河流径流演变影响度分析

刘晓哲

( 辽宁河库管服务中心(辽宁省水文局)，辽宁 沈阳 110003)

河流径流演变主要受到自然因素和人类活动的影响，其中自然因素主要为降水因子，降水是河流径流主要补给来源，是水文循环的重要组成部分。而人类活动则包括下垫面如土地利用变化和涉水活动如水利工程的建设，以上要素均对河流的径流产生直接影响[1]。当前，河流径流演变规律的分析已有研究，其中其径流演变影响因素的定量探讨取得不少研究成果[2- 9]，但这些成果大都从两个要素进行径流演变影响度的定量分解，这两要素一般为降水和人类活动。有研究结果表明涉水活动和下垫面对河流径流演变的影响度不同，下垫面主要影响流域的产汇流，从而影响进入河道的径流量。而涉水活动则是通过调节河道内的径流量从而对河流径流产生直接影响，涉水活动和下垫面对径流影响过程均不相同，因此在探讨人类活动对河流径流演变影响度时需要将涉水活动和下垫面进行定量分解探讨[10]。张建云[11]首次在国内提出三要素定量分离方法，并在一些流域径流演变影响度中进行了应用[12- 15]，结果表明该方法符合区域径流演变的规律。但三要素定量分离方法在辽宁地区应用还较少，为此本文结合该方法，以辽宁省的浑河、太子河、大凌河为实例，探讨三要素定量分离对各河径流演变影响度的适用性。结果对于河流水资源开发利用提供参考。

1 研究方法

将自然要素和人类活动分解为降水、涉水活动以及下垫面变化，该方法计算步骤为:①按照实测径流的演变特征和流域内涉水活动以及下垫面变化的实际情况，将径流序列划分为天然和人类活动影响两个阶段，天然影响阶段为基准期，将基准期径流实测均值和人类活动影响阶段的径流实测均值相减得到径流变化的总量；②采用基准期的实测水文、气象数据对水文模型进行参数的率定，模型参数对天然条件下的流域产汇流特征进行表征；③将率定好的水文模型，以人类活动影响期的降雨数据作为输入，模型输出结果为人类活动影响阶段的径流量估算值；④将基准期径流和估算的人类活动影响径流量相减得到气候变化影响下的径流变化量，将气候变化影响的径流估算量和径流变化总量相除得到气候变化影响度，人类活动影响径流量和径流变化总量的比值为人类活动影响贡献度。以浑河为例，对其计算步骤进行分解，分解过程如图1所示。

在图中各要素的分解计算方程分别为：

ΔWC=WHN-WB

(1)

ΔWH=WHR-WHN

(2)

ΔWS=ΔWH-ΔWE

(3)

ΔWT=WHR-WB

(4)

式中，ΔWT—径流变化总量，mm；ΔWH—人类活动影响量，mm；ΔWC—气候变化影响量，mm；WB—基准期实测径流平均值，mm；WHR—人类活动影响期实测径流量，mm；WHN—人类活动影响期计算天然径流量，mm；ΔWS—下垫面影响量，mm；ΔWE—涉水活动影响量，mm。

图1 径流演变影响三要素分类方法

2 成果与讨论

2.1 河流概况

浑河流域面积28260km2，河流长度495km，河流平均比降0.420‰，多年平均年降水量742.3mm，多年平均年径流深220.9mm，多年平均年蒸发量677～822mm，流域平均宽度为46.9km，河道弯曲系数为1.7，河流形状系数为0.09，河网密度为0.3。流域面积10km2以上一级支流54条，二级支流173条，三级支流222条，四级支流118条，五级支流14条。太子河属于浑河支流，其流域面积13493km2，河流长度363km，河流平均比降0.740‰，多年平均年降水量767.5mm，多年平均年径流深253.4mm，流域平均宽度为37.2km，河道弯曲系数为1.7，河流形状系数为0.10，河网密度为0.4。流域面积10km2以上一级支流60条，二级支流177条，三级支流106条；四级支流14条。大凌河流域面积23235km2，河流长度453km，其中辽宁省境内19989km2。河道平均比降为0.81‰，多年平均年降水量487.2mm，多年平均年径流深76.6mm。流域平均宽度为51.3km、河道弯曲系数2.5、形状系数0.11。流域内10km2以上的一级支流112条，二级支流206条，三级支流172条，四级支流32条，五级支流4条。

2.2 资料概况

按照观测资料的序列长度以及径流变化显著为原则，分别选取浑河的邢家窝棚站、大凌河的凌海站以及太子河的唐马寨作为研究站点，各站点的资料情况见表1，并对不同站点年代季的径流进行了统计分析。

从表1可看出，浑河、太子河、大凌河的各站点不同年代径流量都出现较为明显的变化，浑河邢家窝棚站相比于20世纪70年代径流量均有所递减，且递减幅度总体呈现上升变化。大凌河的凌海站相比于20世纪70年代径流量也呈现明显的递减变化，且从2000年以后递减比例达到83.68%。从太子河唐马寨站不同年代径流变化可看出，相比于20世纪70年代其和浑河邢家窝棚站的年径流递减比例较为接近，这是因为太子河作为浑河的重要支流，其径流变化的影响因素也较为相似，因此其径流变化的递减幅度也相对较为接近。

