中图分类号: TV121 文献标识码: B 文章编号: 1000-0860 ( 2009) 03-0004-04
Study on influence of human a ctivity on surfa cerun off in Haihe River Basin
HAN Rui-guang1, 2 , DING Zhi-hong1 , FENG Ping1
Abstract: Due to high-frequent human activity, the runoff formation in Haihe River Basin has been greatly imPACted by the change of the underlying surface condition there in1 The in.luence from the change of the underlying surface condition on the runoff and the runoffw ith its changing tendency under various underlying surface are studied here in based on the method of rainfall run-off consistency modification and the method of distributed hydrologicalmodel.Key words: Haihe River Basin; human activity; hydrologica l under lying surface; surface runoff
1 引 言
海河流域随着20多年来人类活动加剧, 流域下垫面条件已发生了显著变化。主要表现在以下几个方面: 一是地下水超采使得包气带加厚, 地下储水容积增加, 相同降雨产生的径流在近期明显减少。目前海河流域平原区浅层地下水超采面积已达6万km2 , 地下水水位以上包气带间地下水亏空量已达800 亿m3以上, 在海河中西部平原区, 近年来发生的量级在200 mm左右的暴雨均未造成大范围的涝灾, 而相同量级暴雨在20世纪60～70年代将会有相当严重的灾情出现。二是山区地表径流过度开发利用, 使得进入下游控制站的径流减少, 目前海河流域山区蓄水工程的储水(兴利)容积达140亿m3 左右, 占多年平均地表水资源量的80%以上, 由于大中型蓄水工程的蓄水作用, 多数河流一般年份很少有径流下泄。三是地貌条件变化也对产汇流条件产生了一定影响, 在海河平原区有45%的区域(面积5.9万km2)已建成为平整后的灌溉耕地, 大大增加了耕地区对径流拦蓄量,同时也增加了入渗量; 在山区, 随着近年来水土保持力度的增大和当地居民对柴草砍伐量的减少, 植被覆盖度比60 ～70年代有所增加, 也相应增加了自然植被的水分腾发量, 进而对山区地表径流量也产生了一定影响。四是局部区域城市面积的扩大,使得城市地区地表径流量有增大的趋势。目前, 流域水资源总量370 亿m3 , 年用水量400 亿m3 , 已远远超过了流域水资源承载能力, 迫切需要研究人类活动对流域径流量的影响。
2 研究区基本情况
海河流域位于东经112°～120°, 北纬35°～43°之间, 东临渤海, 南界黄河, 西靠云中、太岳山, 北依蒙古高原, 总面积32.0 万km2 , 占全国面积的3.3%。其中, 山区面积18.9万km2 , 平原面积13.1万km2。流域由滦河、海河(海河北系、海河南系) 、徒骇马颊河三大水系组成。海河流域有较好的水文观测站网, 积累了长系列的资料, 曾在80 年代利用1956～1979年的水文系列进行了第一次流域水资源评价。为便于研究, 本次将海河流域划分为滦河及冀东沿海诸河、海河北系、海河南系和徒骇马颊河系4 个流域二级区; 系列年限为1956 ～2000年,其中天然月径流量是在实测月径流量基础上进行还原计算后得到的, 还原水量包括农业用水量、工业用水量、生活用水量、水库蓄水变化量和跨流域引入(出)水量等。在单站径流还原的基础上, 采用双累积相关法(年降水量累积值与天然年径流量累积值相关)判断人类活动对降水径流关系发生变化的转折年份主要集中在1972～1981 年。故将1956 ～2000年系列分为1956 ～1979 年和1980～2000 年2个系列进行分析。
