滹沱河山区径流多尺度变化规律及影响因素研究_常玉儒.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月水 资 源 与 水 工 程 学 报 ,收稿日期:;修回日期:基金项目:河北省创新研究群体项目(),中国科学院“人才计划”项目作者简介:常玉儒(),女,河北石家庄人,硕士研究生,主要研究方向为流域水文模拟。通讯作者:沈彦军(),男,内蒙古正镶白旗人,博士,研究员,主要研究方向为流域生态水文模拟与水环境管理。:滹沱河山区径流多尺度变化规律及影响因素研究常玉儒,刘 夏,赵小宁,沈彦军,(中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心,中国科学院农业水资源重点实验室,河北省节水农业重点实验室,河北 石家庄;中国科学院大学,北京;河北省石家庄水文勘测研究中心,河北 平山)摘 要:
2、径流是反映流域气候及地理环境变化的重要指标,辨析其多尺度变化特征及影响因素,对于认识气候变化背景下流域水文情势变化规律及维护水资源安全具有重要意义。以滹沱河山区小觉流域和冶河流域为例,结合水文和气象数据,应用 趋势分析、突变检验及 小波函数等方法,分析两流域 年径流深趋势、突变、周期等多尺度变化特征,并利用相关分析与随机森林模型揭示了气温、降水、潜在蒸散发、叶面积指数对不同时段(汛期、非汛期)月径流深变化的相对重要性。研究结果表明:年多年平均尺度上,冶河流域径流深()大于小觉流域(),两流域年径流深均呈显著下降趋势,且冶河流域的下降速率()大于小觉流域的下降速率();在月和季节尺度上,两流域径
3、流深也呈现显著下降趋势,尤其在夏季时段径流深下降趋势最快。小觉流域和冶河流域径流深分别在 和 年发生突变,且突变后径流深下降速率较突变前有所减缓,同时极端流量出现频率减少,其中 月份流量减小幅度最大。小觉流域的径流深主周期分别为、和 ,冶河流域的径流深主周期分别为、和 ,在第一主周期的时间尺度上都存在 个丰枯变化周期。对汛期和全年时段进行相关分析和随机森林模型的结果表明,降水是影响流域径流长期变化的主导因子,尤其在汛期时段;在非汛期,叶面积指数是影响径流变化的重要因素。关键词:径流深;随机森林模型;影响因素;小觉流域;冶河流域;滹沱河山区中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(,;,;,):
4、,()(),(,)(),()(),;,:;研究背景水循环是全球气候变化研究的核心内容之一。而径流作为水循环和水量平衡的重要组成部分,其变化对流域生态系统的植被、水循环及生态环境过程有着重要的影响。因自然因素与人类活动引起的气候与植被变化显著改变了河川径流的情势:一方面,全球气候变化改变了水循环中降水、地表径流、蒸发和其他水文变量之间的联系,导致部分区域极端气候、水文事件频发;另一方面,人类生产活动通过改变下垫面,直接或间接影响了流域产汇流过程,地表径流开始呈现非平稳特征或干旱化趋势,对水资源可持续利用造成不利影响。因此,径流变化规律及归因分析研究也成为生态水文和水资源领域研究的热点。国内外很多
5、学者对全球或者区域尺度的径流变化趋势、变异性及归因进行了研究。等发现,在全球尺度上,径流对降水变化最敏感,尤其在干旱地区响应更加明显;等发现,在全球相对干旱的地区,径流对植被变化的敏感性更高,甚至超过了径流对气候的敏感性。在气候变化与人类活动的背景下,我国各大流域河川径流也均呈减少趋势,尤其在北方地区更明显,径流对各气候因子变化的敏感程度也更高。海河是受人类活动影响最显著的河流,世纪 年代以后的径流深较之前减少了,给区域的水资源管理带了严峻挑战。因此,科学分析径流深变化特征并识别其影响因素对区域水资源管理至关重要。滹沱河是海河水系子牙河流域上游支流之一,地处华北平原与山西高原相接地区,跨晋、冀
6、两省,是华北平原主要的产水区之一。近年来,滹沱河流域径流深呈显著下降趋势,水资源问题日益突出;入境水量和产水量趋于减少且年内径流波动大,农业灌溉用水显著增加,流域整体有干旱化趋势,对保障中下游地区的水资源安全构成严重威胁。多年来,许多学者针对该流域水资源问题进行过研究,取得了不少成果,内容涉及流域径流变化特征、影响因素等问题。苗正伟等对小觉流域基于 模型和 弹性系数法的研究结果表明,气候变化对径流减少的贡献率在 ,是径流量减少的主要驱动力;等基于 弹性系数法对海河的研究结果表明,人类活动引起的土地覆被变化对径流变化的影响占径流减少量的,气候变化影响只占;等对小觉流域基于水文敏感性分析法的研究结
