宮興龍，杜樹平，付 強(qiáng)，關(guān)英紅，邢貞相，李 茉，王 斌

撓力河流域丘陵-平原-濕地區(qū)徑流變化驅(qū)動力分析

宮興龍，杜樹平，付 強(qiáng)※，關(guān)英紅，邢貞相，李 茉，王 斌

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

為了減少或者防止丘陵-平原-濕地區(qū)蒸發(fā)變大、徑流減少和濕地退化等問題產(chǎn)生，有必要找到丘陵-平原-濕地區(qū)徑流變化的驅(qū)動力。該文針對這種情況選定典型丘陵-平原-濕地區(qū)撓力河流域為研究對象，識別研究區(qū)水文氣象、降雨徑流關(guān)系、覆蓋類型和旱田作物種類等徑流影響因素的變化情況，利用情景模式反映影響因素的組合情況，將情景模式輸入水文模型，分析徑流影響因素及其變化對水文循環(huán)過程和徑流的影響。結(jié)果表明：研究區(qū)域降水變化是徑流變化的關(guān)鍵驅(qū)動力，降雨與徑流總體上均呈遞減趨勢，并且徑流深的遞減趨勢強(qiáng)于降水量的遞減趨勢；徑流減少影響因素除了關(guān)鍵性因素降雨外還有其他因素在起作用，并且影響在逐漸增強(qiáng)；氣候變化也是徑流變化的重要驅(qū)動力之一，1965—2014年期間夏季和秋季的氣溫、水汽壓、日照和風(fēng)速等都存在顯著增加趨勢，春季的氣溫和水汽壓顯著升高，春季的風(fēng)速在降低；1965—2014年期間流域蒸發(fā)在5—10月間并不是總是隨著氣溫、日照、水汽壓和風(fēng)速等增加而增加，在某些時段某些覆蓋類型蒸發(fā)量存在減小的現(xiàn)象；集水區(qū)域內(nèi)覆蓋類型變化是徑流變化的重要驅(qū)動力之一，未利用地轉(zhuǎn)變成旱地、旱地轉(zhuǎn)換為水田以及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，加速了研究區(qū)內(nèi)流域蒸散發(fā)，導(dǎo)致徑流深的遞減速度加快，同時引起了徑流深對降水響應(yīng)的異常；降水、氣候因素和土地覆蓋類型等綜合影響著蒸發(fā)、根系區(qū)含水量、非飽和帶含水量和徑流等水循環(huán)過程因素的時空變化。

氣候變化；徑流；蒸發(fā)；驅(qū)動力；丘陵-平原-濕地區(qū)；土地覆被變化

0 引 言

近幾十年全球氣候、土地覆被和人類活動發(fā)生了較大的變化[1-3]，對水文循環(huán)產(chǎn)生了顯著的影響[4-5]，導(dǎo)致全球大部分地區(qū)降雨偏少、蒸發(fā)變大、徑流減少、干旱頻繁發(fā)生[6]，這使得脆弱的中國北方丘陵-平原-濕地區(qū)生態(tài)平衡遭到破壞，產(chǎn)生了濕地退化、草地資源退化沙化、水土流失和沙漠化等問題[7-8]。為了解決或者防止這些問題產(chǎn)生，必須找到丘陵-平原-濕地區(qū)徑流變化的驅(qū)動力，抑制或降低使徑流減少的驅(qū)動力發(fā)生。針對徑流減少的驅(qū)動力學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，取得了豐碩的研究成果，如陳忠升[9]定量識別西北干旱區(qū)氣候變化和人類活動對徑流變化的影響。夏軍等[10]探討了岔巴溝流域裸土、草地和耕地等不同下墊面對降雨徑流關(guān)系影響。姜德娟等[11]探討了洮兒河氣候變化與土地利用/覆被變化的徑流效應(yīng)。劉正茂等[12]分析了人類活動與氣候變化對三江平原水循環(huán)過程的影響，主要體現(xiàn)在陸地水循環(huán)的路徑、水平與垂直通量發(fā)生了變化。孫榮華[13]分析渭河流域蒸散發(fā)變化特征及其對徑流的影響。歐春平等[14]利用SWAT模型定量解析土地利用覆被變化對蒸發(fā)、徑流等水循環(huán)要素的影響。王彥君等[15]分析了松花江流域不同區(qū)段徑流量變化影響因素識別，并進(jìn)行了定量評估。劉正茂等[16-18]分析了撓力河流域徑流變化特征，識別徑流變化的影響因素。學(xué)者們研究主要集中在3方面：1）從水文氣象角度分析徑流變化趨勢和突變點，從而找到徑流變化的時間點和趨勢；2）從水文氣象要素和土地覆被變化2個方面分析徑流要素變化的驅(qū)動力；3）利用水文模型定量分析水文氣象要素和土地覆被變化對徑流的影響。

