洮儿河流域湿地变化对河流径流量影响研究

刘 雁，刘吉平，盛连喜

(1.吉林师范大学旅游与地理科学学院，吉林 四平 136000： 2.东北师范大学国家环境保护湿地生态与植被恢复重点实验室，吉林 长春 130117)

洮儿河流域湿地变化对河流径流量影响研究

刘 雁1，2，刘吉平1，2，盛连喜2

(1.吉林师范大学旅游与地理科学学院，吉林 四平 136000： 2.东北师范大学国家环境保护湿地生态与植被恢复重点实验室，吉林 长春 130117)

以洮儿河流域为研究区域，在分析了该流域湿地变化的基础上，探讨了湿地变化与流域径流量之间的关系，定量判别了湿地变化对流域径流量的影响.结果表明：1985—2010年，洮儿河流域沼泽湿地面积的消长对径流量变化具有驱动作用；流域湿地面积减少、水文调节功能下降，年均径流量不断减少，径流量年内变化显著；流域径流量突变发生在1995年，此后，湿地面积减少对径流量的影响逐渐增大，成为2000年以来流域径流量减少的主要因素.

湿地变化；径流量；洮儿河流域

天然径流的丰枯变化主要取决于气候气象条件和流域下垫面特征，[1]其中土地利用变化是影响流域水文过程的重要驱动因素[2-3].湿地发挥着调蓄洪水、控制径流和维持河流水位等重要的水文功能，[4]对维持流域生态系统健康和改善区域生态环境具有十分重要的意义[5].流域是以分水岭为界的自然地理区域，是水文响应的基本单元，被视为湿地生态水文过程研究最理想的空间尺度.[6]在以湿地为主的流域中，湿地土壤和植被通过截留、蓄纳、蒸发和蒸腾作用使流域内降水量、降水强度和降水分布发生显著变化，进而影响流域水分的循环过程.[7]

在全球气候变化和人类活动共同作用下，湿地变化成为最重要的生态系统变化形式.湿地变化的重要环境响应之一是水文行为发生变化.湿地变化通过加强或抑制上述的截留、蓄纳等作用对流域水文过程产生影响，这种影响是显著的.[8]湿地变化的流域水文效应研究已引起国内外学者的研究兴趣[9].目前，在沼泽湿地的水文效应研究方面已经取得了较为一致的研究结论.由于沼泽湿地土壤具有特殊的水文物理性质，其草根层和泥炭层孔隙度为72%～93%，饱和持水量为830%～1 030%，所以沼泽湿地蓄水量达8 100 m3/hm2，[10]成为陆地上巨大的天然蓄水库，发挥着蓄洪、削峰、均化洪水的重要作用.沼泽湿地被开垦后，水文平衡要素变化显著，河流的年径流量减少，年际变化显著，[11-12]湿地的滞洪调节作用减弱[13-14].

近年来，松嫩平原西部的洮儿河流域湿地变化显著，对全流域的湿地生态系统造成了极大的影响.[15-16]本文选择洮儿河流域为研究区域，在分析了该流域湿地变化的基础上，探讨了径流量与湿地变化之间的关系，并估算了湿地变化对径流量影响的贡献度，从而定量分析了湿地变化的流域水文效应.本研究对于深入系统地研究和解决该流域水资源问题和管理具有特殊的重要意义.

1 数据与方法

1.1 数据来源

数据包括：洮儿河流域土地利用图(1985—2010年)，洮儿河流域气象站气温和降水数据(1985—2010年)，流域下游的洮南、镇西和黑帝庙水文站径流量数据(1980—2010年).土地利用图通过解译遥感影像获得，由美国USGS(http：//golvis.usgs.gov)提供；气象资料来源于中国气象科学数据共享服务网(http：//cdc.cma.gov.cn).

1.2 研究方法

1.2.1 灰色关联分析

灰色关联分析是定量描述和比较一个系统发展变化态势的方法，其基本思想是通过确定参考数据列和若干个比较数据列几何形状的相似程度来判断二者联系是否紧密.具体计算过程为：确定参考数列和比较数列—变量的无量纲化处理—计算关联系数—计算关联度—关联度排序.

