基于生态修复的汾河流域河川径流计算分析

2016-04-18武光明

水利规划与设计 2016年5期

关键词：河川基流产流

武光明

（山西省水文水资源勘测局，山西太原030001）

基于生态修复的汾河流域河川径流计算分析

武光明

（山西省水文水资源勘测局，山西太原030001）

在流域下垫面进行归类量化的基础上，分析森林植被和裸露区的产流规律，地下水用水量对河川基流的影响，从生态修复的角度对河川径流规律进行分析探讨，该方法对流域生态修复效益预测具有一定的参考应用价值。

生态修复；汾河；河川径流；分析

1 背景

汾河是山西的母亲河，为省内第一大河，是黄河的第二大支流，地处山西省的中南部，流域面积39471km2。由于社会经济的快速发展和人口的急剧增长，流域内用水量持续增加，加之地下水超采、植被退化和煤矿开采对水资源的影响，生态环境受到了严重破坏。主要表现为∶流域产流减少，河道基流自身难以维持；地下水超采，域内泉水枯竭；森林植被占比少，水源涵养能力弱，大部分一级支流断流；水质污染严重。对汾河出现的生态问题，山西省委省政府高度重视，2015年决定启动实施汾河流域生态修复重大战略工程。今后一段时期内，通过高效节水，提高用水效率；关井压采，促进地下水位回升；增加森林植被，有效涵养水源；控制污水排放，加强污染防治等措施，使流域内山水林田各要素相互促进，良性循环，生态得到全面恢复。将流域下垫面进行归类量化，分析不同水文站森林植被和裸露区的产流规律，地下水用水量对基流的影响，从生态修复的角度对河川径流规律进行分析探讨。

2 不同植被条件产流分析

考虑产流条件，将流域及选用水文站以上植被综合分为两类，森林和裸露区。通过对地类面积量算，归类统计森林与裸露区占该站面积的比重，结合各站水文特性，分析不同地类的产流规律。这里将河川径流分割为三部分，地表水、地表基流和泉水（域内8处岩溶大泉），地表水加地表基流为地表径流，地表基流加泉水为河川基流。

2.1水文特征

分析选用流域内23个水文站（含区间），为了便于随后分析流域的产流特征，选取人类活动影响较小时段，水文资料采用各站1956～1979年系列均值。

汾河流域因降水和人类活动的影响，河川基流量（地表基流加岩溶泉水）和河川径流量（河川基流与地表水之和）不断减少。同1956～1979年相比，1980～2000年径流减少34.5%，2001～2013年减少50.6%。

2.2森林植被产流分析

汾河流域现有森林面积6180km2，森林覆盖率15.7%。森林植被对河道基流产生重要影响，林冠及凋落物截留降水，延迟和改变了产汇流过程，林区土壤持水和蓄水量增加了基流量。

2.2.1 地表基流

对选用水文站地表径流进行分割，分离出地表基流和地表水，根据各流域森林植被覆盖率，分析森林对基流的影响。这里把森林覆盖率作为影响径流的突出因素，所以分析只采用各流域覆盖率在40%以上的水文站资料。通过分析，森林覆盖率与地表基流系数（基流占流域降水百分比）有良好的正相关线性关系，表明森林覆盖率越高，基流越大（见图1）。

图1 森林植被～地表基流关系图

2.2.2 地表水

通过各水文站森林覆盖率与地表径流系数（地表水占流域降水量百分比）的分析，两者之间也存在良好的正相关线性关系，表明森林覆盖率越高，地表水产水量越大（见图2），其原因是森林改变了局部的气候环境，水分转化更为复杂，但也表明森林覆盖率越好，径流会朝增加的有利趋势发展。

图2 森林植被～地表水关系图

2.3裸露区产流分析

汾河流域从历史来看，曾经是一个森林茂密、湖泊遍地的水乡泽国。历代王朝大兴土木，砍伐森林，到建国前森林面积所剩无几，植被退化，水土流失不断加重。考虑不同植被对产流的贡献，将森林和耕种平地面积扣除，其余作为裸露区（含灌木、草坡）一并考虑，现状汾河流域裸露区面积占流域面积的54.4%。

2.3.1 地表基流

采用各站裸露区面积占水文站集水面积在60%以上的水文站资料进行分析，裸露区面积占比与地表基流系数存在负相关线性关系，表明裸露区面积占比越高，基流越小，这也是造成大部分一级支流断流的主要因素（见图3）。

图3 裸露区面积～地表基流关系图

2.3.2 地表水

通过对裸露区面积占比与地表径流系数的分析，两者之间存在正相关线性关系，表明裸露区面积占比越高，地表水产水量越大（见图4），主要集中在汛期易发暴雨洪水，是形成该区域水土流失严重的主要原因。

图4 裸露区面积～地表水关系图

3 地下水开采对河川基流的影响

汾河流域地下水用量随年代急剧增加，至2010年汾河流域累计超采量达76.1亿m3，用水模数从上世纪50年代的0.53万m3/km2到本世纪初的4.1万m3/km2。由于地下水不断开采（超采），致使地下水位不断下降，河道基流衰减，尤其岩溶大泉自然出流衰减严重，域内8处大泉在上世纪60年代之前流量为28.7m3/s，到2013年流量仅8.7m3/s，减少了70%，其中3处泉水已断流。

根据汾河流域多年地下水用水状况，分析发现流域地下水开采直接影响河川基流（含泉），进而影响河川径流量，说明河川径流及地下水开采之间有密切的关系（见图5）。分析表明地下水用水和河川基流之间存在负相关关系，地下水用水量越大，基流越小。从流域生态修复的角度，关井压采，将有利于增加河川基流量和径流量。

图5 汾河流域地下水用水量与河川基流关系图

4 综合因素影响的河川径流分析

经过以上分析，综合植被状况、降水、径流以及地下水用水等诸要素，建立联合模型对不同时段河川径流进行演算，与全国第二次水资源评价数据（未修正系列）（2001～2013年采用山西水资源公报）进行误差评价，检验其可靠性。模拟与评价河川径流量比较接近，各时段误差在-1.7%～8.7%之间，和1956～2000年相比，误差仅2.3%，说明成果比较合理（见表1）。该方法从水文分析的角度，通过建立各要素间的水文模型，分析计算流域河川径流，具有较高的计算精度。流域生态修复需要较长周期，此方法可用于流域生态修复规划阶段及规划实施后的河流生态效益预测，特别是对河川基流及河川径流进行匡算和初步评估，具有一定的借鉴参考价值。