雖已進(jìn)行了大量和較為深入的研究，但在探索丘陵-平原-濕地區(qū)徑流變化原因和影響因素方面的文章較少，且不夠深入和全面，對影響因素、影響因素與徑流關(guān)系識別方法和采用的模式還存在以下幾方面的不足：1）目前分析蒸發(fā)因素變化對徑流影響時，僅考慮氣溫的影響，對于日照、風(fēng)速和水汽壓等因素考慮不足或基本沒有考慮；2）分析覆被變化對水文循環(huán)過程和徑流影響的文獻(xiàn)較多，但僅僅停留在由非農(nóng)田轉(zhuǎn)為農(nóng)田和水田的影響，對于農(nóng)田不同作物對徑流的影響考慮較少；3）在研究水文氣象和覆被變化時，大部分研究從流域整體去考慮這些因素變化對徑流的影響，對于流域內(nèi)部因素時空變化影響流域內(nèi)部徑流時空變化的研究較少；4）對于平原-丘陵-濕地區(qū)的濕地蒸發(fā)變化對徑流影響沒有考慮；5）尋找影響因素與徑流變化關(guān)系時，采用簡單的相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)較小，難于說明相關(guān)性強(qiáng)。

基于此，本文選定三江平原典型的丘陵-平原-濕地區(qū)撓力河流域為研究對象，識別研究區(qū)水文氣象、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)和旱田種類等因素的變化情況，利用情景模式反映影響因素組合。為了反映丘陵-平原-濕地區(qū)徑流的時空變化需使用分布式水文模型，目前學(xué)者構(gòu)建出大量的分布式水文模型，普遍存在參數(shù)難于率定的問題。文獻(xiàn)[19]基于格子波爾茲曼法（lattice Boltzmann method，LBM）構(gòu)建了分布式TOPMODEL，其參數(shù)物理意義明確較容易率定，可作為描述該區(qū)域水文循環(huán)的分布式水文模型。聯(lián)合分布式TOPMODEL和濕地水流運動模型構(gòu)建丘陵-平原-濕地區(qū)水文模型，利用GIS和RS技術(shù)，結(jié)合地學(xué)信息圖譜與空間自相關(guān)方法，分析了撓力河流域氣候變化和土地覆被變化對水循環(huán)過程的影響，揭示丘陵-平原-濕地區(qū)徑流變化的驅(qū)動力，以期為丘陵-平原-濕地區(qū)土地利用和水資源管理提供決策支持和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為降雨、徑流、土地覆蓋類型和氣候等變化比較大的撓力河流域[17-18]，該流域位于三江平原下游濕地、平原和丘陵交錯分布區(qū)域，其數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）見圖1。撓力河流域菜咀子站匯流區(qū)域土地覆蓋和農(nóng)作物產(chǎn)量如圖2所示。圖2a和圖2b中的水域用地除流域上游的水庫外都是濕地。20世紀(jì)90年代以前農(nóng)作物主要是玉米、大豆和小麥，20世紀(jì)90年代后水稻和玉米種植面積開始增加。這一規(guī)律與由黑龍江省統(tǒng)計年鑒記錄的黑龍江主要糧食農(nóng)作物種植情況類似如圖2c所示。撓力河流域增加的水稻和玉米種植面積來源于未利用地和旱田。撓力河位于中國東北地區(qū)其降雨與徑流主要發(fā)生在4—11月，農(nóng)作物生育期集中在5—10月，基于此本文將研究時間設(shè)定在5—10月。

圖1 撓力河流域高程分布圖

1.2 丘陵-平原-濕地區(qū)水文模型

在描述丘陵-平原-濕地區(qū)的水循環(huán)時，采用文獻(xiàn)[19-21]構(gòu)建的分布式TOPMODEL。該模型采用模塊式方法構(gòu)建：降雨（基于距離倒數(shù)法的二維面雨量模型）、根系區(qū)水流（基于水量平衡法的二維根系區(qū)模型）、坡面及河道匯流（基于LBM法的二維匯流模型）、蒸散發(fā)模型（基于根系區(qū)缺水量的蒸發(fā)模型）、非飽和帶水流（基于達(dá)西定律的二維水流模型）、飽和帶水流（基于LBM的水流模型）、潛水水流（基于達(dá)西定律的二維水流模型）。率定參數(shù)時利用保安、寶清、紅旗嶺等水文站數(shù)據(jù)。模型驗證中次洪的徑流相對誤差絕對值為2.73%～8.33%；洪峰流量擬合的絕對值為2.49%～10.47%；洪水過程線的決定系數(shù)為0.612～0.893，表明降雨空間分布、非飽和帶缺水量及壤中流空間分布等描述的合理性，具體見文獻(xiàn)[20-21]。

圖2 土地覆蓋和農(nóng)作物產(chǎn)量變化情況

式中為流域內(nèi)除濕地外任一柵格處的蒸散發(fā)，mm；max為根系區(qū)最大容水量，mm；rz為根系區(qū)缺水量，通過模型獲得，mm；0為柵格處的最高蒸發(fā)量，mm。當(dāng)柵格為農(nóng)田時，0取農(nóng)作物植被需水量值；當(dāng)柵格為水域用地時，0取濕地生態(tài)用水量值；當(dāng)柵格在農(nóng)田和水域用地外時，0取水面蒸發(fā)量值。

