黄土高原丘陵沟壑区小流域次降雨径流系数的影响因素研究

赖春羊

(四川农业大学水利水电学院,四川 雅安 625014)

径流系数是指某时段内流域径流量(R)与同期降水量(P)的比值,公式为a=R/P[1,2]。国内外研究表明,径流系数的影响因素较多,主要分为流域特征和降雨特征两大因素。流域特征中,地形因素有着重要的影响。田永宏等通过黄土高原丘陵沟壑区第一副区的实测资料分析指出流域的径流系数与沟道比降有显著关系[3]。王浩等通过对黄土高原的实测资料分析,也得出相同的结论[4]。植被通过叶面及凋落物截流等过程,也会影响坡面产流,从而影响到流域径流系数。Kan等研究了裸土及不同植被覆盖和耕作方式下各种坡度、坡长上的降雨径流关系[5],李广等通过实验得出植被覆盖度显著影响径流系数[6]。张洪江等利用灰色理论对重庆缙云山不同植被类型的草本层盖度、枯落物厚度、灌木层盖度和郁闭度等影响地表径流的因素进行了灰关联分析,结果表明不同植物覆盖对径流影响显著[7]。区域的下垫面会影响到降水的下渗情况,也是影响径流系数的重要因素[3,8]

降雨特征中,气候因子对产流影响显著,邓珺丽等利用太子河流域6个主要支流(海城河、南沙河、北沙河、兰河、细河、太子河南支)年日均降水和径流资料,分析了各支流径流系数的变化趋势及其与降水的关系,结果指出该流域年降水量对年径流系数的影响极显著[9]。郭华等研究鄱阳湖流域近50年的径流系数,发现径流系数上升呈突变性和阶段性,且与降水量、气温和蒸发量的变化趋势及突变点吻合度较好,从而得出气候变化是影响径流系数的主要因素[1]。国内外对气候因子的影响研究较多,且得出的结论较为一致,气候因子对径流系数影响显著[2,6,8,10,11]。此外,影响径流系数的因素还有不同的耕作方式[5,12]、人类活动[3,9]等。

因此,有学者认为径流系数综合反映了流域内自然地理因素对产流过程的影响,故可以很好地说明流域内水循环的程度,较好地监测水循环随时间的变化,在一定程度上也可以反映人类活动影响的情况[1]。LGottschalk等认为应该把径流系数看作一个随机变量,它的分布函数是对该流域气候物理机制的一种反映[13]。研究还表明,通过实测资料分析后,降雨径流系数可以用于预测流域产流产沙状况[3,14,15]。因此,研究径流系数的影响因素并建立计算模型,对黄土高原流域的水土保持工作、区域水资源、水循环以及洪涝灾害的分析有着重要的意义[4,9]。

综上,对于区域径流系数的研究的影响因素较为一致,本文拟从流域特征和降雨特征因素中,选取合适的因子,通过实测资料对黄土高原丘陵沟壑区小流域次降雨径流系数的影响因素进行分析,并通过回归分析方法建立计算模型。

1 研究区域概况

黄土高原面积约62.68×104km2,属于典型的大陆性季风气候,冬季寒冷,夏季温暖潮湿,雨热同步,年均气温3.6～14.3℃,年降水量150～750mm,降水集中在7～9月且降水强度大,水土流失面积43×104km2、水土流失严重的面积为28×104km2、特别严重面积为10×104km2,水土流失十分严重[16]。并且,黄土高原植被覆盖类型丰富,全区由东南向西北可划分为相当于“亚地带级”的五个植被地带,即森林植被地带、森林草原植被地带、典型草原植被地带、荒漠草原植被地带和草原化荒漠地带[16]。经过长期开发利用全区平均森林覆盖率仅为7%,由于缺乏植被保护,加之不合理的土地利用,该区水土流失非常严重[17]。

2 研究方法

2.1 数据来源

降雨径流资料从山西省、陕西省、甘肃省及黄河水利委员会水土保持实验站公开出版的径流实测资料中获取,共收集1954-1976年黄土高原丘陵沟壑区第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ副区23个小流域814场次降雨径流资料,以及各小流域植被覆盖率、流域面积、主沟长度、沟道比降等资料。各分区小流域特征见表1。

