王忠國(guó),李 飛,李秀麗
(濰坊市水文局,山東 濰坊 261031)
北膠萊河流域人類活動(dòng)對(duì)徑流量影響分析
王忠國(guó),李飛,李秀麗
(濰坊市水文局,山東 濰坊 261031)
【摘要】選取昌邑市王家莊子站的徑流量資料,用灰色系統(tǒng)理論,分析北膠萊河流域徑流系數(shù)影響因素,進(jìn)一步分析人類活動(dòng)對(duì)河流徑流量的影響程度。
【關(guān)鍵詞】膠萊河;人類活動(dòng);徑流量;影響分析
北膠萊河屬于黃河流域,該河發(fā)源于平度市姚家莊,流經(jīng)高密、昌邑進(jìn)入渤海,流域面積3900km2,河道平均坡降1/37000,流域形狀為葉形。1959-06在昌邑市宋莊鄉(xiāng)喬家村設(shè)立王家莊子水文站,集水面積2531km2;1999-06-01測(cè)驗(yàn)斷面上遷5km,更名為流河水文站,集水面積2510km2。流域內(nèi)無(wú)深山區(qū)和淺山區(qū),丘嶺區(qū)占5%,其他均為平原區(qū)。丘嶺區(qū)分布在流域的中上游。流域內(nèi)農(nóng)作物種植面積占90%,其它樹木、草地等占10%,由于流域內(nèi)坡度較小,植被情況良好,故水土流失不嚴(yán)重。中游地區(qū)有部分洼地積水。1974-08-14在王家莊子水文站實(shí)測(cè)最大流量為719m3/s。
在解放初期,受社會(huì)發(fā)展和生產(chǎn)力的制約,流域內(nèi)的農(nóng)作物種植、樹木、草地等植被較差。1953年起,人們開始了植樹造林和水土保持工作,在丘嶺區(qū)修建了大量的梯田、地堰、谷坊工程和小型塘壩。從1958—1979年,人們大力開展水利建設(shè),在流域內(nèi),1960年建成了馬旺中型水庫(kù)1座,集水面積68.0km2,總庫(kù)容0.27億m3。1959年至1978年期間,建成了?。?)型水庫(kù)3座;?。?)型水庫(kù)18座;塘壩103座。這些水利工程總控制面積155km2,總興利庫(kù)容2181萬(wàn)m3。1971年至1982年期間,建成攔河閘11座,總攔蓄能力315萬(wàn)m3。1958年至1980年期間,建成了揚(yáng)水站12座,設(shè)計(jì)流量1.43m3/s,灌溉面積575.33hm2。水資源開發(fā)利用的人類生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng),使得流域的下墊面產(chǎn)生了變化,匯流條件也相應(yīng)發(fā)生了變化;攔水、蓄水、提水的生產(chǎn)活動(dòng),增加了流域內(nèi)的蓄水量,使得蒸發(fā)量也增大,進(jìn)一步影響到徑流量和徑流過程的變化。采用王家莊子站歷年的實(shí)測(cè)大斷面資料,點(diǎn)繪測(cè)驗(yàn)河段的歷年實(shí)測(cè)大斷面圖。由斷面圖分析知,1965—2013年北膠萊河的河道縱橫斷面變化,主要受人工開挖治理所控制。王家莊子站測(cè)驗(yàn)河段,1965年河道主河槽在中心,由于受水流沖刷的影響,到1970年河道主河槽偏移至左岸,河底高程變化很小,僅下降0.1~0.2m,但右岸淤積嚴(yán)重,河道寬度減少了20.0~21.0m,導(dǎo)致過水面積減少15%~20%。1970年以后,北膠萊河進(jìn)行了人工開挖治理,河道加寬了100m,橫斷面呈矩形,主河槽河深達(dá)6m,縱斷面進(jìn)行了取直,使得水流比以前更加通暢。1980—2013年由于降水量、年徑流量的減少,河道年平均含沙量明顯變小。1999-06王家莊子站測(cè)驗(yàn)斷面上遷至流河站后,泥沙項(xiàng)目停測(cè)。根據(jù)1960—2000年泥沙資料分析,1980—2000年多年平均輸沙量為0.063萬(wàn)t,為1960—2000多年平均的1.4%。因此,河道橫斷面幾乎沒有變化,河底高程變化在0.01~0.10的范圍內(nèi)。
人工開挖治理河道,使得北膠萊河匯流條件及河道水面蒸發(fā)量產(chǎn)生了變化,進(jìn)而影響到北膠萊河的徑流量和徑流過程。
流域產(chǎn)生的徑流量,取決于流域降水量的大小和流域下墊面的變化。采用1960—2013年共計(jì)54年降水量、徑流量資料。1966年1月、1967年1~5月、1967年10月~1968年6月、1968年9~12月受潮水頂托影響,徑流量按“0”處理。1999-06采用流河站徑流量按面積比法進(jìn)行處理。
北膠萊河流域內(nèi),大力興修水利工程是在1958—1980年期間,因此將1979年作為時(shí)段劃分點(diǎn),繪制王家莊子站1960—1979、1980—2013、1960—2013年多年平均月徑流量柱狀過程線如圖1示。
圖1 流域多年平均月徑流量柱狀過程線
