趙艷波 孫冬海 劉正茂,2

(1.黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 哈爾濱 150090;2.東北師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院.長(zhǎng)春 130024)

1 引言

水文過(guò)程是流域內(nèi)物質(zhì)和能量流動(dòng)的重要傳輸過(guò)程,水文過(guò)程能有效地反映一個(gè)流域的降水、下墊面變化及水資源的利用狀況。水文過(guò)程是維持河流自身健康,以及下游濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能發(fā)揮的重要自然過(guò)程。河流水文過(guò)程盡管表現(xiàn)出高度的非線性,但其變化特征能揭示流域景觀結(jié)構(gòu)的變化。

七里沁河是三江平原典型的山丘性河流,中上游是以山丘森林地為主,而下游以平原和沼澤濕地區(qū)為主。由于在二十世紀(jì)50～70年代,上游森林砍伐面積較大,并且開(kāi)墾了大量的坡耕地;下游大面積的濕地被開(kāi)墾成耕地,并且近10多年來(lái)旱地被大面積轉(zhuǎn)變成水稻田,再加上防洪治澇水利工程的修建等人為因素的干擾,使得流域下墊面發(fā)生了較為明顯的變化。

通過(guò)分析近30年七里沁河水文過(guò)程,基于流域景觀結(jié)構(gòu)的變化過(guò)程來(lái)闡明水文過(guò)程的變化原因,對(duì)于恢復(fù)和保護(hù)七里沁河獨(dú)有的水文過(guò)程與特征,尤其是為撓力河下游濕地水文過(guò)程的修復(fù)與重建具有深遠(yuǎn)的意義。

2 研究區(qū)域概況

七里沁河位于黑龍江省三江平原東側(cè),發(fā)源于完達(dá)山脈東側(cè)的神頂山北麓;河長(zhǎng)75km,河道彎曲,坡降1/200～1/10000。七里沁河是撓力河的一級(jí)支流 (圖1),寶清縣與饒河縣的界河。七里沁河流域面積1310km2。七里沁河中上游即紅旗嶺水文站控制集水區(qū)域內(nèi)以森林地為主,據(jù)2005年遙感解譯數(shù)據(jù)顯示面積為1026.3km2,占集水區(qū)域面積的89.48%;下游地區(qū)為平原和濕地,面積約占七里沁河流域總面積的13.3%。七里沁河地處寒溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū),多年平均氣溫2.7℃。年平均降水為572mm。多年平均水面蒸發(fā)量為628mm。結(jié)冰期長(zhǎng)達(dá)150d～180d,最大凍深可達(dá)253cm。多年平均風(fēng)速4m/s,最大風(fēng)速 28m/s。多年平均封凍天數(shù)145d。

七里沁河所在流域有一處水文站,即紅旗嶺站(46°50′N,133°12′E), 其控 制 集水 面 積為1147km2,該站距七里沁河入撓力河口13km。目前觀測(cè)項(xiàng)目有:水位、流量、冰情、降水等。1975年開(kāi)始觀測(cè)水位,1977年施測(cè)流量,1980年開(kāi)始觀測(cè)降水,觀測(cè)項(xiàng)目從建站至今。集水區(qū)域內(nèi)有河口、石場(chǎng)、紅旗嶺三個(gè)雨量站 (圖1)。

圖1 七里沁河集水區(qū)在撓力河流域的位置

3 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究中的水文與氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于佳木斯市水文局。降水量數(shù)據(jù)采用了河口、石場(chǎng)、紅旗嶺三個(gè)雨量站1956～2005年的數(shù)據(jù)。水文數(shù)據(jù)采用了紅旗嶺站1978～2005年的水位和流量觀測(cè)數(shù)據(jù)。土地利用變化及覆被變化數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為1954～2005年,共分為6個(gè)時(shí)間段,2005年、2000年、1995年、1986年、1976年和1954年。由于不同時(shí)期的數(shù)據(jù)源不同,所以處理的方式也不同:2005年為中巴衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),分辨率為23m,并附以一景Landsat ETM數(shù)據(jù);1986年、1995年和2000年,采用 Landsat TM 衛(wèi)星遙感影像,分辨率為30m;1976年采用了 MSS影像,分辨率為80m;所有數(shù)據(jù)都采用近紅外、紅光與綠光波段進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成;1954年采用1︰100000地形圖作為數(shù)據(jù)源。

3.2 數(shù)據(jù)分析及圖件處理

面雨量的計(jì)算方法主要采用面積加權(quán)法進(jìn)行計(jì)算。因研究區(qū)域內(nèi)因?yàn)橹挥泻涌凇⑹瘓?chǎng)、紅旗嶺三個(gè)雨量站有降水資料,基于各降水測(cè)站的控制范圍,采用河口、石場(chǎng)、紅旗嶺面積權(quán)重系數(shù)為0.4、0.4和0.2進(jìn)行面雨量的求算。徑流深的計(jì)算方法,采用寶清水文站實(shí)測(cè)徑流量與控制區(qū)域面積的比值得到。數(shù)據(jù)處理主要運(yùn)ArcGIS9.2和Execel2003綜合處理獲得。圖件處理主要采用Arc-GIS9.2和 AutoCAD2004、Excel2003和 MATLAB6.5進(jìn)行繪制。

