三江平原典型沼澤性河流徑流演變特征及趨勢分析

沼澤河流是沼澤水資源的主要儲(chǔ)存形式之一。河流徑流受氣候、地貌、土壤、植被等自然條件以及人類活動(dòng)的耦合作用,其演變過程既表現(xiàn)出確定性規(guī)律,同時(shí)也有強(qiáng)烈的隨機(jī)性。沼澤性河流徑流的演變也具有一般性河流演變的特點(diǎn),同時(shí)具有其獨(dú)特性。分析沼澤性河流徑流的特征,認(rèn)識(shí)演化規(guī)律和趨勢,不僅有助于深入了解沼澤濕地水循環(huán)與水平衡,而且對沼澤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和沼澤濕地環(huán)境演化以及沼澤濕地水資源合理開發(fā)利用等有重要意義。三江平原為黑龍江、松花江、烏蘇里江匯流沖積形成的低平原,是我國沼澤濕地集中分布且面積最大的區(qū)域。撓力河是三江平原的一條典型的沼澤性河流,該流域沼澤濕地面積大,生物多樣性豐富,被列為國際瀕危鳥類繁育區(qū)域。近50a,隨著自然和人類活動(dòng)的影響,尤其是沼澤及沼澤化土地的大規(guī)模開墾,河川徑流已經(jīng)發(fā)生了一系列深刻的變化,旱澇災(zāi)害的頻率加大?；诖?我們從隨機(jī)水文學(xué)的角度,探討了撓力河年徑流的特征及演化趨勢,以期對該流域濕地水資源評價(jià)、開發(fā)、利用、管理和沼澤濕地保護(hù)提供水資源的科學(xué)依據(jù)。1梁東河第二期積極探索撓力河為烏蘇里江的一級支流,發(fā)源于完達(dá)山脈勃利縣境內(nèi)的七里嘎山,自西南流向東北,全長596km,流域總面積為24863km2。撓力河在寶清鎮(zhèn)以上為山區(qū)性河流,地面比降為1/200~1/800,河道彎曲系數(shù)為1.7。寶清鎮(zhèn)以下進(jìn)入平原區(qū)成為典型的沼澤性河流,地面坡降變緩,中游劉福亮子為坡降變緩的轉(zhuǎn)折點(diǎn),寶清至劉福亮子坡降為1/1600,劉福亮子至炮臺(tái)亮子坡降為1/4000~1/10000。炮臺(tái)亮子至菜咀子坡降為1/12000~1/15000。由菜咀子開始灘地比降又逐級變陡,菜咀子至河口平均坡降為1/8000,彎曲系數(shù)為2~3。河道彎曲嚴(yán)重,只有部分河段有防洪措施,大部分仍為天然狀態(tài)。河道呈微復(fù)式斷面,上游寬50m,最大水深2.5m,下游寬100m,最大水深3m~5m。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,撓力河水資源開發(fā)利用程度也逐漸加深。目前,流域內(nèi)龍頭橋以下超過100hm2的灌區(qū)已有5處,總用水量達(dá)1848×104m3,為防止河流泛濫,已修筑了339km的堤防,流域內(nèi)還有4個(gè)已建成的大中小型水庫,壩高均不超過12m,是防洪、灌溉、綜合利用水庫。目前興建的龍頭橋水庫,控制流域面積1730km2,壩頂長760m,最大壩高25.7m,總庫容6.15×108m3,是一座以灌溉、防洪為主,兼顧發(fā)電、養(yǎng)魚、旅游等綜合利用的大型水利工程。該水庫的建成,將對三江平原地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到極大的推動(dòng)作用。2流量發(fā)展的特征分析2.1流量生產(chǎn)的漸進(jìn)性2.1.1菜前季節(jié)徑流河流年徑流的多年變化具有一定的周期性,研究應(yīng)用方差分析對撓力河天然徑流進(jìn)行周期分析。結(jié)果表明:撓力河中上游寶清站雨季徑流具有4a的第一周期,和9a的長周期,這與撓力河流域降水的準(zhǔn)周期4a和降水的9a長周期相對應(yīng),這說明寶清站雨季徑流與降水因素的關(guān)系密切。撓力河中下游的菜嘴子站雨季徑流具有8a的長周期,這可能與撓力河中游分布有大面積的沼澤濕地有密切的關(guān)系,因?yàn)檎訚蓾竦卮蟠笤鰪?qiáng)了流域的調(diào)蓄能力,它影響了菜嘴子站雨季徑流的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。年徑流序列、旱季徑流序列均具有8a~9a的第一周期,這與撓力河流域降水的9a長周期相對應(yīng)?；?最低月徑流)序列均具有9a的第一周期,其變化的周期較長,因此可以推測影響基流的地貌、土壤和植被對基流的周期變化起一定的作用。2.1.2變點(diǎn)分析結(jié)果地表水資源突變可理解為地表水資源從一種分布狀態(tài)到另一種狀態(tài)突然而持久的變動(dòng)。大部分水文問題是非線性的、半隨機(jī)的、分布的、時(shí)變的和動(dòng)態(tài)的,其輸入或輸出的某個(gè)(某些)變量不可控制,突然發(fā)生變化。