流域的徑流量變化是河流徑流系數(shù)的變化的重要標(biāo)志。人類活動(dòng)是影響河流下墊面變化的主要因素之一,也就是影響河流徑流系數(shù)的主要因素。通過分析降水量、徑流系數(shù)以及人類活動(dòng)因素對(duì)徑流量的影響程度,就能反映上述諸因素對(duì)河流徑流量變化的影響程度。用灰色系統(tǒng)理論對(duì)王家莊子水文站的歷年實(shí)測(cè)資料進(jìn)行關(guān)聯(lián)序分析,以確定各種因素與河流徑流量之間的關(guān)系,從中找出主要因素,然后建立數(shù)學(xué)模型,進(jìn)一步對(duì)影響河流徑流量的人類活動(dòng)因素進(jìn)行定量分析。
記徑流量、降水量、徑流系數(shù)的時(shí)間序列分別為△{x0(t)},△{x1(t)},{x2(t)},t∈{1960,1961……N},N=2013。x0(t)對(duì)xi(t)的關(guān)聯(lián)系數(shù)為
式中:k為常數(shù),一般取0.5;
△min=mini(mint(△0i(t)),即各個(gè)因素間最小絕對(duì)差,一般可選為零;
△max=maxi(maxt(△0i(t)),即各個(gè)因素間最大絕對(duì)差。根據(jù)實(shí)測(cè)資料,計(jì)算x0(t)與xi(t)的關(guān)聯(lián)系數(shù),由計(jì)l0i(t)計(jì)算各因素的關(guān)聯(lián)度γ0i為:
計(jì)算得:γ01=0.646;γ02=0.887
將數(shù)據(jù)列x0與各個(gè)數(shù)據(jù)列xi(i=1,2)的關(guān)聯(lián)度γ0i由大到小排成一行,稱為各數(shù)據(jù)列對(duì)x0的關(guān)聯(lián)序,則:γ02=0.887>γ01=0.646。
以上計(jì)算表明,影響年徑流量的主要因素是徑流系數(shù),其次是降水量,而徑流系數(shù)的變化是流域下墊面的變化產(chǎn)生的,流域下墊面是可以人為改變的,即人類活動(dòng)因素影響著河流徑流量的變化。為了定量地分析人為因素對(duì)河流徑流量的影響程度,建立如下數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算分析。
式中,α=(?y/?H)·(H/y),β=(?y/?G)·(G/y)分別代表降水量和徑流系數(shù)產(chǎn)流彈性系數(shù),為方便計(jì)算,用下面的差分方程式代替微分方程式(1),在時(shí)間間隔相同時(shí)有:
式中△y/y、(△H/H)、△G/G分別為徑流量、降水量、徑流系數(shù)的增長(zhǎng)率,可根據(jù)水文實(shí)測(cè)資料得到;△M/M為人類活動(dòng)影響的增長(zhǎng)率,則人類活動(dòng)的減沙率m為:
只要求出系數(shù)α、β值,就可以用(2)和(3)式求出△M/M,α、β與流域特征,植被覆蓋度、土壤性質(zhì)有關(guān),一般較難直接由實(shí)驗(yàn)確定。根據(jù)上述關(guān)聯(lián)分析,采用下式計(jì)算:
根據(jù)以上方法,對(duì)北膠萊河王家莊子水文站的資料進(jìn)行分段。從1958—1979年,大搞水利工程,修建了水庫(kù)、塘壩、攔河閘、揚(yáng)水站等。這些工程措施使得徑流量減少,徑流過程變緩,從而流域的下墊面發(fā)生了變化。根據(jù)上述情況劃分1960—1979、1980—2013兩個(gè)階段,列入表1,定量計(jì)算人為作用對(duì)河流徑流量的影響程度。
計(jì)算得:△y/y=-87.34%;
△H/H=-19.63%;△G/G=-84.12%;△M/M=-30.38%;m=34.78%。
表1 北膠萊河王家莊子水文站水文要素資料表
徑流量定量分析說(shuō)明,北膠萊河王家莊子站以上,人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響程度占34.78%。人類活動(dòng)多年平均減少?gòu)搅髁繛椋骸鱵m=-1.051億m3。
對(duì)北膠萊河王家莊子站徑流量分析表明,北膠萊河流域影響年徑流量的主要因素是徑流系數(shù),其次是降水量。人們的生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng),改變了流域的下墊面條件,影響了北膠萊河流域徑流系數(shù)的變化,對(duì)徑流量的影響程度占到了34.78%,使得1980年以來(lái),受人類活動(dòng)影響而減少的徑流量平均每年達(dá)到了1.051億m3。
(責(zé)任編輯趙其芬)
【中圖分類號(hào)】P333
【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B
【文章編號(hào)】1009-6159(2015)-03-0023-02
收稿日期:2014-12-22
作者簡(jiǎn)介:王忠國(guó)(1963—),男,高級(jí)工程師