浑河水文要素改变度评估指标的建立与应用探讨

2021-03-11陈媛媛

黑龙江水利科技 2021年1期

陈媛媛

(辽宁河库管服务中心(辽宁省水文局)，辽宁沈阳 110003)

0 前言

浑河作为辽河最大支流，其流域内河流众多，水系较为复杂，其中流域面积10km2以上一级支流54条，二级支流条173条，三级支流222条，四级支流118条，五级支流14条。流域面积大于5000km2的河流有1条，1000-5000km2的河流6条，100-1000km2的河流63条，50-100km2的河流65条，10-50km2的河流446条，在这些河流中平原水网区3个，平原河流72条[1]。受人类活动和气候变化影响，浑河流域水文要素特征发生了较为显著的变化[2]。受到水文要素变化影响，浑河流域河道功能也发生了不同程度的改变，为定量对河流水文要素改变度进行研究，国内许多学者都致力于构建定量评估指标分析其改变度[3-9]，但这些指标大都采用单一指标进行评估，而未能考虑水文要素多个指标改变度的评估。为此文章从径流、泥沙、洪水三种特征值建立水文要素改变度评估指标，并采用当前在国内水资源改变度评估领域应用较好的模糊数学模型[10-15]，对浑河流域进行水文要素综合改变度的评估。

1 评估方法

1.1 评估指标

为对河道水文要素改变度进行综合评估，从全面反映河道水文要素特征中选取具有代表性的评价因子，此外综合考虑指标确定的难易程度，确定评估指标，如表1所示。

表1 河道水文要素改变度评估指标

1.2 评估方法

主要采用模糊数学模型对河流水文要素改变度进行评估，模型将水文要素改变度表征为统计变量xi，假定xi在[ai，bi]进行取值。则其在天然对比期统计变量为xi,0，要素统计量xt,0为t时段的统计变量。若该统计变量降低是则表示河流出现水文要素的改变，水文要素改变度计算方程为：

(1)

若该指标增加，则表示河流呈现发育状态，水文要素改变度计算方程为：

(2)

在上述方程中时段t的第i个指标的改变度为Di,t，第i指标的取值范围在[ai,bi]之间，i=1,2,……n。当计算的Di,t<0时，则表示为河流出现改变，当Di,t计算值>0时，则表示为河流未出现改变状况。为对水文要素改变度进行综合评估，本文对河流的不同指标要素进行组合，则时段t的组合指为：

Xt=[x1,tx2,tΛxn,t]

(3)

结合方程(1)或者(2)对时段t内的第i个指标的改变度Di,t进行计算，则时段t内的改变度Di方程为：

(4)

方程中综合改变度中不同指标的权重为ω。本文对不同指标权重主要采用二元比较法进行确定。二元比较法各指标相对权重如表2所示。

表2 二元比较法各指标相对权重

为对水文要素改变度进行定量综合评估，需要对不同程度改变度Di进行等级划分，结合相关研究成果[14-15]，对河流水文要素改变度等级进行划分，如表3所示。

表3 河道水文要素改变度评估等级划分标准

2 浑河水文要素改变度评估

2.1 评估河段

选取浑河上、中、下河段进行水文要素改变度的评估，评估河段及数据概况如表4所示。

表4 研究河段及资料情况

2.2 评价指标及阈值分析

分别结合年最大洪峰、年输水量以及年平均流量作为径流、洪水、泥沙水文要素的评估特征指标，以1990年作为基准期，结合选定的北口前、抚顺、邢家窝棚作为代表站，统计浑河上游、中游以及下游的河流水文特征评估指标及阈值的范围，如表5所示。

表5 浑河不同评估河段不同年代水文要素特征统计值及阈值区间

在进行浑河上、中、下游河段水文特征指标中年均流量、年均输沙量以及年最大洪峰流量时分别结合选取的北口前、抚顺、邢家窝棚水文站统计的各指标系列最大值和最小值作为评估指标的阈值范围。

2.3 水文要素改变度评估结果

以1990年作为标准时段，认为1990年以前辽宁省各典型河流处于天然状况，分别对1990年以后到2017年期间以每10a作为一个标准计算时段，结合各研究站点水文数据，对其水文特征的改变度进行分析，分析结果如表6所示。

表6 水文特征指标改变度评估结果

以北口前站为例说明水文特征指标改变度计算过程，其水文特征在2010年-2017年的指标矩阵为Xt=[19.7 50.6 912]，则其水文特征在2010年-2017的指标边界矩阵为：

采用公式(4)对其水文特征改变度进行评估矩阵的计算为DI,t=[-0.612 -0.835 -0.712]T。在水文特征指标中洪水权重一般高于泥沙，采用二元方法对各指标权重进行设定，得到不同指标的权重归一化值：ω=[0.467 0.245 0.288]T，据此计算2010年-2017年北口前站断面相比于1990年其水文特征改变度为-0.617，为高度改变。从分析结果可看出，浑河上、中、下游，总体在低度-高度改变变化之间，且在2010年以后基本处于中度-高度改变，这主要是因为从2010年以后浑河径流和洪峰相比于1990年以前都有较为明显的减少，尤其是洪峰值，相比于1990年以前，同一级洪量下洪峰递减比例可达到20%左右。