1.2.2 Mann-Kendall突变检测方法

在时间序列随机独立的假定下，dk的均值和方差分别为：

E[dk]=k(k-1)/4； Var[dk]=k(k-1)(2k+5)/72，2≤k≤N.

将dk标准化，有

给定显著性水平α，若|u|>uα，则表明序列存在明显的趋势变化，所有u可组成一条曲线.将此方法引用到反序列，也可以画出另外一条曲线，画出UF(k)和UB(k)曲线，如果两条曲线的交叉点在信度线之间，此点便是突变点的开始.

1.3 洮儿河流域概况

洮儿河流域的地理位置为45°10′ ～47°20′N，119°45′ ～124°10′E(见图1)，流域总面积为4.35万 km2，地势西北高东南低.作为松嫩平原西部嫩江的主要支流，洮儿河位于内蒙古兴安盟和吉林省西部白城市境内，其源头在内蒙古科右前旗大兴安岭的高岳山，自西向东流经科尔沁右翼前旗、乌兰浩特市、突泉县、洮南市、白城市和大安市，河流全长为553 km.该流域属于大陆性季风气候区，夏热冬冷，四季分明，平均降水量401.1 mm/a，降水年内多集中在6—9月，年蒸发量1 780～1 910 mm，平均日照时数为2 929 h/a，年无霜期平均达到160 d左右.主要土壤类型为草甸黑钙土、淡黑钙土、栗钙土、草甸土、风沙土及沼泽土，其中地带性土壤是黑钙土、淡黑钙土和栗钙土.

图1 洮儿河流域水系和湿地分布图

2 结果与分析

2.1 洮儿河流域湿地变化特征

利用ArcGIS技术，计算得到1985，1995，2000，2005和2010年5个时期的洮儿河流域各土地利用类型面积及比例(见表1)，并制作出以上5个时期的湿地空间分布图(见图2).

表1 1985—2010年洮儿河流域土地利用类型面积及比例

由表1可知，洮儿河流域主要的土地利用类型是耕地、林地和草地，2010年，耕地面积占整个流域面积的35.15%，林地面积占41.25%.受自然因素和人文因素影响，1985—2010年间该流域各种土地利用类型面积及比例波动幅度较大，其中，沼泽湿地、草地和盐碱地面积呈不断减少的趋势，耕地、林地及河流湖泊面积呈先增加后减少的趋势.

图2 1985—2010年洮儿河流域湿地空间分布变化

由图2可知，洮儿河流域湿地类型主要为沼泽湿地和河流湖泊湿地.1985—2010年，流域湿地面积呈下降趋势.在空间分布上，流域上游湿地呈条状和零星点状分布，下游则集中呈连片状分布.1985年，湿地主要分布于扎赉特旗、镇赉县、大安市、白城市、洮南市、乌兰浩特市以及科尔沁右翼前旗东部，其中，河流湖泊湿地主要分布于镇赉县的东南部、大安市的东北部以及镇赉县和大安市的交界位置；沼泽湿地主要分布于镇赉县南部、洮南市、白城市，呈条状分布，此外在扎赉特旗东南部和科尔沁右翼前旗东部也有分布.至1995年，流域内湿地面积有所减少，特别是洮南市的湿地面积减少情况最为明显.1995—2000年，镇赉县与大安市交界处的河流湖泊湿地转变为沼泽湿地.至2005年，洮儿河流域的湿地面积大幅度萎缩，仅在镇赉县东南部和西北部、大安市东北部、扎赉特旗东北部留有小块湿地，其中，镇赉县境内湿地主要为沼泽湿地，大安市和扎赉特旗境内主要为河流湖泊湿地.至2010年，湿地面积进一步减少，河流湖泊湿地和沼泽湿地面积大体相当.

2.2 洮儿河流域径流量与土地利用的灰色关联分析

本文以位于洮儿河下游的镇西水文站1985，1995，2000，2005和2010年的年平均径流量为参考数列(为了消除偶然因素影响，取径流量的三年移动平均值替代实际观测值)，以5个时期的沼泽、河流湖泊、耕地、林地、草地、居民用地、盐碱地和沙地面积为比较数列，分析土地利用面积的变化对径流量的影响程度.