本文共选用雨量站900个, 全流域平均站网密度356 km2 /站。与1956～1979 年系列成果相比, 1956～2000年全流域多年平均年降水量减少4.5%, 1980～2000年全流域多年平均降水量偏少10.5%, 如表1所列。通过选取流域内观测系列较长、蒸发皿型号(φ<20 mm )不变的北京、天津、塘沽、大同、阳泉、长治共6 个代表站, 分析了1956 ～1979 年、1980～2000年2个时段蒸发量的变化趋势, 虽出现局部变化, 但未出现系统偏大或偏小现象, 如表2 所列[ 2 ] , 故总体蒸发量按照与1956 ～1979 年系列一致考虑。
表1 海河流域2次评价降水量成果对比
表2 海河流域代表站年水面蒸发量(φ<20 mm )统计
3 人类活动对地表径流量影响的研究
引起降水径流关系变化的主要原因有2个: 一是自然因素; 二是人类活动因素。自然因素主要是降水, 从降水量的分析可以看出, 海河流域1980年以后汛期降水量占年降水量的比例较1956～1979年有减少的趋势。人类活动对河川径流量的影响主要表现在2个方面: 第一, 直接影响, 即随着经济社会的发展, 河道外引用消耗的水量不断增加, 造成河川径流量的减少, 水文站实测径流已不能代表天然情况, 这在径流还原计算中已考虑。第二, 间接影响, 即由于工农业生产、基础设施建设和水土保持措施改变了流域的下垫面条件(包括植被、土壤、水面、耕地、潜水位等因素) , 导致流域产汇流条件的变化, 从而间接造成河川径流量的减少。产流方面, 人类活动主要是通过影响蒸散发、入渗等产流水量平衡要素来影响产流量; 汇流方面, 人类活动主要是通过改变流域调蓄作用来影响径流过程线的形状。因间接影响是渐变的, 且影响因素非常复杂, 难以逐年作出定量估算,故在传统的径流还原计算中未予考虑。
3.1 天然径流系列一致性修正法用于下垫面影响评价
系列的一致性是指产生各年水文资料下垫面的产流、汇流条件在评价期内无根本变化。目前, 主要是通过降水径流关系来评价径流系列的一致性: 如果不同年份的点据基本呈单一线, 则表明径流系列具有较好的一致性; 反之, 则表明受下垫面变化影响, 径流系列的一致性受到了破坏, 需进行一致性修正。
在流域内单站径流还原计算中, 已对受人类活动直接影响进行了还原, 在一定程度上改善了径流系列的一致性, 但从代表控制站的1956～2000 年降水径流关系来看, 大部分站的年降水径流关系呈带状分布, 即在同量级降水情况下, 20世纪80、90年代的产流量明显小于50、60年代产流量, 如大清河山区漫水河站、阜平站等, 见图。对1956～2000 年天然径流系列进行一致性修正, 主要目的是处理人类活动的间接影响, 通过修正得到具有一致性且能反映近期下垫面条件的天然径流系列。
以大清河山区漫水河站、阜平站、地都站为例,说明径流系列一致性修正方法。
图1 各代表站降水径流相关
第一步, 在单站径流还原计算的基础上, 点绘面平均年降水量与天然年径流深的相关图(如漫水河站)或考虑上一年降水量影响的面平均年降水量与天然年径流深相关图(如阜平站) , 从图1可见, 在同量级降水条件下, 50、60年代大多数点据位于右边, 80、90年代大多数点据位于左边, 表明年径流量呈衰减态势。
第二步, 将1956～2000年系列划分为人类活动影响前后2段, 分别通过点群中心绘制其年降水径流关系曲线。左边一条线代表80～90年代的年降水径流关系, 右边一条线代表50～70年代的年降水径流关系,2条曲线之间的横坐标距离即为年径流衰减值。
第三步, 选定一个年降水量值, 从图1中2条曲线上可查出2个年径流深值, 用下列公式计算年径流衰减率和修正系数