表1 选取的典型水文站资料情况

2.3 定量分离结果

基于浑河、太子河以及大凌河各站点实测径流数据，结合前述径流演变影响因素定量分解方法，对各河流径流影响因素进行降水、涉水活动以及下垫面的影响度定量分离，结果见表2—4，并统计分析了各河流1980—2017年径流演变各因素的影响度，结果见表5。

从大凌河凌海站实测径流可看出，其丰枯变化较为明显，降水在丰水期对径流影响程度较低，而在枯水期对径流影响程度较高，1980—1989年以及2000—2010年两个枯水期降水影响的径流递减量分别为23.4mm和20.2mm。从20世纪80年代开始涉水活动对大凌河凌海站的径流影响度逐步提升，1980—2017年代径流的递减幅度较高于10mm，水利工程的修建使得径流量减少的程度有所增加。从20世纪80年代到90年代下垫面变化对径流的影响程度逐步减小，从20世纪80年代开始人类活动影响下大凌河凌海站以上流域的植被覆盖度减小，降低植被的保水效应。而从2000年以后随着流域内植被覆盖的增加，降水径流对地下水的补给量加大，随着后续汇入河道后增加了河道内的径流量。

表2 浑河径流影响量影响因素分解

表3 太子河径流影响量影响因素分解

表4 大凌河径流影响量影响因素分解

表5 各流域径流影响量因素分解汇总

从浑河邢家窝棚站的径流影响定量分解情况可看出，20世纪80年代和2000年后浑河邢家窝棚站的径流有所减少，而20世纪90年代径流有一定程度的递增变化，这主要是因为20世纪90年代几个大水年份使得径流量的均值有所增加。20世纪80、90年代以及2000年后降水对径流量的影响度先增后减，2000年后期影响度变为负值。涉水活动对浑河径流影响总体为递减效应，从20世纪80年代开始，对径流递减的影响度逐步提高。下垫面变化对浑河邢家窝棚站的径流影响总体为增加效应，这主要是因为流域内的城镇化水平的提高，使得径流系数相应增加，从而增加了河流径流量。

从太子河唐马寨站受涉水活动影响看，径流总体呈现递减变化，这与太子河流域内观音阁、葠窝、汤河水库的修建有直接关联，受到流域内城镇用地变化，太子河唐马寨站受下垫面变化影响径流增加较为明显。从各流域径流影响度的汇总情况可看出，下涉水活动和下垫面是浑河径流演变主导因子，贡献比重较为接近，三个要素的影响度分别为51.9%、45.8%、2.3%，涉水活动是太子河径流演变的主导因子，三个要素的径流演变影响度分别为61.1%、29.8%、9.1%。大凌河的三个要素贡献比重相差较小，对径流演变贡献相对均衡，对大凌河径流演变影响度分别为42.7%、24.1%、33.2%。

2.4 回归方程的建立

以浑河、太子河、大凌河基准期之后为分析时段，以降水量、涉水活动、下垫面三个要素建立其与各要素影响下径流量的回归方程，结合回归方程实现未来变化情景组合模式下的径流演变分析。各要素的回归方程见表6—8。

表6 大凌河径流不同影响因素的回归方程

表7 浑河径流不同影响因素的回归方程

表8 太子河径流不同影响因素的回归方程

从前面三个影响因素下浑河、太子河、大凌河的径流演变分析结果可知，径流量受降水影响较为直接，因此各河流中降水和降水影响径流量回归方程的决定系数均最高，高于0.8，属于高度相关。在涉水活动影响下的径流量和涉水活动的相关方程总体决定系数要低于降水量的相关方程，其中浑河和大凌河的决定系数较高，可通过显著性检验，而太子河的决定系数相对较低。各河流受下垫面影响径流量和下垫面回归方程的决定性系数较低，这主要是因为土地利用数据相对较少，本文主要收集到了1956、1980、2000、2011年四个年份土地利用调查数据，而其他年份各土地利用类型主要通过插值方法计算得到，而虽然土地利用数据变化相对较小，且基本呈现连续波动变化，因此总体回归方程的决定系数较低。

3 结论

(1)在水文站天然径流计算时，建议采用站点上一年的降水量作为参数对其降雨—天然径流量之间的关系进行验证或修正，以保证站点天然径流计算精度。

(2)通过构建不同要素影响下的径流量与各影响因素的相关方程，可以对未来变化情景方式下的径流演变进行预测，从而为涉水活动或下垫面变化对径流影响进行评估，考虑土地利用数据收集较为困难，其连续波动变化小，建议部分年份土地利用变化率可通过插值分析得到。

本文未考虑气温变化对区域径流的影响，在以后的研究中还可加入气温对北方融雪径流的影响。