研究區(qū)農(nóng)作物主要包括玉米、小麥和大豆，故作物植被需水量ET為

式中K為作物系數(shù)，參考文獻(xiàn)[23-26]取值（表1）；ET0為潛在蒸散量（mm），采用聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織（FAO）推薦的Penman-Monteith（1998）模型[22]計算獲得。

表1 主要農(nóng)作物系數(shù)取值

對于水域用地，濕地蒸散發(fā)水量采用陳剛起等[27]建立的模型計算獲得。

1=2.65t0.65e(-3.25/d)0.4+0.72-1.1 （3）

式中1為濕地日蒸發(fā)量，mm；t為濕地水面溫度，℃；為濕地水面以上1.5 m處空氣的日平均飽和水汽差，kPa；為風(fēng)速，m/s；為沼澤植被覆蓋率。

模型中變量采用寶清等站的觀測數(shù)據(jù)作為輸入。在實地調(diào)研、參考文獻(xiàn)[28-29]和水稻需水分析的基礎(chǔ)上得到撓力河流域水稻各生育期蒸發(fā)量見表2。

2 結(jié)果與分析

2.1 徑流及其影響因素的變化

從水文循環(huán)角度來說撓力河徑流來源于降雨，由雨量站觀測降雨量扣除蒸散發(fā)和流域蓄水量變化量后的余量即從流域出口流出的徑流量，因此徑流量影響因素為降雨、蒸散發(fā)、流域蓄水量。由水量平衡理論知，流域蓄水量可由降雨量和蒸散發(fā)量確定。近年來人類活動對徑流的影響越來越顯著，因此本文在分析撓力河徑流變化影響因素時，主要分析降雨量、蒸散發(fā)和人類活動等的變化情況。分布式TOPMODEL的輸入量主要有降雨量和蒸發(fā)量：降雨量由情景時期內(nèi)流域內(nèi)各雨量站的多年平均值獲得；蒸發(fā)量采用研究區(qū)域內(nèi)水文站觀測的氣溫、飽和度等量通過式（1）～（3）計算獲得。

表2 水稻生育期蒸發(fā)量

注：0為水面蒸發(fā)量，采用寶清站的水面蒸發(fā)量。

Note:0is water surface evaporation and data are from Baoqing station.

2.1.1降雨與徑流的變化

撓力河流域記錄降雨和徑流的水文站有保安、寶清和菜咀子3個，其中保安站的集水面積為1 344 km2，相對寶清集水面積3 689 km2比較小，菜咀子時間徑流系列相對于寶清站短，因此選用寶清站的降雨和徑流來反映研究區(qū)降雨關(guān)系變化情況。撓力河流域?qū)毲逭窘涤炅亢蛷搅魃铍S時間變化過程線如圖3所示。

由圖3可知，寶清站匯水區(qū)域的降雨與徑流深總體上均呈遞減趨勢，并且徑流深的遞減趨勢強(qiáng)于面降水量的遞減趨勢，如降雨量每年減少1.2 mm，而徑流深每年減少為3.1mm，徑流深減少量為降雨量減少量的2.5倍；部分時期徑流深與降水之間關(guān)系也出現(xiàn)明顯的突變或反?，F(xiàn)象，如2000—2014年等時間段內(nèi)降雨量減小或基本不變，而徑流出現(xiàn)了增加情況。利用M-K法計算了1959—2014年降雨及徑流的變化趨勢如圖3c所示。徑流深變化趨勢呈現(xiàn)3個階段：1）960—1974年間統(tǒng)計值由1.86減少到-2.5；2）1975—1984年間統(tǒng)計值在增大；3）1985—2014年間統(tǒng)計值呈現(xiàn)波動趨勢。這說明降水減少導(dǎo)致徑流減少，即降水變化是徑流變化的關(guān)鍵驅(qū)動力；徑流減少影響因素除了關(guān)鍵性因素降雨外還有其他因素在起作用，并且影響在逐漸增加。由圖3a可得降雨與徑流均呈現(xiàn)下降趨勢，為了考慮不同降雨時期的降雨量變化對徑流變化影響時，選擇1960—1974的日均降雨反映降雨變化前的降雨簡稱P1，這個時期稱為時1(T1)。3）1985—2004年期間降雨變化比較大，而2004—2014年期間降雨變化比較小，因此選擇了2004—2014年的日均降雨反映降雨變化后的降雨簡寫為P2，這個時期稱為時2(T2)。

2.1.2 蒸散發(fā)影響因素變化情況

從空氣動力學(xué)和能量守恒角度考慮，撓力河流域影響蒸發(fā)的因素有日照時數(shù)、氣溫、水汽壓和風(fēng)速。利用M-K法計算寶清站蒸散發(fā)影響因素的UF（統(tǒng)計量）變化趨勢如圖4所示。由于農(nóng)作物的蒸散發(fā)與季節(jié)關(guān)系明顯，根據(jù)氣象劃分法將3—5月劃為春季，6—8月劃為夏季，9—11月劃為秋季。由圖4可知：1965—2014年間夏季與秋季的氣溫一直在顯著增加，春季氣溫在1965—1989年間增加不顯著，1990年后開始顯著增加；1965—2014年間夏季與秋季的日照數(shù)一直在顯著增加，春季日照數(shù)存在波動情況；1965—2014年間夏季與秋季的水汽壓一直在顯著增加，春季水汽壓1965—1990年在減小，1990年后開始顯著增加；秋季風(fēng)速一直在顯著增強(qiáng)，夏季風(fēng)速在2004年前一直在顯著增強(qiáng)，2004年后夏季風(fēng)速增強(qiáng)的不顯著，春季風(fēng)速在1965—1984年間呈現(xiàn)波動狀態(tài)，1985—1997年春季風(fēng)速在減弱但不顯著，1998年后春季風(fēng)速一直在顯著的減弱。

