人类活动影响下六股河流域降雨径流关系特征分析

2014-03-22刘中义

东北水利水电 2014年6期

关键词：下垫面护坡径流

刘中义，刘洋

（辽宁省水文水资源勘测局葫芦岛分局，辽宁葫芦岛 125000）

人类活动影响下六股河流域降雨径流关系特征分析

刘中义，刘洋

（辽宁省水文水资源勘测局葫芦岛分局，辽宁葫芦岛 125000）

以六股河流域作为研究对象,分析了该流域 1980 年前后降雨径流关系的动态变化特点。研究结果表明,该流域降雨径流关系并非线性关系。而且 1980 年以后由于人类活动影响的加剧,该流域降雨径流关系发生了一定的变化,两个时段的降雨径流相关关系很好,但数量上变化较大，降雨径流关系的这种变化,除受下垫面因素影响外,还与流域内水资源开发利用程度有关。研究和分析降雨径流关系的变化,对水资源开发利用以及水资源评价有重要作用。

降雨径流关系；人类活动影响；动态变化特征

1 流域概况

六股河是葫芦岛市境内最大一条独流入海的河流，发源于建昌县谷杖子乡双庙村北楼子山（海拔 1092m），向南流经兴城市、绥中县，于绥中县小庄子乡大渔场注入渤海，河长 158km，流域面积3080km2。

六股河较大的支流有云山洞河、茅河、八家子河、黑水河和王宝河等，在王宝河上建有龙屯大型水库一座，在云山洞河上建有马道子中型水库一座。整个流域南北长，东西窄，地势为西北高、东南低，西北部为低山丘陵地区，中部为丘陵地区，南部主要为河谷平原和山前扇裙地区。

2 天然状态下降雨径流关系分析

人类活动对流域下垫面的影响，是一个极其复杂的渐变过程，人类活动形式不同，影响程度不同，降雨径流关系发生变化的转折年份也不同。有序聚类分析法是一种推求时间序列发生可能性突变点的有效方法，实际上也是推求最优分割点,使得同类之间的离差平方和最小，而类与类之间的离差平方和相对较大。对于一个时间序列 Ai，首先分段计算时段离差平方和，计算公式为：

式中：Aτ——突变点 i前的水文序列均值；An-τ——突变点 i后的水文序列均值。则总离差和为：

利用有序聚类分析法对六股河 1963—2012 年地表水径流系列进行分析计算，点绘曲线。当τ 为 1979 年时曲线达到最小值，因此，1979 年是地表径流系列过程发生显著突变点。

根据流域内经济发展情况,结合上述计算结果,初步认为 1980 年以前该流域受人类活动影响较小或基本没有受到人类活动影响。则对 1963—1979 年降雨径流系列进行分析,建立其相关关系。通过对该系列资料相关计算,计算结果见表 1。

通过对六股河流域 1980 年以前降雨径流关系分析,5种回归分析类型中,有3种分析类型相关系数在 0.9 以上, 说明六股河流域 1980 年以前降雨径流相关关系较好。

3 人类活动影响下降雨径流关系分析

水文下垫面是影响水量平衡及水文过程的地表各类覆盖物的一个综合体。地表各类覆盖物很多，本文研究和关注的仅是影响水量平衡及水文过程的那些要素。这些要素大致可分为地质、地貌、植被和人为建筑等4类要素。

表1 天然状态下降雨径流关系曲线及相关系数

3.1 植被对降雨径流关系的影响

土壤对水分的渗透性是森林水文特征的重要反映，土壤渗透能力主要决定于非毛管孔隙度，通常与非毛管孔隙度呈显著正线性相关关系。土壤渗透的发生及渗透量决定于土壤水分饱和度与补给状况，不同的土壤类型和森林生态系统类型决定着土壤的渗透性能。森林破坏会降低根系的活动，加之凋落物层减少和土壤孔隙度降低，使土壤的渗水性能降低。植树造林是一项重要的水土保持措施。林业对径流的影响体现在两方面：1）是树木枝叶在降雨过程中可以截留一定的水量，而这部分水量大部分要蒸发掉；2）是有枯枝落叶层和发达根系的林地，具有涵蓄一定水量的能力，其入渗能力比荒地大，从而增加了降水过程的入渗损失量。植被类要素是通过植物的生长影响水量平衡，同时，在植物生长的地方，由于土质较疏松易于入渗并能够存贮一定的水量，致使洪水过程趋于平缓,又使洪水总量有所减少，因此，植被对区域的水量平衡及水文过程亦有较大的影响。

