陳媛媛

(遼寧河庫管服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

0 前 言

渾河作為遼河最大支流，其流域內(nèi)河流眾多，水系較為復(fù)雜，其中流域面積10km2以上一級支流54條，二級支流條173條，三級支流222條，四級支流118條，五級支流14條。流域面積大于5000km2的河流有1條，1000-5000km2的河流6條，100-1000km2的河流63條，50-100km2的河流65條，10-50km2的河流446條，在這些河流中平原水網(wǎng)區(qū)3個(gè)，平原河流72條[1]。受人類活動和氣候變化影響，渾河流域水文要素特征發(fā)生了較為顯著的變化[2]。受到水文要素變化影響，渾河流域河道功能也發(fā)生了不同程度的改變，為定量對河流水文要素改變度進(jìn)行研究，國內(nèi)許多學(xué)者都致力于構(gòu)建定量評估指標(biāo)分析其改變度[3-9]，但這些指標(biāo)大都采用單一指標(biāo)進(jìn)行評估，而未能考慮水文要素多個(gè)指標(biāo)改變度的評估。為此文章從徑流、泥沙、洪水三種特征值建立水文要素改變度評估指標(biāo)，并采用當(dāng)前在國內(nèi)水資源改變度評估領(lǐng)域應(yīng)用較好的模糊數(shù)學(xué)模型[10-15]，對渾河流域進(jìn)行水文要素綜合改變度的評估。

1 評估方法

1.1 評估指標(biāo)

為對河道水文要素改變度進(jìn)行綜合評估，從全面反映河道水文要素特征中選取具有代表性的評價(jià)因子，此外綜合考慮指標(biāo)確定的難易程度，確定評估指標(biāo)，如表1所示。

表1 河道水文要素改變度評估指標(biāo)

1.2 評估方法

主要采用模糊數(shù)學(xué)模型對河流水文要素改變度進(jìn)行評估，模型將水文要素改變度表征為統(tǒng)計(jì)變量xi，假定xi在[ai，bi]進(jìn)行取值。則其在天然對比期統(tǒng)計(jì)變量為xi,0，要素統(tǒng)計(jì)量xt,0為t時(shí)段的統(tǒng)計(jì)變量。若該統(tǒng)計(jì)變量降低是則表示河流出現(xiàn)水文要素的改變，水文要素改變度計(jì)算方程為：

(1)

若該指標(biāo)增加，則表示河流呈現(xiàn)發(fā)育狀態(tài)，水文要素改變度計(jì)算方程為：

(2)

在上述方程中時(shí)段t的第i個(gè)指標(biāo)的改變度為Di,t，第i指標(biāo)的取值范圍在[ai,bi]之間，i=1,2,……n。當(dāng)計(jì)算的Di,t<0時(shí)，則表示為河流出現(xiàn)改變，當(dāng)Di,t計(jì)算值>0時(shí)，則表示為河流未出現(xiàn)改變狀況。為對水文要素改變度進(jìn)行綜合評估，本文對河流的不同指標(biāo)要素進(jìn)行組合，則時(shí)段t的組合指為：

Xt=[x1,tx2,tΛxn,t]

(3)

結(jié)合方程(1)或者(2)對時(shí)段t內(nèi)的第i個(gè)指標(biāo)的改變度Di,t進(jìn)行計(jì)算，則時(shí)段t內(nèi)的改變度Di方程為：

(4)

方程中綜合改變度中不同指標(biāo)的權(quán)重為ω。本文對不同指標(biāo)權(quán)重主要采用二元比較法進(jìn)行確定。二元比較法各指標(biāo)相對權(quán)重如表2所示。

表2 二元比較法各指標(biāo)相對權(quán)重

為對水文要素改變度進(jìn)行定量綜合評估，需要對不同程度改變度Di進(jìn)行等級劃分，結(jié)合相關(guān)研究成果[14-15]，對河流水文要素改變度等級進(jìn)行劃分，如表3所示。

表3 河道水文要素改變度評估等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 渾河水文要素改變度評估

2.1 評估河段

選取渾河上、中、下河段進(jìn)行水文要素改變度的評估，評估河段及數(shù)據(jù)概況如表4所示。

表4 研究河段及資料情況

2.2 評價(jià)指標(biāo)及閾值分析

分別結(jié)合年最大洪峰、年輸水量以及年平均流量作為徑流、洪水、泥沙水文要素的評估特征指標(biāo)，以1990年作為基準(zhǔn)期，結(jié)合選定的北口前、撫順、邢家窩棚作為代表站，統(tǒng)計(jì)渾河上游、中游以及下游的河流水文特征評估指標(biāo)及閾值的范圍，如表5所示。

表5 渾河不同評估河段不同年代水文要素特征統(tǒng)計(jì)值及閾值區(qū)間

在進(jìn)行渾河上、中、下游河段水文特征指標(biāo)中年均流量、年均輸沙量以及年最大洪峰流量時(shí)分別結(jié)合選取的北口前、撫順、邢家窩棚水文站統(tǒng)計(jì)的各指標(biāo)系列最大值和最小值作為評估指標(biāo)的閾值范圍。

2.3 水文要素改變度評估結(jié)果

以1990年作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)段，認(rèn)為1990年以前遼寧省各典型河流處于天然狀況，分別對1990年以后到2017年期間以每10a作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算時(shí)段，結(jié)合各研究站點(diǎn)水文數(shù)據(jù)，對其水文特征的改變度進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表6所示。

表6 水文特征指標(biāo)改變度評估結(jié)果

以北口前站為例說明水文特征指標(biāo)改變度計(jì)算過程，其水文特征在2010年-2017年的指標(biāo)矩陣為Xt=[19.7 50.6 912]，則其水文特征在2010年-2017的指標(biāo)邊界矩陣為：

采用公式(4)對其水文特征改變度進(jìn)行評估矩陣的計(jì)算為DI,t=[-0.612 -0.835 -0.712]T。在水文特征指標(biāo)中洪水權(quán)重一般高于泥沙，采用二元方法對各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行設(shè)定，得到不同指標(biāo)的權(quán)重歸一化值：ω=[0.467 0.245 0.288]T，據(jù)此計(jì)算2010年-2017年北口前站斷面相比于1990年其水文特征改變度為-0.617，為高度改變。從分析結(jié)果可看出，渾河上、中、下游，總體在低度-高度改變變化之間，且在2010年以后基本處于中度-高度改變，這主要是因?yàn)閺?010年以后渾河徑流和洪峰相比于1990年以前都有較為明顯的減少，尤其是洪峰值，相比于1990年以前，同一級洪量下洪峰遞減比例可達(dá)到20%左右。

3 主要結(jié)論

1)在水文特征指標(biāo)中洪水權(quán)重一般高于泥沙，通過二元方法對各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行客觀設(shè)定，到洪水、徑流以及泥沙的歸一化權(quán)重值可分別為0.467、0.288、0.245。

2)由于2010年以后渾河徑流和洪峰相比于1990年以前都有較為明顯的減少，尤其是洪峰值，相比于1990年以前，同一級洪量下洪峰遞減比例可達(dá)到20%左右，使得渾河各河段水文要素從2010年以后基本處于中度-高度改變之間變化。