2.1.3 不同類型蒸散發(fā)隨氣候變化情況

為了反映氣候因素對蒸散發(fā)的影響，繪制了潛在蒸發(fā)量、濕地蒸發(fā)量和水面蒸發(fā)量隨時間變化過程如圖5所示。潛在蒸發(fā)量和濕地蒸發(fā)量是利用時段多年日平均氣象數(shù)據(jù)由式（2）和式（3）計算得。表1描述旱田農(nóng)作物系數(shù)的時間段為月，表2描述水稻生育期蒸發(fā)量的時間段接近半月（如分蘗初和分蘗末）。為了更容易反映農(nóng)作物對徑流的影響，時間時段選擇為半月，將5—10月劃分為12個半月時段。水面蒸發(fā)量數(shù)據(jù)是由時1和時2時期內(nèi)多年日平均蒸發(fā)數(shù)據(jù)獲得。由圖5可得，時2時期內(nèi)秋季的蒸散發(fā)影響因素均大于時1秋季的蒸散發(fā)影響因素；時2相對于時1時，春季風(fēng)速下降，氣溫和水汽壓上升，日照數(shù)基本不變。1時段、2時段、3時段和5時段時1的潛在蒸發(fā)量大于時2的潛在蒸發(fā)量，其他時段時1的潛在蒸發(fā)量均小于時2的潛在蒸發(fā)量；8時段、11時段和12時段時1的水面蒸發(fā)量大于時2的水面蒸發(fā)量，其他時段時1的水面蒸發(fā)量均小于時2的水面蒸發(fā)量；1~10時段時1的水面蒸發(fā)量大于時2的水面蒸發(fā)量，其他時段時1的水面蒸發(fā)量均小于時2的水面蒸發(fā)量。這說明流域蒸發(fā)在5—10月間并不是所有時段隨影響因素增加而增加，在某些時段某些覆蓋類型存在減小的現(xiàn)象。為了進(jìn)一步解釋這種現(xiàn)象繪制了潛在蒸發(fā)量、濕地蒸發(fā)量和水面蒸發(fā)量隨日時段變化過程如圖6所示，3類蒸發(fā)也存在某些時段減小的現(xiàn)象。

注：時1和時2分別為1960—1974年和2004—2014年。橫坐標(biāo)刻度值表示將5—10月劃分為12個半月時段。

注：橫坐標(biāo)為距離5月1日的天數(shù)。

2.1.4人類活動的影響

人類活動對區(qū)域氣候和下墊面因素產(chǎn)生了顯著影響，從而影響了流域內(nèi)的徑流時空分布，對于撓力河流域這種影響主要表現(xiàn)為2方面：1）農(nóng)業(yè)開墾。自建國以來撓力河流域經(jīng)歷了3次大規(guī)模的農(nóng)業(yè)開墾，這使得濕地面積、土壤結(jié)構(gòu)、排水路徑、森林涵養(yǎng)水源量等流域下墊面組成發(fā)生了改變[30-31]，導(dǎo)致徑流時空分布發(fā)生了變化；2）水庫和渠道工程建設(shè)。隨著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，農(nóng)業(yè)用水量越來越大，興建了一些水庫[32]和渠道工程，這導(dǎo)致流域河道和坡面水流連通性變化，加速了徑流產(chǎn)生量，減少了流域蓄水量。

2.2 不同影響因素組合下徑流變化

2.2.1徑流影響因素10種情景模式

從水量平衡角度知，徑流是降雨、蒸發(fā)和流域蓄水量決定的，而流域蓄水量可由降雨與蒸發(fā)表示，因此可以說徑流是由降雨與蒸發(fā)因素決定。降雨因素已在前面分析，在后面研究時按時1和時2時期的降雨代表降雨變化情況。流域蒸散發(fā)按照圖2a和圖2b的覆蓋類型分為旱地作物蒸發(fā)、濕地蒸發(fā)、植物散發(fā)、水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)和水田蒸發(fā)。由于水田是近10多年才大面積發(fā)展起來，這一時期水田蒸散發(fā)變化比較小，則本文不考慮水田的蒸散發(fā)隨氣候變化。流域蒸散發(fā)的影響因素較多，不可能一次性考慮所有因素影響，難于反映現(xiàn)實情況各種因素組合的影響，本文采用情景模式將這些因素分類組合來進(jìn)行考慮如表3所示。