3.2 人类活动对降雨径流关系影响

山区人类活动主要包括封山育林、建造石坝梯田、修建水库及塘坝等措施，这些措施改变了流域的自然形态，增强了流域调蓄能力，改变了产、汇流规律，使流域入渗损失量及陆面的蒸散发量加大，从而导致地表产水量的减少。水土保持及土地利用是一项持续时间长且范围广泛的人类活动，这些活动种类繁多，其影响十分广泛，几乎涉及到各大小流域，对河川径流的影响，是通过改变流域产汇流条件而实现的，其影响程度主要取决于水保措施及土地利用的规模、投资和治理水平。在 1980 年前后的农田基本建设活动，以及改革开放以来大量投资的水土流失治理等多项措施，增强了流域的拦洪蓄水作用，从而影响了地表径流的汇集，增加了有效蒸发，减小了河川径流量。因此，可以确定水土保持措施及土地利用活动对河川径流的影响是不容忽视的一项主要因素。

3.3 水利工程对降雨径流关系影响

河道渗漏是天然状态下河道水量的一种运动形式，是地表水向地下水转化的一部分，但近年来，由于人类活动的干扰，破坏了天然状态下各渗漏河道原有的动态平衡，随着地下水位的大幅度下降，渗漏量明显增加。人为建筑物从各方面改变了原有的水文下垫面状况，如改变了岩性，减小了地面坡度，破坏了地表原有的天然植被，修建水库后改变了下游原有的水量平衡及水文过程，某些道路、桥隧可能改变了原有的流域界线并打破了原有的水量平衡及水文过程状态。

3.4 人类活动影响下降雨径流关系分析

随着工农业生产的发展，水资源开发程度提高，人类活动对水文循环及水资源产生一定的影响。人类活动影响主要包括地下水开发利用、水土保持措施及其他工程和非工程措施等。由于受温室效应的作用，该流域降水量系列也呈递减趋势。在自然因素和人类活动因素共同作用下，导致该流域降雨径流关系发生变化。环境变化下六股河流域降雨径流关系曲线线性及相关系数见表2。

表2 环境变化下降雨径流关系曲线及相关系数

4 降雨径流关系动态变化对径流量影响

人类活动影响地表径流可分为水资源开发利用活动的直接影响和流域下垫面渐变累积的间接影响两大类型。前者主要指因支撑河道外社会经济发展用水需求或防汛分洪和洪水利用，通过取水（分洪）设施直接引取利用河川径流，而对河流自然流量和过程造成的直接影响。后者主要指人类社会大规模土地开发利用和土地覆盖变化活动，渐进式引起流域下垫面变化，最终累积产生流域产汇流变化的水文效应，使流域地表径流伴随过程的变化而增大或减少。

在选择的5种回归分析类型中，相关系数均在 0.9 以上，该流域降雨径流关系虽受人类活动影响，使得降雨径流关系在数量上发生变化，但相关关系仍然较好。无论是天然状态，还是人类活动影响，乘幂类型的相关系数均为 0.94，而且同一类型也便于对比，因此采用乘幂类型不同状态下产流量进行对比分析。六股河流域天然状态下和环境变化下降雨径流关系见图1。

5 结语

由于人类活动的影响，使流域下垫面发生改变，使得流域内降雨径流关系发生变化。研究和分析降雨径流关系的变化，对水资源开发利用以及水资源评价有重要作用。利用有序聚类分析法对六股河流域 1963—2012 年地表水径流系列进行分析，计算出 1979 年是地表径流系列过程发生显著突变点，则认为 20 世纪 80 年代以前为天然状态，80年代后受人类活动影响较大。通过对天然状态下与环境变化下该流域降雨径流关系分析，两个时段的降雨径流相关关系很好，但数量上变化较大，降雨径流关系的这种变化，除受下垫面影响因素外，还与流域内水资源开发利用程度有关。

图1 六股河流域天然环境下和人类活动影响下降雨径流关系

［1］凡炳文，牟燕红，邱文均.洮河流域径流时间序列一致性及变异研究［J］.水文，2008，28（3）：70-73.

［2］任宪韶，卢作亮，曹寅白.海河流域水资源评价［M］.北京：中国水利水电出版社，2007.

图1 浑河闸下游右岸护坡平面图

图2 浑河闸下游左岸护坡平面图

2.3 混凝土方格网与生态护坡结合

27m 高程平台和 30m 高程平台以上，保留原浆砌石护坡和混凝土方格网结构。除此之外，右岸桩号 0+613.1～0+791.8m 在 22m 高程铺设宽15m 厚 50cm 格宾垫，22～38m 高程是坡比为 1∶3厚 20cm 等边六角形混凝土预制块结合草皮护坡防护。预制块混凝土标号为 C30，边长 20cm，厚20cm。预制块内铺腐植土播撒草籽，形成草皮护坡，腐植土厚 10cm。