径流量与土地利用的灰色关联度计算结果表明，在各土地利用方式中，沼泽湿地与径流量的灰色关联度最大，为0.789 5(见表2)，由此说明流域内径流量变化与沼泽湿地关系最为密切，沼泽湿地具有水系调节器的生态功能，对径流量可产生较大的影响.

表2 径流量与沼泽湿地的灰色关联度计算结果

注：ρ= 0.5.

2.3 洮儿河流域湿地变化对径流量统计特征值的影响

2.3.1 年均径流量的年际变化

以洮儿河流域下游为例，分析湿地与径流量、降雨量的关系.收集流域下游的洮南、镇西和黑帝庙水文站1985—2010年径流量，求其年均径流量，绘制径流量波动图(见图3).由图3可见，除1998年洮儿河流域发生洪水灾害，水流入下游，最大值较为显著外，其他年份年均径流量波动较大，呈不断减少趋势；到2002年，年均径流量接近x轴，流域接近枯水.

出现这种现象的原因主要有两方面：一是与流域气候暖干化密切相关.利用洮儿河流域下游气象站1985—2010年年均降水量资料和年均气温资料，绘制1985—2010年流域下游气温和降水变化趋势图(见图4).由图4可见，除1998年发生洪水外，流域年均降水量呈明显下降趋势，而气温呈上升趋势，这种气候变化使得对湿地和河流水源的补给减弱，蒸发量增大，水分流失严重.二是与土地利用变化特别是湿地面积变化相关.如图5所示，流域内沼泽、河流湖泊等自然湿地面积减少幅度较大，由1985年的1 462 km2下降到2010年的635 km2，减少了一半以上，致使其水文调节功能减弱；与此同时，不断增加的水田等人工湿地对农业灌溉用水的需求不断增多，致使水文调节功能进一步降低，径流量减少.

图3 1985—2010年洮儿河流域下游年均径流量变化趋势

图4 1985—2010年洮儿河流域下游气温和降水变化趋势

图5 1985—2010年自然湿地和人工湿地消长与年均径流量的关系

2.3.2 径流量的年内变化

利用SPSS软件对1980—2010年洮儿河下游镇西水文站的月均径流量进行统计分析，计算得到每年的月均径流量的偏度系数、峰度系数和变异系数(见图6).由图6可以看出，1980—2010年间，镇西水文站月径流量的偏度系数、峰度系数和变异系数都呈逐渐增加趋势，说明径流量的年内变化逐渐增加，差异性逐渐加大，径流量更加集中，与降雨量更加同步.本文的研究认为，出现这种现象的主要原因是湿地面积逐渐减少，造成湿地蓄水、泄流和蒸发散调节蓄水量、洪水、径流的功能逐渐降低所致.

图6 1980—2010年镇西水文站的月均径流量的偏度系数、峰度系数和变异系数

2.4 洮儿河流域湿地变化对径流量影响估算

2.4.1 洮儿河流域年均径流量的突变分析

利用Mann-Kendall法，对1980—2010年镇西水文站的年均径流量进行突变检验，结果见图7.由图7可以看出，UF(k)和UB(k)曲线相交于1995年，两条曲线的交叉点在信度线之间，此点便是突变点的开始，因此径流量的突变点发生在1995年.从UF(k)曲线可以看出，在2001年UF(k)值由正值变为负值，在2006年UF(k)值在a=0.05下限线以下，因此在1996—2010年间，将2001年和2006年作为径流量的时间变化节点.

图7 1980—2010年镇西水文站的年均径流量的突变检验

2.4.2 不同时段湿地变化对径流量影响估算

根据2.4.1的结果，以1980—1995年为基准期，以1996—2000，2001—2005，2006—2010年为变化时期，计算不同时段湿地变化对径流量影响.