α = [ (R1 - R2 ) /R1 ]100%
β =R2 /R1
式中, α为年径流衰减率; β为年径流修正系数; R1为50～70年代下垫面条件下的年径流深; R2 为80～90年代下垫面条件下的年径流深。
根据查算的不同年降水量的α值和β值, 可以绘制p～β关系曲线, 作为修正50 ～70年代天然年径流系列的依据。
第四步, 根据需要修正年份的降水量(有的代表站或分区还需考虑上一年降水量) , 从P ～β关系曲线上查得修正系数, 乘以该年修正前的天然年径流量, 即可求得修正后的天然年径流量。
对经过还原计算和一致性修正后的各级分区1956～2000年天然年径流量系列进行计算。海河流域1956～2000年平均径流量为216亿m3 , 合径流深67.5 mm。全流域1956～2000年多年平均径流系数为0113。与1956～1979年系列相比, 本次全流域多年平均年径流量(采用1956～2000 年系列) 减少了25.0% (降水量减少4.5% ) ; 与不同下垫面条件下的1956～1979年系列相比, 在相同降雨条件下, 径流量减少11.1% , 详见表3。
3.2 分布式水文模型法用于下垫面影响评价
以永定河山区为研究区, 建立分布式水文模型,结合实测水文遥感监测, 依靠3S技术获取流域分布参数, 利用经过率定和验证过的分布式水文模型GBHM模型, 将1956～1997年的降水和水面蒸发系列作为模型输入计算降水产流量, 评价下垫面变化对流域水资源量的影响。
分别利用1990年和2000年的土地利用图作为水文下垫面, 计算天然状态下的逐年产流量, 即得到永定河山区研究区1957～1997年降水系列在1990年和2000年下垫面条件下的地表水资源量, 如图2所示。下垫面的改变使得研究区总产流发生了比较显著的变化, 多年平均地表水资源量减少了0.92亿m3 , 约占8%。分析表明, 研究区内主要土地利用类型为耕地、林地、草地, 三者面积总和占流域总面积90%以上,其余水域、未利用地等面积比例很小。20世纪90年代初到2000年, 研究区内大中小型水库和塘坝790处未发生变化; 水田减少了199 km2 , 变化率为16.45% , 产流能力降低; 旱地增加了1 005 km2 , 变化率为5.81%, 增加的天然降水消耗, 同样降低了产流能力; 林地在10年间减少了1 454 km2 , 变化率为16.64%。林地的减少一般会增加产流能力, 但永定河的情况是林地绝对数减少(主要是疏林地) , 但林冠面积增加(灌木林增加) 。草地的变化在绝对数量和草冠面积上均呈增加态势, 草地的增加会增加耗水量, 降低产流能力, 因此, 短时期内水文下垫面变化以土地利用方式的改变为主。
表3 海河流域地表水资源量成果对比
4 结 语
海河流域在1956～2000年, 由于人类活动加剧,下垫面发生较大变化, 径流量明显减少。利用天然径流系列一致性修正法和分布式水文模型法能较好地验证下垫面变化对径流量的影响程度。在对人类活动直接影响进行还原的基础上, 利用天然径流系列一致性修正法能较好地分析出人类活动的间接影响, 最终得出人类活动对径流量的全部影响。在不考虑降水变异性的情况下, 基本坡面流产流单元特性仅与该基本单元的土地利用类型、土壤类型分布、土层厚度及边坡长度有关, 运用分布式水文模型能分析出不同下垫面条件下的径流量和变化趋势。
图2 永定河山区研究区1957 ～1997年降水系列在1990年与2000 年下垫面条件下的地表水资源量对比
参考文献:
[ 1 ] 文 康.人类活动对水文的挑战[A].中国水文科学与技术研究进展学术讨论会论文集[C].南京: 河海大学出版社,2004.38-41.
[ 2 ] 任宪韶, 户作亮, 曹寅白, 等.海河流域水资源评价[M].北京: 中国水利水电出版社, 2007.
[ 3 ] 史辅成, 慕 平, 王玉峰.黄河流域下垫面变化对径流量影响的讨论[J].人民黄河, 2005, 27 (1) : 21-22 , 35.
作者简介：韩瑞光(1970— ) , 男, 博士研究生。