從圖2c可以發(fā)現(xiàn)，黑龍江旱地農(nóng)作物主要有小麥、大豆和玉米，1990年后糧食產(chǎn)量增加量非常明顯，耕地類型由大豆為主向玉米和水稻為主發(fā)展，因此在描述土地利用影響徑流時，土地覆被采用1990年和2010年的土地覆被類型如圖2a和圖2b所示。旱田設(shè)置作物類型時僅考慮種植1種農(nóng)作物，即旱地作物全是小麥、大豆和玉米3種情況。水田全部設(shè)為水稻田，其蒸散發(fā)采用表2數(shù)據(jù)。根據(jù)式（1）式～（3）將氣溫、日照、水汽壓和風(fēng)速歸為旱田和濕地蒸散發(fā)的影響因素如表3所示。為了反映氣候因素變化對旱田和濕地蒸散發(fā)的影響，旱田和濕地蒸散發(fā)的影響因素取時1(T1)和時2(T2)的值如表3所示。表3中E01為時1時期內(nèi)的日均水面蒸發(fā)量，E02為時2時期內(nèi)的日均水面蒸發(fā)量。

表3 影響因素組合模式

注：0（1）表示無（有）該種農(nóng)作物。E01和E02為T1和T2時段的日均水面蒸發(fā)量。P1和P2為T1和T2時段的降雨。

Note: 0 (1), no (have) the crop. E01and E02are average daily evaporation of water surface in T1 and T2. P1 and P2 are rainfall in T1 and T2.

2.2.2不同情景下徑流變化

為了檢驗表3各種模式對徑流的影響，將模式設(shè)定的因素代入丘陵-平原-濕地區(qū)水文模型得各模式對應(yīng)的徑流，繪制了模式徑流過程線如圖7所示。為了進(jìn)一步分析模式對徑流成分的影響，繪制了模式地表徑流和地下徑流過程線。從圖7可以發(fā)現(xiàn)模式對徑流的影響是隨時間變化的，從5月開始模式間的徑流差值量逐漸增大，6月末達(dá)到最大，之后差值量逐漸減小，9月之后差值量已比較小了，差值量比較大即徑流變化比較顯著的時段主要集中在5—8月間。其原因可能在于：1）流域上的農(nóng)作物、濕地和其他部分的蒸發(fā)從5月1日起蒸發(fā)逐漸增大，6月末蒸發(fā)達(dá)到最大，之后蒸發(fā)逐漸減小，這由潛在蒸發(fā)量、濕地蒸發(fā)量和水面蒸發(fā)量隨時間變化過程得到驗證如圖4和圖5所示；2）氣候因素影響的潛在蒸發(fā)量和水面蒸發(fā)量差值量從5月到6月量值比較大，之后逐漸減小，9月下旬后差值量較小如圖4和圖5所示；3）濕地蒸發(fā)量差值量在5—7月時2的濕地蒸發(fā)量大于時1的蒸發(fā)量，之后時1的濕地蒸發(fā)量大于時2的蒸發(fā)量，這使的濕地蒸發(fā)先增大后減少如圖5所示。

從圖7可以發(fā)現(xiàn)具有相同土地覆被的模式（如模式2與模式3、模式4與模式5、模式7與模式8）徑流變化趨勢接近。相同的土地覆被模式模擬的徑流存在差異主要原因是氣候因素對蒸發(fā)的影響如圖4所示。氣候因素的影響還是比較明顯的，表現(xiàn)為蒸散發(fā)增加，徑流減少如模式3的徑流深相對于模式2的徑流減深小幅度達(dá)3.22%，模式5的徑流深相對于模式4的徑流深減小幅度達(dá)4.93%，模式8的徑流深相對于模式7的徑流深減小幅度達(dá)4.84%，模式10的徑流深相對于模式9的徑流深減小幅度達(dá)2.55%。由圖11a和圖11d可以發(fā)現(xiàn)土地覆被變化對徑流的影響大于氣候因素變化對徑流的影響，如模式5的徑流深相對于模式2的徑流深減小幅度達(dá)30.03%，模式8的徑流深相對于模式7的徑流深減小幅度達(dá)36.73%，這2個減小幅度明顯大于具有相同的土地類型對徑流深的影響。

圖7 不同模式徑流過程線

相同降雨情況下模式對徑流成分影響是不同的：模式2～5相對于模式1，模式2～5對地表徑流影響明顯，對地下徑流影響不明顯；模式7～10相對于模式6，模式7～10對地表與地下徑流影響都比較明顯。其原因為模式1～5的主要農(nóng)作物為旱田農(nóng)作物，其蒸散發(fā)量消耗的水直接來自降雨和土壤含水率，而模式6~10的農(nóng)作物利用水除來自降雨和土壤含水率還抽取地下水，并且稻田要求適宜水深，產(chǎn)生了水田垂向和側(cè)向滲漏的地下水。

2.2.3 不同情景對水文循環(huán)的影響

參照TOPMODEL描述水循環(huán)的思路[15]，將水循環(huán)過程分為降雨、根系區(qū)蒸發(fā)、非飽和帶滲流和飽和帶基流，則在描述因素對水循環(huán)過程空間分布影響時，主要描述影響因素對蒸發(fā)、根系區(qū)含水率距離根系區(qū)最大容水量的缺水量、非飽和帶蓄水量距田間持水量的缺水量和徑流等量時空分布的影響。

