基于多源信息融合的环境变化对径流定量影响研究

赵佳楠

(通河县水务技术服务中心，黑龙江 通河 150900)

1 概 述

中国西北内陆河流域水资源缺乏，水土流失现象严重，可用水资源量不断减少，极度影响生态环境和经济社会发展。文章基于多源信息融合技术，结合流域实际产汇流原理，通过温升、植被变化、工程建设和用水情况变化等不同因素，分析各因子对水资源量的影响，从而客观评价多因子影响下的流域水资源量。

水资源赋存条件依赖环境变化和人类活动的影响，内陆河地区因特殊的地理环境，多年气候干旱，流域生态环境十分脆弱。近年来，开展大量的水土保持工作，对流域下垫面条件得到改善，生态环境好转。同时随着全球气候变化，降水量和蒸发量使流域发生较大改变[1]。因此，采取多源信息融合技术方法，综合分析植被变化、水利工程建设、温度变化带来的陆面蒸散发等多种因素，定量分析环境变化对河川径流的影响，为正确评价变化环境下地表水资源量提供一定依据。

2 径流定量分析原理[2]

2.1 天然补给量

大气降水入渗补给量计算公式为：

Q降水=α×F×P有效

(1)

式中：α为入渗系数；F为计算区域面积；P为有效降水量。

井灌渗漏和田间入渗量计算公式为：

Q井补=β井·Q井灌

(2)

式中：Q井补井灌补给量；β井补给系数；Q井灌井灌用水量。

2.2 蒸发排泄量计算

流域水份蒸发量离散后表达式为：

(3)

式中：E为蒸发强度；Ei各离散单元水面蒸发强度；si水位埋深；△s蒸发极限埋深。

在地下水水均衡理论中的多年平均地下水总补给量、总排泄量和蓄变量间的均衡关系表达式为：

Q总补-Q总排±△W=X

(4)

(5)

式中：X、δ为绝对和相对均衡差。

3 工程应用

某流域位于中国内蒙古的东北部，地质构造属中朝准地台鄂尔多斯盆地，地质构造呈由西北向东南倾斜[3]。西北地势高、东南地势低，高程面流域最低，向四周逐渐增高，流域地理位置示意图见图1。

图1 流域地理位置示意图

3.1 地质构造

下全新统风积层(Q41eol)：厚0m-5m，零星披盖于区内的地貌单元上，岩性为褐黄色中细砂，松散，孔隙发育。

上全新统湖积层(Q42l)：厚2m-5m，，岩性为灰黄色粉细砂，中细砂，含淤泥。

上全新统风积层(Q42eol)：厚3m-20m，分布面积超过55%。岩性为黄色中细砂，粉细砂，不同地貌部位厚度差异较大。

3.2 水文地质特性

含水层主要为上更新统孔隙潜水层，下部结构为中细砂夹砂砾石，中部为风积中细砂，顶部为全新统湖积层和粉细砂。含水层一般35-63m，最大88.35m，最小11.16m，水位埋深0.4m-4.53m，最大4.53m，涌水量为781.36m3/d-1160.57m3/d，渗透系数为2.5m/d-24.2m/d[4]。

地下水补径排条件：地下水的主要补给方式为大气降水，其他补给方式包括河水和灌溉入渗等。通常大气降水补给后，水平径流于排泄基准面，故形成该流域的地层构造形式。流域主要排泄方式为潜水蒸发，其次为侧向径流和人工开采。

3.3 计算成果

3.3.1 雨养植被变化及其对河川径流影响量

3.3.1.1 基于遥感解译的植被动态变化

以LandsatTM、ETM+遥感数据为主要信息源，通过收集1987年、1991年、2000年和2010年流域的土地利用状况[5]，分析植被动态变化。结果见表1-2、图2-3。

1)灌木林地。基本呈持续增加趋势，1987-2010年增加38.0km2，其中，1987-1997年增加16.7km2，1997-2010年增加21.4km2。

2)草地。随着国家推进建设的退牧还草和生态环境治理等，草地面积持续增加，1987年-2010年草地总面积增加434.1km2，其中高、中、低盖度草地分别增加13.9、290.4、129.8km2。

表1 不同年份流域土地利用面积及比例

表2 不同时期土地利用及变化情况

图2 1987年植被解译图

图3 2010年植被解译图

3.3.1.2 雨养植被对河川径流影响量

林草地对地表径流的影响主要表现为植被冠层拦截降水，减少地表径流，蒸发体现在植物蒸腾、地面蒸发。通常降雨强度条件下树冠截留比例为20%左右，长时间高强度降雨，截留量则降低；同时，枯枝落叶层的滞流效应对截流量较大作用，通常在林区比例为20%。

根据遥感解译成果，2000-2010年流域草地、灌木林地面积分别为825.3km2、52.4km2，较湖面稳定时增大407.9km2、32.1km2。流域植被变化减少径流量汇总，见表3。表明林草面积扩大对地表径流降低起到积遏制作用，通过成果对比可知，高、中、低覆盖度草场分别减少地表径流量比例为90%、45%、30%，灌木林地减少比例为60%。由以上水资源评价结果，2000-2010年流域径流模数为3.65万m3/km2，植被减少径流量为703.6万m3。

表3 流域植被变化减少径流量汇总

3.3.2 水库坑塘建设影响量

水库坑塘影响为工程拦蓄水量和水面蒸发增加量。

根据遥感解译成果，萎缩阶段多年平均水库坑塘面积约为2.7km2，流域内水面蒸发量为1307.2mm，根据相关水库初步设计，陆面蒸发量为302.7mm，则萎缩阶段水库坑塘面积造成的蒸发量为267.2万m3。

根据现状调查结果， 2010年水库总蓄水量约为971万m3，包括2个水库则水库年拦蓄水量为971/11=88.2万m3。

故水库坑塘等建设造成的地表水影响量约为356.3万m3。

3.3.3 陆面蒸散量对河川径流的影响

近年来该流域气温持续升高，湖泊萎缩阶段流域气温增加约0.9℃，进而造成萎缩阶段的流域蒸散发变大，地表径流量不断降低。红碱淖流域多年气温变化图，见图4。

图4 红碱淖流域多年气温变化图

气候因子和水循环作用关系紧密，基于水量和能量平衡关系，简单方程式为E/p=f(E0/P)=f(Φ)，这一，具体的水热耦合平衡方程表达式为：

(6)

根据Budyko公式计算，2000-2010年多年平均降水量409.6mm，陆面实际蒸散发增加约3.7mm。可得陆面蒸散发增加对地表径流的影响约为528.3万m3。

3.3.4 变化环境下的地表水资源量

该地表水资源量主要影响因素为降水和下垫面条件变化。温度升高、水土保持工程、地下水开采及能源工程等都将对产汇流造成不利影响。当降水量一致，天然径流量将持续降低。

结合上述分析，近期植被变化影响地表水资源量为703.6万m3、水库坑塘建设影响量356.3万m3、气温升高造成陆面蒸散发增加约为528.3万m3，合计总影响量为1588.23万m3。在各影响因素中，工程建设和温度变化造成的地表水资源量的减少是不可逆的，则现状下垫面条件下流域地表水资源量除去上述因素，即为3851.4万m3。

4 结 论

文章基于流域径流定量分析中天然补给和蒸发泄流量计算原理，采取多源信息融合技术方法，结合流域综合分析植被变化、工程建设、温度变化带来的的陆面蒸散发变化等，计算得出变化环境下的流域地表水资源量，定量分析近期环境变化对河川径流影响，同时为客观评价变化环境下地表水资源量提供依据。