因人类活动的加剧，汾河流域地表径流量从20世纪80年代以来持续减少。与第一次水资源评价相比，1980—2000年地表水资源量比 1956—1979年减少 9.1亿 m3，2001—2013年在降水量增加的情况下，地表水资源量比1980—2000年减少4.1亿m3。

2 研究资料及方法

地表径流是指河川径流量扣除基流量，即地表产水量。将汾河流域分为上中游及下游两个研究区，上中游面积28214km2，下游面积11612km2。选用流域内代表水文站资料，以汾河流域受人类活动影响较小时期的1956—1979年为基础，利用模型分析不同水文下垫面条件下的降雨产流规律，率定优化模型参数，根据规划治理措施下垫面变化情况，分析计算治理后地表径流的变化。

汾河流域及两个研究分区降水量系列采用第二次水资源评价成果及2001年后各年度水资源公报成果，计算83条支流1956—2013年的降水量。

地表径流量资料分析了第一次（1956—1979年）、第二次（1956—2000年）水资源评价成果以及2001—2013年山西省水资源公报及《山西省水文计算手册》成果。各代表水文站的系列计算延长至2013年。

3 地类划分

水文下垫面由地质条件、地貌形态、植被覆盖及土壤等要素组成，是对降水进行再分配的多因素综合体。科学划分水文下垫面地类，是研究水文规律的重要基础。地类划分参照《山西省水文计算手册水文下垫面产流地类图》的成果及方法。

根据汾河流域50km2以上支流流域内各种植被及土地使用现状及规划耕地、林地（森林及灌木林、其他林）、草地、水域、园地等所占面积，将各类土地使用面积与岩性、地貌、植被等要素相结合进行下垫面地类划分。

地类划分时，考虑砂页岩和变质岩地类比较接近，将两个岩类合并。森林面积细分为灰岩森林和变质砂页岩森林；灌木林与其他林面积分为灰岩灌丛和变质砂页岩灌丛；草地分为灰岩土石山和变质砂页岩土石山；耕地为一种地类；水域、园地、居民点及工矿用地、交通用地、其他用地合并为其他地类，共分为8种地类。现状汾河流域森林覆盖率仅16.0%，其中灰岩森林7.8%，变质砂页岩森林8.2%。其他地类面积占流域总面积比分别为：灰岩灌丛4.8%，变质砂页岩灌丛11.5%，灰岩土石山3.4%，变质砂页岩土石山17.3%，耕地29.5%和其他17.4%。生态修复规划森林覆盖率将达30%以上，其中灰岩森林11.4%，变质砂页岩森林18.9%。其他地类面积占流域总面积比分别为：灰岩灌丛3.1%，变质砂页岩灌丛14.2%，灰岩土石山2.0%，变质砂页岩土石山6.3%，耕地27.9%和其他16.6%。

4 地表年径流均值计算模型

采用2011年山西省水利厅编著的《山西省水文计算手册》年径流均值计算方法。

地表年径流均值计算采用双曲正切模型法，即：

A——设计流域面积，km2；

Ai——某产流地类所对应的集水面积，km2；

Zmi——某产流地类参数的可能最大损失量（按设计流域水文下垫面类型选取，其中主要含义为流域内潜在的地表蒸发量，在岩溶泉域的补给区，则包括深层渗漏补给岩溶水的水量，在非闭合流域，也可能含有渗漏外排水量），mm；

th——双曲正切函数符号。

模型参数的合理选取是流域各支流及分区地表水量计算的基础。在汾河流域共选取大于50km2小于3000km2的17个代表站（区间），利用代表水文站的资料（1956—1979年，受人类活动影响较小时期）进行模型参数的优化，通过参数优化调整，计算汾河流域各分区地表径流量（1956—1979年），与第一次评价成果进行对比，得到较为合理的地类参数，此参数用于流域恢复后（以2030年作为水平年）产生显著效益的地表径流计算。经分析优化，各地类参数值分别为：变质砂页岩灌丛850mm，变质砂页岩森林900mm，灰岩灌丛950mm，灰岩森林1000mm，变质砂页岩土石山1300mm，灰岩土石2000mm，耕地3000mm。

将各地类参数代入模型对地表年径流均值计算值与各水文站实测值进行误差统计分析，误差在±10%以内的有10站，占总站数的58.8%，误差在±20%以内的有13站，占总站数的76.5%，误差在±20%以内的有16站，占总站数的94.1%。与第一次水资源评价成果（1956—1979年）进行对比，上中游误差为1.8%，下游误差为-12.7%，汾河流域误差为-3.5%。说明上述地表年径流均值计算模型及所用参数在流域地表年径流计算时具有较高的精度。

该方法从水文分析角度，通过建立各要素间的水文模型，分析计算流域地表径流，具有较高的计算精度。流域生态修复需要较长周期，此方法可用于流域生态修复规划阶段及规划实施后的河流生态效益预测，特别是对河川地表径流及河川径流进行匡算和初步评估，具有一定的借鉴参考价值。

5 生态修复地表年径流量计算

根据上述模型及参数，计算生态修复的地表径流量（不含基流，降雨量采用各支流1956—2013年均值），治理水平年为2030年。根据汾河流域生态修复规划，2015—2020年为主要工程措施实施阶段，植被恢复和现有森林指标有一定差距，2021—2030年为流域生态恢复期，关井压采达到预期目标，植被得到恢复预期指标。通过计算，生态恢复到2030年水平时，汾河上中游地表水量为7.0亿m3，下游4.1亿m3，流域地表水量可达11.1亿m3，接近20世纪70年代以前水平。与1956—2000年地表径流年均值相比，流域地表产水量增加1.57亿m3，增幅16.5%，地表产流系数从0.047提高到0.055，增幅16.0%，流域生态得到较好恢复和改善。计算结果见表1。

表1 汾河流域生态修复地表水量计算成果表

汾河流域生态修复是一项复杂的系统工程，通过植被修复等措施进一步改善流域的水文下垫面产流条件，不仅可有效涵养水源，增加河川基流量，而且可增加地表产流量，改变地表径流逐年衰减的趋势。

6 结论

水是人类生存和发展不可替代的资源，是经济社会可持续发展的重要物质基础，也是生态环境的控制因素。汾河流域生态修复改善了流域水文下垫面的产流条件，通过对现状及修复后流域地类划分，建立地表年径流均值模型，以依据代表水文站资料基础，通过参数优化，可得到较高的计算精度。分析结果表明，流域生态修复后，森林覆盖率从现状的16%达到30%以上，可有效增加流域地表产水量，改变地表径流逐年衰减的趋势，使流域生态得到较好恢复和改善。

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武光明（1967-），男，1989年毕业于河海大学水资源规划及利用专业，高级工程师。

2016-02-17；

2016-03-18