1）對降雨的影響

從圖7a可得時1情況下模式2和模5徑流相差較大，時2情況模式7和模式10徑流相差較大。對比圖7a發(fā)現(xiàn)，模式2與模式5徑流時段差值大的頭幾位順序為時段5、時段4和時段6，為了盡量將降雨量因素降到最低，選擇降雨量比較大的第6時段，這時蒸發(fā)主要受控于降雨外的其他影響因素。對比圖7d發(fā)現(xiàn)模式7與模式10徑流時段差值最大值處于時段4。研究影響因素對徑流影響一般是從降雨開始，時1時段6和時2時段4的降雨空間分布如圖8所示。時1時段6降雨中心位于流域中部左側(cè)和右側(cè)，流域出口處降雨比較小。時2時段4流域上部降雨量比較大，流域出口降雨比較小。

2）對蒸發(fā)的影響

由圖8a可得時1的6時段降雨量在37～80 mm，由圖9a可得模式2時段6蒸發(fā)量處于22～46 mm，可知撓力河大部分地區(qū)降雨量比較大基本能滿足蒸發(fā)，僅撓力河流域中部局部地區(qū)降雨比較小，導(dǎo)致該區(qū)域蒸發(fā)量比較小。由圖8b圖例知，時2時段4降雨量在15～36 mm，而由圖9d和圖9e可得同期流域上大部分區(qū)域蒸發(fā)量大于降雨量，因此降雨成了主要影響因素，由圖8b降雨中心位置在圖9d和圖9e中相對中心位置區(qū)域蒸發(fā)量比較大得到驗證。這些說明降雨是影響蒸發(fā)的一個重要的影響因素。

圖8 不同時段降雨量

圖9中降雨量分布較均勻的區(qū)域內(nèi)，具有相同土壤覆被的地方蒸發(fā)量接近：如圖9a旱地蒸發(fā)量在43～46 mm，森林蒸發(fā)量在35～40 mm，未開發(fā)地蒸發(fā)量在32～37 mm；圖9b旱地蒸發(fā)量在43～49 mm，森林蒸發(fā)量在35～42 mm左右，未開發(fā)地蒸發(fā)量在31～36 mm；同樣由圖9c和圖9d也可發(fā)現(xiàn)具有相同土壤類型的地方蒸發(fā)量接近，比較明顯的如水田和水域用地。

為了探索氣候變化對流域蒸發(fā)的影響，將圖9a蒸發(fā)量減去圖9b蒸發(fā)量得差值量如圖9c所示，將圖9d蒸發(fā)量減去圖9e蒸發(fā)量得差值量如圖9f所示。由圖9c可得時1降雨量比較大情況下，氣候變化引起蒸發(fā)減小的土地覆被為濕地、森林、旱地和未利用地。降雨量比較大情況下，由圖9c和圖9f可得：時1情況模式5相對于模式2蒸發(fā)量減小量從大到小的順序為濕地、旱地、森林和未利用地，僅濕地蒸發(fā)量增加；時2情況模式10相對于模式7蒸發(fā)量增加量從大到小的順序為旱地、未利用地、森林用地，水田用地蒸發(fā)變化基本不變。

圖9 不同情景下蒸發(fā)量及差值量空間分布

3）對根系區(qū)含水率影響

本文描述根系區(qū)含水率用根系區(qū)含水率距離根系區(qū)容水量的缺水量描述如圖10所示。圖10a和圖10b缺水量比較大的區(qū)域與圖8的降雨量比較小的區(qū)域?qū)?yīng)，圖10d和圖10e缺水量比較小的森林部分與圖13的降雨量比較小的區(qū)域?qū)?yīng)。由圖10可得除了受降雨局部不均勻影響部分外，同種類型土地的缺水量比較接近：圖10a和圖10b中的森林和未利用用地部分缺水量接近0，旱地用地缺水量接近；圖10d與圖10e中的森林、水田、和旱地缺水量接近。從圖10c和圖10f可以得：土地覆被對根系區(qū)缺水量影響比較大，如圖10c中圖例中的-57 mm為旱地改為水田導(dǎo)致缺水量較少。由10c和圖10f可得氣候變化對根系區(qū)缺水量是有影響的：時1降雨情況下氣候因素由模式2到模式5缺水量差值從大到小的順序為森林、濕地和旱地，影響不是十分大，差值量最大僅為3.69 mm；時2降雨情況下第4時段缺水量差值從大到小的順序為森林、濕地和旱地，影響非常顯著大，差值量絕對值最大為57 mm。