根据相关方程，计算出各站点年径流量，并将其作为近似天然径流量.利用基准期的年降水量、年径流量的平均值，建立反映近似天然状况下的降水和径流关系，计算出不同时段的年降水量、年径流量、年径流量(天然径流)计算值的平均值.各时段的计算值与基准期计算值的差值即为此时段降水量变化对径流量的影响量；各时段与基准期的实测差值减去降水变化的影响量，其值即为人类活动的影响量.

利用SPSS软件计算基准期年平均径流量与年降雨量之间的回归方程：

y=-2.552+0.111x.

式中：y为年平均径流量，x为年降雨量.经检验，该回归方程在0.01水平上差异显著(见表3)，通过了F检验.利用基准期年平均径流量与年降雨量之间的回归方程，通过不同时段年降雨预测年均径流量，并求平均值，结果见表4.

表3 年均径流量与年降雨量的方差分析表

表4 下垫面因素对洮儿河流域年均径流量影响估算

由表4可知，1996—2000年，洮儿河流域径流量的减少主要是由降雨量减少造成的，下垫面因素的影响比率仅为29.37；但此后，下垫面因素对径流量的影响逐渐增加，到2010年，影响比率为65.81%，由此说明，2000—2010年，下垫面因素是导致洮儿河流域径流量减少的主要因素，降雨量退居其次.根据上文分析的结果，下垫面因素中沼泽湿地面积的变化对径流量减少的影响最大，因此，可以认为湿地变化是洮儿河流域径流量减少的一项主要原因.

相比下垫面变化，水利工程运行对流域径流变化占据主导作用.[17]Deitch等[18]利用基于GIS的水文模型研究了水利工程对径流的影响，结果发现干旱年影响程度达到 40%，常规年份影响程度为 50%.自20世纪70年代以来，在洮儿河干、支流相继修建了14座水库(2座大型水库、12座中型水库)，其中察儿森水库是洮儿河上唯一的控制性骨干工程，该水库于1973年开工建设，1989年下闸开始蓄水.水库的修建改变了流域河道径流的时空分布，成为洮儿河流域径流量减少的一项重要原因.[19-20]水利工程的修建对河流水文的影响将成为我们下一步的研究重点.

3 结论

1985—2010年，洮儿河流域径流量变化与沿岸沼泽湿地的消长关系最密切.

洮儿河流域湿地面积减少、水文调节功能下降，年均径流量不断减少，径流量年内变化显著.

洮儿河流域径流量的突变发生在1995年，此后洮儿河流域下垫面因素对径流量的影响逐渐增大，在2000年后，除水利工程建设的影响因素外，湿地面积变化成为洮儿河流域径流量减少的主要因素.

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(责任编辑：方林)

TheinfluenceresearchofwetlandchangeonrunoffinTao’erRiverBasin

LIU Yan1，2，LIU Ji-ping1，2，SHENG Lian-xi2

(1.College of Tourist and Geoscience，Jilin Normal University，Siping 136000，China； 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Wetland Ecology and Vegetation Restoration， Northeast Normal University，Changchun 130117，China)

Based on wetland change in Tao’er River Basin，the paper analyzed the relationship between the wetland change and runoff change in this basin，and made a quantitative evaluation on influence of the wetland change on runoff change.The results indicated that wetland change was a driven factor for runoff change in Tao’er River Basin during 1985 to 2010.Because the reduction of wetland area and consequent reduction of hydrological regulation function，mean annual runoff from 1985 to 2010 was on a drop，and mean monthly runoff from January to December showed great differences.Wetland area reduction showed a strong effect on runoff drop in Tao’er River Basin after sudden change occurred in 1995，and has become a most important factor leading to runoff drop since 2000.

wetland change；runoff；Tao’er River basin

1000-1832(2017)03-0136-08

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2017.03.028

2015-12-31

教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-12-0730)；中央财政林业科技推广示范资金资助项目[吉推(2014)16号].

刘雁(1977—)，女，博士，教授，主要从事湿地变化及其环境效应研究；通讯作者：盛连喜(1952—)，男，博士，教授，博士研究生导师，主要从事湿地生态与植被恢复研究.

X 176 [学科代码] 610·1035

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