表1 研究区域小流域特性表

2.2 试验方法

对收集到的814次降雨径流资料及小流域相关资料进行统计分析。首先把径流系数和降雨、地形及植被盖度等因子进行相关性分析,初步确定径流系数影响因子；然后通过SPSS软件进行回归分析,建立回归模型。

3 结果分析

3.1 各因子与径流系数相关性分析

用SPSS软件分析黄土高原丘陵沟壑区第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ副区内各影响因子与径流系数的相关性,结果如表2所示。

表2 各区径流系数与影响因子的相关性

注：**表示P<0.01(极显著相关),*表示P<0.05(显著相关)。Note：**meansP<0.01(verysignificantcorrelation),*meansP<0.05(significantcorrelation)．

影响径流系数的影响因素较多,按照前人的研究,大致分为流域特征因素与降雨特征因素。相关性分析结果显示,对于丘陵沟壑区各分区而言,径流系数与各因子的相关性相差较大,丘陵沟壑区总体上与流域的地形、降雨等因素保持着良好的相关性,特别是与降雨量、雨强、植被覆盖率相关性极显著。从各分区来看,径流系数的与降雨特征因素的相关性密切,特别是与雨强的相关系数可高达0.574,这一结果与郭华等[1]对鄱阳湖流域近50年的径流系数影响因素的研究发现气候因子仍是影响径流系数最主要的因素的结论一致。

对于各个分区而言,第Ⅱ副区的径流系数与各参数均呈现出较好的相关性,雨强对径流系数的影响在各个分区(第Ⅲ副区除外)相关性均可达到极显著,在第Ⅲ副区没有呈现良好的相关性,分析其原因,可能因为第Ⅲ副区为梁状丘陵区,具有山高、坡陡、沟壑纵横的地貌特点,因此,各种降雨强度下产流速度都较快,地形对产汇流过程的影响显著,从而弱化了雨强因素的影响。

流域形状系数(主沟道长度平方与主沟道比降的比值)与径流系数在第Ⅱ、Ⅲ副区显示出较好的相关性,而在第Ⅰ、Ⅴ副区相关性较差,从一方面反映出各区域地形对径流系数的影响大小不同,同时也反映出流域产流的复杂性。流域形状系数及沟道比降都是反映流域地形状况的参数,考虑到指标获取难易程度,以及二者与径流系数的相关程度,故在回归分析时选择沟道比降作为流域地形指标。

3.2 黄土高原丘陵沟壑区径流系数预报模型

利用SPSS软件对814场降雨资料建立回归模型,结果如下表3。

表3 各区径流系数回归结果

注：a为径流系数；J为沟道比降,%；P为降雨量,mm；I为雨强,mm/h；fg为植被覆盖率,%。Note:aisrunoffcoefficient;Jisslopeofthechannel,%;Pisprecipitationvolume,mm;Iisrainfallintensity,mm/h;isvegetationcoverage,%．

将各区原数据带入模型中,求出模拟值,用模拟值与实际值绘制散点图,见图1。第Ⅰ副区与第Ⅱ副区拟合效果良好,数据基本均匀分布在1∶1线左右。对于第Ⅲ副区和第Ⅴ副区来说当径流系数较小时,模型拟合效果较好,数据分布均匀,当径流系数较大时,模拟值偏小。

图1 径流系数实际值与模拟值比较

4 结论

影响黄土高原地区降雨径流系数的因素较为复杂,基本可分为气候因素和地形地质因素,通过对前人论文的研究,本文所分析的流域形状系数、沟道比降、降雨量、雨强、植被覆盖率5大因素在整体上与径流系数有着较好的相关性,研究发现,气候因素仍是主要影响区域降雨径流系数的主要因素。

由沟道比降、降雨量、雨强、植被覆盖4个因素可以对黄土高原各区构建径流系数的回归模型,模型显示,黄土高原各小流域降雨径流系数随沟道比降、降雨量、雨强增大而增大,随植被覆盖率的增大而减小。