圖10 根系區(qū)缺水量

4）對非飽和帶含水率影響

非飽和帶含水率距離田間持水量的缺水量描述如圖11所示。從圖11a~圖11c和圖10可得，圖12中部兩側(cè)的降雨中心降雨大使得非飽和帶缺水量小，非飽和帶缺水量中部中心位置降雨比較少部分使得非飽和帶缺水量大，除了這些地方降雨空間分布比較均勻。由圖11a~圖11b與圖2a和圖11d－圖11e與圖2b的圖形對比可以發(fā)現(xiàn)：僅有水田的非飽和帶缺水量空間分布與其土地覆蓋空間分布形狀對應(yīng)性好，其他土地類型覆蓋的形狀相對性不好。由圖11c知，時1降雨情況氣候因素對不同土地類型覆蓋非飽和帶缺水量影響不是十分顯著，即各種土地類型覆蓋非飽和帶缺水量差值量的差距不是十分明顯，難于從圖11c上分辨出。由圖11f知時2降雨情況氣候因素對旱地非飽和帶缺水量影響十分顯著，其他土地類型覆蓋對應(yīng)非飽和帶缺水量影響不是十分顯著。

圖11 非飽和帶缺水量

圖12 徑流量空間分布

5）對徑流空間分布影響

模式5時段6和模式10時段4的徑流空間分布和時段徑流差值量如圖12所示。流域上各處的蒸發(fā)、根系區(qū)缺水量、非飽和帶缺水量等均與所處的土地覆被類型有關(guān)，而徑流是降雨、蒸發(fā)和土壤含水量等因素共同作用產(chǎn)生的，因此徑流產(chǎn)生也與土地覆被類型有關(guān)。將圖8、圖10b、圖11b、圖11b和圖12a對比可知，圖12a徑流比較大的地方是由于降雨比較大原因，徑流量受土地覆被、氣候等因素影響不是十分明顯。由圖12a和圖12c可得同種土壤類型的徑流量接近：圖12a中的水域用地徑流量在11.81～15.40 mm，旱地用地徑流量在0.29～2.80 mm，林地徑流量在2.81～88.61 mm；圖12c中的水田徑流量在7.91～10.50 mm，濕地徑流量在2.20～5.00 mm，森林徑流量在2.20～7.9 mm，草地徑流量在13.01～17 mm。為了比較氣候影響因子對同種土地覆被上徑流的影響繪制時段6模式5與模式2的徑流量差值量如圖12b所示，時段4模式10與模式7的徑流量差值量如圖12d所示。從圖12b和圖12d可知，氣候因素對同種土地覆被上的徑流量是有影響的：圖12b除降雨量變化比較大部分，差值量絕對值按從大到小順序為旱地6.91～28.2 mm、未利用地3.71～6.9 mm、水域用地0.08～5.5 mm和森林用地0.08～6.9 mm；圖17d處差值量絕對值按從大到小順序為旱地18.31～35.0 mm、水域用地1.7 mm～18.8 mm、森林用地2.01～12.6 mm和水田0 mm。

3 結(jié) 論

本文以區(qū)域徑流變化為切入點、以降雨、氣候因素和土地覆蓋變化為落腳點，以三江平原下游濕地、平原和丘陵交融區(qū)的撓力河流域為案例區(qū)，借助情景模式將影響因素分類組合，通過丘陵-平原-濕地區(qū)水文模型，定量計算了10種模式下的蒸發(fā)量、根系區(qū)缺水量、非飽和帶缺水量和徑流量的時空分布，揭示了丘陵-平原-濕地區(qū)流域徑流變化的驅(qū)動力，主要結(jié)論如下：

1）寶清站匯水區(qū)域的降雨與徑流深總體上均呈遞減趨勢，并且徑流深的遞減趨勢強(qiáng)于降水量的遞減趨勢，降水變化是徑流深變化的關(guān)鍵驅(qū)動力。徑流減少影響因素除了關(guān)鍵性因素降雨外還有其他因素在起作用，并且影響在逐漸增加。

2）氣候變化也是徑流深變化的重要驅(qū)動力之一。夏季與秋季的氣溫、日照數(shù)、水汽壓一直在顯著增加。春季的氣溫和水汽壓在1990年后開始顯著增加。秋季的風(fēng)速一直在顯著增強(qiáng)。夏季的風(fēng)速在2004年前一直在顯著增強(qiáng)，2004年后增強(qiáng)的不顯著。春季風(fēng)速在1965—1984年間呈現(xiàn)波動狀態(tài)，1985—1997年風(fēng)速在減弱但不顯著，1998年后一直在顯著的減弱。

3）集水區(qū)域內(nèi)覆蓋類型的變化是徑流深變化的重要驅(qū)動力之一。未利用地轉(zhuǎn)變成旱地、旱地轉(zhuǎn)換為水田以及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，加速了研究區(qū)內(nèi)流域蒸散發(fā)，導(dǎo)致徑流深的遞減速度加快，同時引起了徑流深對降水的響應(yīng)的異常。