4 研究方法

(1)通過(guò)分析紅旗嶺站集水區(qū)域月平均面上降水與紅旗嶺站控制區(qū)域同期徑流量月平均分配關(guān)系,來(lái)分析降水與徑流的一致性。

(2)通過(guò)計(jì)算紅旗嶺水文站年內(nèi)分配不均勻系數(shù)(CVy),來(lái)分析徑流年分配不均勻性的變化趨。CVy能較為定量描述徑流年內(nèi)分配不均性。CVy的計(jì)算公式如下:

式中:K i為第i年各月徑流量占年徑流量的百分比,%;

K-為各月平均占全年百分比,K=8.33%;

(3)統(tǒng)計(jì)紅旗嶺站連底凍天數(shù)等參數(shù)來(lái)分析七里沁河冰凍季節(jié)的旱化趨勢(shì);選擇典型年1995年和2005年紅旗嶺站4月至11月5日平均水位過(guò)程線,來(lái)分析七里沁河河流水位的漲退變化。

5 結(jié)果與分析

5.1 降水和徑流的分配過(guò)程

通過(guò)分析七里沁河上紅旗嶺站集水區(qū)域1981～2000年面降水過(guò)程可知:紅旗嶺站7月、8月的面降水量較大 (圖2);而同期紅旗嶺站月均流量可知:4月、5月、8月的流量最大 (圖3)。

圖2 集水區(qū)域月平均雨量站降水分配(1981-2000)

圖3 集水區(qū)域月平均流量分配 (1981-2000)

圖4 集水區(qū)域月平均雨量站降水分配 (1981-2000)

但從圖2和圖3可得出,紅旗嶺站月均最大流量與集水區(qū)域月均最大面降水量在時(shí)間上并不完全吻合。圖2表明自1981-2000年期間,月均流量最大值出現(xiàn)在5月,而在此期間月均面降水量明顯小于6月、7月、8月和9月。統(tǒng)計(jì)8月、9月、10月和11月四個(gè)月的面降水與8月、9月、10月和11月的月均流量整體上存在一致性。面降水和流量各自存在季節(jié)性分配不均勻性的同時(shí),也存在降水量和流量在時(shí)間分配上的不完全一致性。因?yàn)榧t旗嶺站集水區(qū)域以森林為主 (1954年森林面積占集水區(qū)的84.4%;1976年為90.4%;1995年為92.1%;2000年為90.8%;2005年為89.5%),冰雪融化是4和5月徑流的主要來(lái)源,而4月和5月的徑流包括11月至3月的以降雪為主的降水,據(jù)統(tǒng)計(jì)此段降水量達(dá)52mm左右,所以導(dǎo)致了春汛流量出現(xiàn)最大。

通過(guò)運(yùn)用公式 (1)計(jì)算可知:自1980～2005年,紅旗嶺水文站控制區(qū)Cvy平均值為1.44,并且其變化趨勢(shì)呈遞增趨勢(shì) (圖4),這表明Cvy增大。欒兆擎等 (2007)曾得出撓力河流域的菜咀子和寶清水文站Cvy也呈遞增趨勢(shì)。通過(guò)運(yùn)用同樣的方法分析,得知撓力河上游寶清水文站集水區(qū)域1961～2006年Cvy平均值為1.29、七星河上游保安水文站集水區(qū)域1961～2000年Cvy平均值為1.12、菜咀子水文站集水區(qū)域1961～2002年Cvy值為0.93。Cvy值與流域下墊面及用水狀況是有關(guān)的,但集水區(qū)域內(nèi)森林面積的比例能明顯影響Cvy,一般隨森林面積比重的增大,Cvy反而增大。據(jù)統(tǒng)計(jì)紅旗嶺站集水區(qū)域森林面積占了該區(qū)的84%(1954年)～92%(2005年),寶清站集水區(qū)內(nèi)的森林面積占了該區(qū)的 50%(2005年)～60%(1954年),保安站集水區(qū)內(nèi)森林面積占了該區(qū)的60%(2005年)～87%(1954年);菜咀子站集水區(qū)的森林面積占了該區(qū)的26%(2005年)～30%(1954年)。因森林能有效減少林區(qū)近地層或林下的風(fēng)速,相對(duì)裸露的耕地來(lái)說(shuō),至少平均減少11～12月和1～3月期間4m/s～6m/s,這將大減少降落在林下的積雪在風(fēng)力作用下以水蒸汽的形式進(jìn)入大氣,使得大部分降雪以冰雪融水徑流形式在翌年4月和5月才能形成地表徑流進(jìn)入河流,所以森林面積越大的流域,4月和5月的徑流總量占全年的比重越大。寶清站集水區(qū)森林面積的比例小于保安站集水區(qū)域的,但Cvy前者大于后者,這可能與寶清站上游龍頭橋水庫(kù) (設(shè)計(jì)庫(kù)容為6.145億m3)自1999年開(kāi)始蓄水調(diào)節(jié)徑流有關(guān)。