7、果表明,年之前降水减少是引起小觉流域径流量减少的主要原因,年之后生活用水和工农业用水是引发径流量减少的主要原因;等、等对小觉流域基于水文模型和统计学方法的研究结果表明,径流受气候变化的影响更加敏感。由此可见,对同一研究区域,由于研究方法和研究时段的不同,得出的结果有一定差异,且大多数研究只基于年尺度进行流域径流变化归因分析,缺乏对季节和月尺度上更细致地研究。此外,小觉流域和冶河流域汛期和非汛期时段内径流变异性大,两流域 以上的径流集中在汛期(月),而非汛期时段持续时间长,径流量小;汛期和非汛期径流变化的研究也有助于更深入理解流域径流的变化规律。世纪 年代以来,随着太行山绿化工程的开展,滹沱河山
8、区流域植被覆盖度总体呈增加趋势,在水土保持工程上取得了显著的生态效益。现有研究表明,在植被恢复的背景下,气候和植被变化是径流变化的重要因 水 资 源 与 水 工 程 学 报 年素,然而气候与植被对地表径流影响的相对重要性在不同研究区得出的结果并不一致。在过去的十几年间,小觉流域和冶河流域的下垫面状况经历了巨大的变化,因此,其植被变化对径流的影响也需更细致的研究。因此,本研究在流域气候和植被变化的背景下,选取滹沱河中上游流域,系统分析了 年流域地表径流深变化趋势、突变、周期特征,并定性分析了全年、汛期和非汛期时间段径流深的各影响因子及其相对重要性。研究结果可为区域径流变化归因研究提供新思路,并为
9、区域水资源合理开发利用提供科学参考。数据来源与研究方法 研究区概况滹沱河发源于山西省繁峙县泰戏山孤山村一带,是海河流域子牙河的重要支流之一。滹沱河流域内发育有冶河、阳武河、牧马河、清水河等多条支流,自河流上游至下游流经了盆地、山地、丘陵、平原 种地貌类型,分别约占流域总面积的、。根据流域地形地貌特点将滹沱河流域划分为上游、中游、下游 个区域,上游段为小觉水文站以上广大集水区,支流密集,集水能力强。小觉水文站至黄壁庄水库为中游段,主要流经丘陵区,水流湍急,地势落差大,发育有最大的支流 冶河。滹沱河山区流域主要指源头至黄壁庄水库之间区域,山区流域决定了黄壁庄水库及岗南水库的水资源量,对下游平原区的
10、生活及农业供水、防洪等至关重要。本文选取滹沱河山区的典型流域 小觉流域和冶河流域为研究区,流域界线分别由小觉水文站和平山水文站控制,地理范围为 和 ,面积分别为 和 ,海拔在 之间。研究区流域概况及气象、水文站点分布见图。滹沱河流域属温带大陆性季风气候,夏季高温多雨,冬季寒冷干燥,多年平均降水量为,最大年降水量为 ,最小年降水量为,的降水和 的地表径流深集中在汛期(月),多年平均气温为 ,极端最高气温为 ,最低气温为 。流域土壤类型以黄土和棕壤为主,山区和丘陵的母岩类型主要为片麻岩、砂岩和石灰岩等,主要土地利用类型为林地、草地和耕地,其中,林地主要包括落叶阔叶林、针叶林和灌木等,作物类型主要是
11、冬小麦和夏玉米。图 小觉流域和冶河流域概况及气象、水文站点分布 数据来源小觉水文站和平山水文站 年逐月地表径流数据来源于海河水文年鉴。冶河流域气象数据采用井陉、盂县、阳泉、平定、昔阳等 个气象站的逐月降水、气温等数据;小觉流域气象数据采用繁峙、五台县豆村、忻府区、原平等 个气象站的逐月降水、气温等数据,气象数据来源于中国地面气候资料日值数据集(:),流域面降水量及气温由多个气象站数据采用泰森多边形加权平均计算得到其平均值;叶面积指数(,)采用 年 影像数据(:),空 间 分 辨 率 为 ,数字高程模型(,)采用 数据(:),用于提取流域边界和地形信息。研究方法()趋势及突变分析。检验方法(简称
12、 法)是国际气象组织推荐的非参数检验方法,用于诊断数据序列变化趋势特征及突变点。该方法计算简便,不需要遵从一定的分布特征,也不受异常值的干扰,被广泛应用于水文气象数据的分析中。()小 波 函 数 周 期 分 析。小 波 变换 能够反映径流、降水和气温等水文气象序列的多尺度变化特征。采用 连续复小波变换来计算小觉流域和冶河流域径流深的小波实部系数值、小波方差值,进而分析流域的周期变化特征,小波函数如下所示:()()第 期 常玉儒,等:滹沱河山区径流多尺度变化规律及影响因素研究式中:()为基小波;为时间变量;为常数;为虚部。在基小波函数的基础上进行时间平移和尺度收缩,并在不同时间尺度下对信号做内积