4）降水變化、氣候因素變化和土地覆蓋類型變化等綜合影響著蒸發(fā)、根系區(qū)含水率、非飽和帶含水率和徑流等水循環(huán)過程量的時空變化。

在建立丘陵-平原-濕地交融區(qū)水文模型時參照TOPMODEL模型建模思路，采用式（1）計算流域蒸散發(fā)時將全流域根系區(qū)最大容水量采用統(tǒng)一個值，沒有考慮各種覆被類型內(nèi)部覆被物時空分布的差異性。在研究人類活動時，僅考慮了研究區(qū)域覆蓋物變化，沒有考慮人類使用水庫和渠道工程的影響。計算覆被作物蒸散發(fā)時做了一些概化處理：在識別流域內(nèi)農(nóng)作物時，只是考慮小麥、玉米和大豆等主要農(nóng)作物，而對占流域面積比較小的農(nóng)作物如薯類和蔬菜類等農(nóng)作物沒有考慮；在設(shè)計情景模式時沒有考慮主要作物交叉種植情況，每種覆蓋物類型內(nèi)僅考慮1種農(nóng)作物種植情況；在計算農(nóng)作物系數(shù)時由于缺少農(nóng)作物短時間需水量的實測資料，參照已有研究將農(nóng)作物系數(shù)按月取值；在計算水田適宜水深和蒸散發(fā)量時，沒有考慮氣候因素、種植區(qū)域地形地貌和耕作者種植習(xí)慣性等因素綜合影響，水田處采用統(tǒng)一值；流域水田和水庫蓄放水等過程受降雨、洪水和人為等因素影響，難于準(zhǔn)確模擬，本文在建模時沒有考慮這些水工建筑的影響。上述這些處理使得本文計算結(jié)果數(shù)據(jù)與實際量存在一定程度的偏差。

在降雨、徑流、水文地質(zhì)、環(huán)境變化、土地覆蓋和人類活動等資料不充足的情況下，構(gòu)建的水循環(huán)模型盡最大可能利用這些資料揭示丘陵-平原-濕地區(qū)流域徑流變化的驅(qū)動力，為描述丘陵-平原-濕地區(qū)的水文循環(huán)過程、區(qū)域土地合理利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等提供了一種方法。

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Analysis on driving force of runoff change in hill-plain-wetland area of Naoli River Basin

Gong Xinglong, Du Shuping, Fu Qiang※, Guan Yinghong, Xing Zhenxiang, Li Mo, Wang Bin

(150030,)

In order to prevent the increase of evaporation in hilly-plain-wetland area, decrease of runoff and degeneration of wetland, it is necessary to find the driving force of runoff change in hilly-plain-wetland area. In the present study, Naoli River Basin, a typical plain-hilly-wetland area, was selected as the research object. Data were from Baoan, Baoqing, Hongqi mountain and other hydrologic stations. The model of TOPMODEL was used for the study. During model validation, the absolute value of relative error of runoff of secondary flood was 2.73%-8.33%, the absolute value of flood peak flow was 2.49%-10.47%, and the determination coefficient of flood process line was 0.612-0.893, which indicated the rationality of the description of spatial distribution of rainfall, water shortage in unsaturated zone and spatial distribution of flow in soil by using the model. The influencing factors of runoff including hydrometeorology, rainfall-runoff relationship, cover type and dry-land crop species were analyzed. And the scenarios with different combination of influencing factors were assumed. The effects of runoff factors and their changes on hydrological cycle and runoff were analyzed by using hydrological model. The results showed that the change of regional precipitation was the key driving force of runoff change. Rainfall and runoff were generally in a decreasing trend. And the decrease of runoff depth was more obvious than that of precipitation. The other factors also played important roles in the runoff change besides the rainfall, and their influences increased gradually. Climate change was also one of the important driving forces of runoff change. Temperature, vapor pressure, sunlight intensity and wind speed increased significantly in summer and autumn from 1965 to 2014, while temperature and vapor pressure increased significantly in spring, and wind speed decreased during the spring. During the period of May to October in the years of 1965-2014, the basin evaporation did not always increased with temperature, sunlight intensity, vapor pressure and wind speed. During some periods, the basin evaporation decreased as the increase of temperature, sunlight intensity, vapor pressure and wind speed for some special cover types. Furthermore, the change of cover type in catchment area was also one of the important driving forces for runoff change. The transformation of unused land into dry land, dry land into paddy land and the adjustment of agricultural structure accelerated the evapotranspiration in the studied area, and then resulted in the fast deceleration of runoff depth and the abnormal response of runoff depth to precipitation. Based on the analysis above, precipitation, climate factors and land cover types showed complex effects on the temporal and spatial variations of evaporation, root zone water content, unsaturated zone water content and runoff.

climate change; runoff; evaporation; driving force; hilly-plains-wetland area; land cover changes

2019-01-16

2019-07-10

黑龍江省科學(xué)基金項目（E2017009）

宮興龍，副教授，博士，主要從事環(huán)境變化對水文過程的影響研究。Email：gongxl@neau.edu.cn

付 強(qiáng)，教授，博士，主要從事水土資源高效利用研究。Email：fuqiang@neau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.013

TV133.2

A

1002-6819(2019)-16-0114-11

宮興龍，杜樹平，付 強(qiáng)，關(guān)英紅，邢貞相，李 茉，王 斌.撓力河流域丘陵-平原-濕地區(qū)徑流變化驅(qū)動力分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(16)：114－124. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.013 http://www.tcsae.org

Gong Xinglong, Du Shuping, Fu Qiang, Guan Yinghong, Xing Zhenxiang, Li Mo, Wang Bin. Analysis on driving force of runoff change in hill-plain-wetland area of Naoli River Basin[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(16): 114－124. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.013 http://www.tcsae.org