突變現(xiàn)象不僅在一定程度上揭示了系統(tǒng)的本質(zhì),而且對于系統(tǒng)的有效調(diào)控有重要作用。掌握徑流演變規(guī)律,除了分析總體趨勢外,還必須判斷并檢驗(yàn)突變發(fā)生的時(shí)間、次數(shù)和變化幅度。目前研究突變的方法較多,由于歷史資料的離散性和復(fù)雜性,大都采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法,如Mann-Kendall檢驗(yàn)和均值差異T檢驗(yàn)等。該文采用均值差異T檢驗(yàn)的方法。若某一序列中某兩個(gè)時(shí)段的平均值之間的差異具有充分的統(tǒng)計(jì)顯著性,則認(rèn)為在給定的置信度范圍內(nèi),該序列在選定的時(shí)間點(diǎn)上出現(xiàn)了突變現(xiàn)象。定義樣本長度為N的序列突變指數(shù)為:AI=|X1p?X2p|?(S1+S2)?1(1)AΙ=|X1p-X2p|?(S1+S2)-1(1)式中:X1p和S1為基準(zhǔn)年前M1年的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差;X2p和S2為后M2年的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。計(jì)算時(shí)采用連續(xù)移動(dòng)基準(zhǔn)年的方法,就可得突變指數(shù)AI的時(shí)間序列。定義統(tǒng)計(jì)量:t=(X1p-X2p)·[Sp(1·M?111-1+1·M?122-1)1/2]-1(2)式中:M1和M2為基準(zhǔn)年前后兩段序列的樣本長度;Sp為聯(lián)合樣本方差。Sp2=[(M1-1)S2112+(M2-1)S2222]·(M1+M2-2)-1該統(tǒng)計(jì)量t服從自由度為M1+M2-2的t分布,當(dāng)給出一定的顯著水平α,如t>tα則在α的顯著水平上,基準(zhǔn)總兩側(cè)M1年及M2年的均值有明顯的差異,即在基準(zhǔn)點(diǎn)處出現(xiàn)了突變。三江平原開發(fā)規(guī)模較大的時(shí)期在60年代至80年代末,在這一時(shí)期水資源的變化較大,現(xiàn)根據(jù)1964年至1989年的寶清站和菜嘴子站的年徑流序列作均值差異T檢驗(yàn)的突變分析。分析結(jié)果如表1。檢驗(yàn)中當(dāng)顯著水平α=0.05,相應(yīng)的臨界值tα=1.7109;當(dāng)M1=10,11,12,13時(shí),寶清站t>tα,由于M1=10,11,12,13是連續(xù)出現(xiàn)的年份,因此提高檢驗(yàn)的顯著水平,當(dāng)α=0.001,相應(yīng)的臨界值tα=2.7969,當(dāng)M1=11時(shí),寶清站t>tα,即寶清站在1974年,發(fā)生了一次徑流突變。菜嘴子站在顯著水平α=0.05時(shí),M1=13時(shí),菜嘴子站t>tα,即菜嘴子站在1976年發(fā)生了一次徑流突變。根據(jù)變點(diǎn)分析結(jié)果,可以認(rèn)為撓力河中上游的寶清站河川徑流的演變過程(1964年~1989年)可分為2個(gè)階段(圖1),即1964年~1973年,1974年~1989年,2個(gè)階段的多年平均徑流量分別為6.64×108m3和3.08×108m3,相應(yīng)變點(diǎn)的躍度為3.56×108m3。撓力河中下游的菜嘴子站河川徑流的演變過程(1964年~1989年)也可分為2個(gè)階段(圖1),即1964年~1975年,1976年~1989年,2個(gè)階段的多年平均徑流量分別為16.88×108m3和10.59×108m3,相應(yīng)變點(diǎn)的躍度為6.29×108m3。2.2徑流、枯季徑流序列和菜行使序列的相關(guān)分析自相關(guān)分析是研究水文序列內(nèi)部線性相依性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)技術(shù),是徑流演變過程的另一個(gè)重要指標(biāo)。徑流系列的相依性反映了年徑流演變過程在時(shí)間上的依承關(guān)系,揭示了不同年份徑流的相互關(guān)系?，F(xiàn)對撓力河流域?qū)毲逭竞筒俗熳诱揪哂羞B續(xù)資料的1964年至1989年的徑流資料進(jìn)行分析。表2為撓力河寶清和菜嘴子兩站年徑流序列、雨季徑流序列、旱季徑流序列和基流(最低月徑流)序列的一階自相關(guān)函數(shù)r(1)的分析結(jié)果。