13、,得到小波系数,小波方差是小波实部系数的平方值在时间域上的积分。小波实部系数等值线图能反映径流序列在不同时间尺度上的周期变化情况及丰枯分布;小波方差图反映在不同的时间尺度下能量波动的分布也不同;主周期趋势图可以反映小波实部系数在不同时间尺度上的丰枯变化情况。()流量历时曲线。流量历时曲线(,)定义为在某个时段内大于等于该流量与对应时间之间的相关关系,描述了从小流量到大流量状态下,每段流量频次发生范围内径流的分布特征,广泛应用于灌溉、河流湖泊污染治理及水文情势预报等领域,可表达为:()()式中:为某一流量的发生频次;为概率密度函数;为径流深,;为特定径流深,。()径流影响因素相对重要性分析。本研
14、究采用 语言 包中的条件推理决策树构建随机森林模型。根据相关文献和研究区背景,滹沱河山区流域处于太行山区,自 年以来,通过太行山植被绿化工程采取了一系列的退耕还林、还草措施,绿化面积达 ,植被已经成为滹沱河山区流域下垫面要素中变化最为显著的变量之一,又是衡量植被生长状况的重要指标,故挑选、气温、降水、潜在蒸散发作为衡量地表径流的相对重要性指标。采用随机森林模型中的变量重要性分析模块,输入数据为 年流域的径流、气温、降水、潜在蒸散发、的月尺度数据。随机 森 林 模 型 是 一 种 现 代 分 类 与 回 归 技术,作为机器学习方法的一种,可以挖掘数据之间的内在联系,在水文学中得到了广泛的应用,如
15、径流的模拟与预测、水位的预测和径流变化归因分析等领域,可以考虑径流与影响因素之间的非线性关系。由多个决策树构成(为决策树的数目),这些决策树相互独立且采用非线性的处理方法。每一颗决策树在处理过程中对应一个可放回的样本集并不断进行二分裂,计算余留样本的预测均方误差,最终对样本的重要性进行度量。结果与分析 径流深统计及其变化特征分析 年小觉流域和冶河流域月均、季节、年均径流深统计及变化特征如表 所示。比较两个流域在 年的多年平均径流深,冶河流域()大于小觉流域(),并且冶河流域径流深年际变化较大,变异系数为 ,明显高于小觉流域()。两个流域的径流深在多年尺度上均呈显著下降趋势(),小觉流域和冶河流
16、域径流深下降速率分别为 和 。在月尺度上,除 月份之外,小觉流域其他各月径流深也均呈现显著下降趋势,其中 月份下降趋势最为明显();冶河流域径流深在 月份呈现增加趋势(),其余月份则均呈现下降趋势,其中,、和 月份变化趋势并不显著()。总体上,不论是季节尺度还是汛期、非汛期尺度,两个流域的径流深均呈下降趋势,小觉流域和冶河流域汛期径流深下降最快,两流域在夏季和汛期时段多年平均下降速率分别为 和 以及 和 。从变异系数上来看,在月尺度上两个流域均在 月份变异系数较大;从季节尺度上来看,夏季或汛期时段的变异系数最大,可能是夏季为降水集中期,降水对径流的影响强烈所导致。运用累积距平法计算 个流域 年
17、的径流深累积距平值,并分别绘制径流深累积距平曲线以反映 个流域径流深变化趋势,如图 所示。由图 可以看出,世纪 年代之前,个流域的累积距平曲线明显上升,受极值年影响,小觉流域 年曲线小幅波动下降,年后曲线持续下降;冶河流域 年后持续下降。径流突变分析采用 突变分析方法来对小觉流域和冶河流域在 年径流深统计 和 序列进行识别,给定显著性水平 ,临界值 ,绘制 和 曲线图如图 所示。若 与 相交且在置信水平 ,内,则可认为径流序列发生了突变,突变点即为交点。由图 可见,小觉流域年径流深的 曲线下降趋势显著,在 年与 曲线在 置信区间内相交,且通过了显著性水平为 的检验,因此小觉流域年径流深在 年发
18、生突变;冶河流域年径流深的 曲线于之后急剧下降,在年与曲线在 置信区间内相交,可知冶河流域年径流深在 年发生突变。结合图 可以得出,小觉流域突变前后时段年均径流深分别为 和 ,突变后径流深减少了 ;冶河流域突变前后时段 水 资 源 与 水 工 程 学 报 年年均径流深分别为 和 ,突变后径流深减少了 。表 年小觉流域和冶河流域月均、季节、年均径流深统计及变化特征时段小觉流域平均值标准差变异系数 值斜率 值冶河流域平均值标准差变异系数 值斜率 值 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 年均 春季 夏季 秋季 冬季 汛期 非汛期 注:时为上升趋势,时为下降趋势,值大于 表明在 水平下变化
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