從相關(guān)分析結(jié)果可知,撓力河天然徑流中年徑流、枯季徑流序列相鄰年相依性較強(qiáng);雨季徑流序列相鄰年相依性較差,甚至為負(fù)相關(guān),主要由于雨季徑流受降水影響較大,降水的變化具有隨機(jī)性的特點(diǎn);寶清站基流序列相鄰年相依性較弱,菜嘴子站基流序列相鄰年相依性較強(qiáng),這與菜嘴子站上游分布有大面積的沼澤濕地對水量的調(diào)蓄作用有密切的關(guān)系。圖2、圖3反映了自相關(guān)函數(shù)隨滯時(shí)的變化特點(diǎn):寶清站年徑流、枯季徑流序列和菜嘴子站年徑流、枯季徑流、基流序列顯示出相依隨機(jī)序列自相關(guān)圖的特點(diǎn),r(k)值較大,且r(k)—k是一條有波動(dòng)的衰減曲線(圖2左,圖3左);寶清站雨季徑流、枯季徑流序列和菜嘴子站雨季徑流序列顯示出獨(dú)立隨機(jī)序列自相關(guān)圖的特點(diǎn),r(k)值較小,且r(k)—k是一條圍繞r(k)=0水平軸上下波動(dòng)的曲線(圖2右,圖3右)。值得注意的是位于撓力河下游的菜嘴子站的基流序列表現(xiàn)出較強(qiáng)的相依性,而位于上游的寶清站的基流序列的相依性較差,這說明了處于上下游之間的大面積的沼澤濕地對下游菜嘴子站的基流有較強(qiáng)的調(diào)蓄作用。這也是沼澤性河流不同于一般河流的突出特點(diǎn)。不同徑流演變的相依性,同一流域不同斷面徑流的相依關(guān)系可以通過推移互相關(guān)函數(shù)rxy(k)來反映。圖4是寶清站與菜嘴子站年徑流量的相關(guān)分析結(jié)果圖,當(dāng)顯著水平α=0.05時(shí),寶清與菜嘴子兩站年徑流量的相依關(guān)系顯著(k=0,4,8),當(dāng)k=0,8時(shí)為正相關(guān),k=4時(shí)為負(fù)相關(guān)。這表明滯時(shí)k相距4a和8a時(shí),兩站之間的關(guān)系較為密切,同時(shí)k=0,表明兩站同期年徑流之間相依關(guān)系非常密切。3徑流時(shí)空分布特征由于受自然或人為因素影響,年徑流序列可能表現(xiàn)出一定變化趨勢,序列中是否具有趨勢性或包含趨勢性成分,可應(yīng)用序列變化的物理原因和統(tǒng)計(jì)性質(zhì)進(jìn)行分析。研究采用Kendall迭次相關(guān)檢驗(yàn),對年徑流序列趨勢性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和分析。表3是撓力河兩個(gè)具有代表性的水文站寶清站、菜嘴子站的年徑流序列的趨勢性分析結(jié)果。檢驗(yàn)中當(dāng)顯著水平α=0.05,α=0.01時(shí),撓力河兩個(gè)水文站1964年~1989年的年徑流量呈顯著減少趨勢,90年代徑流量減少趨勢不明顯。圖5反映了寶清站和菜嘴子站1964年~1989年徑流趨勢變化并給出了線性趨勢回歸方程,兩站的年徑流量都具有明顯減少的趨勢。通過對三江平原典型沼澤性河流撓力河徑流演化特征進(jìn)行分析,自60年代至80年代末,撓力河徑流量總體呈現(xiàn)減少趨勢,徑流演變過程具有明顯的突變特征。流域地表徑流與氣候有直接的關(guān)系,但其趨勢變化主要受流域特征和人類活動(dòng)的影響。對三江平原撓力河流域地表水資源產(chǎn)生水文效應(yīng)的主要原因是人類活動(dòng)的不斷加劇,一個(gè)是由于生產(chǎn)發(fā)展引起城市生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)耗用水量的增加,再著是人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)引起下墊面條件的改變。由于發(fā)展灌溉農(nóng)業(yè),修筑各種水利設(shè)施來開發(fā)利用水資源,修建堤防工程,進(jìn)行河道治理與排水渠干等改變了沼澤濕地水狀態(tài)格局,對河川徑流產(chǎn)生了明顯的水文效應(yīng)。4徑流生長的變化該文采用近代隨機(jī)水文學(xué)的方法,探討了三江平原沼澤性河流撓力河徑流特征及演化趨勢并進(jìn)行了全面的分析。通過上下游兩個(gè)測站的對比研究,結(jié)果表明:(1)三江平原撓力河上游的寶清站、下游的菜嘴子站的年徑流、旱季徑流與基流具有8a~9a的周期,寶清站雨季徑流有3a和8a的周期,受降水影響顯著,菜嘴子站雨季徑流具有8a的長周期,這與流域中下游大面積的沼澤濕地的調(diào)蓄作用有明顯的關(guān)系。(2)三江平原撓力河上游的寶清站、下游的菜嘴子站的年徑流、枯季徑流序列相依性較強(qiáng);雨季徑流序列相依性較差,甚至為負(fù)相關(guān),受降水影響較大;寶清站基流序列相依性較弱,菜嘴子站基流序列相依性較強(qiáng),反映了上下游之間的大面積的沼澤濕地對下游菜嘴子站的基流較強(qiáng)的調(diào)蓄作用。這是沼澤性河流不同于一般河流的突出特點(diǎn)。(3)自60年代至80年代末,三江平原撓力河河川