圖5 1990年和2005年4-11月5日平均水文過(guò)程線

圖6 1979～2005年出現(xiàn)連底凍天數(shù)的變化過(guò)程

5.2 河流水位的變化過(guò)程

水位的節(jié)律變化對(duì)維持河流的健康至關(guān)重要。A.Barendregt(1995)認(rèn)為濕地保護(hù)依賴于水位,尤其與濕地相連接河流的水變化對(duì)濕地物多樣性保護(hù)相當(dāng)關(guān)鍵。其實(shí),一條河流的健康生命就在于有節(jié)律的水位變化。河流水位有節(jié)律的漲落,一方面反映了河流徑流量的時(shí)空分配過(guò)程;另一方面因河流水位反復(fù)升降過(guò)程使得河灘地消落帶季節(jié)性地出現(xiàn),為河流水生生物的繁殖提供了場(chǎng)所。七里沁河洪水的漲落過(guò)程對(duì)下游撓力河濕地自然保護(hù)區(qū)的正常發(fā)育極為重要。但近些年來(lái),其變化過(guò)程也在發(fā)生較為明顯的變化 (圖5)。由圖5可知:2005年4～11月5日平均水位過(guò)程線比1990年升降速度明顯增大。近年來(lái),由于紅旗嶺站集水區(qū)修建了大量的水利工程,使得流域排水水文梯度增大,地表徑流的集散過(guò)程加速。據(jù)調(diào)查,在1990s年代后期,紅旗嶺農(nóng)場(chǎng)已在紅旗嶺站集水區(qū)修建了七里沁河堤防和越嶺河堤防,累計(jì)長(zhǎng)達(dá)23.2km(標(biāo)準(zhǔn)為十年一遇)修建了兩條累計(jì)長(zhǎng)達(dá)19.25km的排水溝,標(biāo)準(zhǔn)為三年一遇,這些水利工程的修建對(duì)加速流域地表徑流的集散過(guò)程存在一定的貢獻(xiàn)。另外,七里沁河的支流大牙克河右岸為高山,左岸筑有5年一遇標(biāo)的防洪堤8.7km,使得天然河道在人為作用下溝渠化,增大了泄洪的速度。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)紅旗嶺站1977～2005年的水位記錄數(shù)據(jù)顯示:凍結(jié)季節(jié),七里沁河在紅旗嶺站處平均水位呈下降趨勢(shì),主要體現(xiàn)在連底凍的天數(shù)呈增加趨勢(shì)(圖6)。而流域溫度有上升的趨勢(shì),相反連底凍的天數(shù)在增加,表明河流水位過(guò)程線總體上有降低的趨勢(shì),尤其是在1月、2月、3月、4月和12月,說(shuō)明河流的水位變化過(guò)程在向偏旱化的方向發(fā)展。

5.3 徑流產(chǎn)匯變化過(guò)程

據(jù)統(tǒng)計(jì)紅旗嶺站1980～2005年的月均流量數(shù)據(jù)顯示:月均流量是以5月為最大值,其次是4月和8月。該區(qū)處于我國(guó)高寒區(qū),每完成一個(gè)水文周期要經(jīng)過(guò)主汛期,積雪與凍土形成,積雪與凍土融化,然后再進(jìn)入另一個(gè)主汛期三個(gè)階段,使得徑流的產(chǎn)匯過(guò)程變得相當(dāng)復(fù)雜。如10月、11月、12月至翌年的3月期間的降水多以雨夾雪和固態(tài)降水為主,待來(lái)年4月份和5月份才以融雪徑流的形式進(jìn)入河流中。盡管7月份的降水量較大,而徑流量并不大,這可能與集水區(qū)域植被生態(tài)耗水量增大,降低了土壤有效含水量有關(guān)的,因?yàn)橥寥烙行Ш康慕档蛯p少?gòu)搅魃睢?/p>

經(jīng)統(tǒng)計(jì)2001～2005年內(nèi)的7月和8月平均流量分別為5.5m3/s和7.1m3/s,較1978～2000年7月和8月平均值10.5m3/s和18.8m3/s分別減少了5.0m3/s和11.7m3/s。這與自2000年以來(lái)紅旗嶺站集水區(qū)內(nèi)增加水稻田有關(guān),而7月和8月恰是水稻高耗水的季節(jié)。截止2005年,紅旗嶺站集水區(qū)耕地42.2ha,占集水區(qū)面積比重的3.68%,水稻田面積已達(dá)318.03ha,占整個(gè)集水區(qū)耕地面積的0.27%,盡管比例相對(duì)較小,但由于在此集水區(qū)內(nèi)灌溉水源為七里沁河,按灌溉定額按400m3/畝計(jì),則現(xiàn)有水田每年消耗集水區(qū)內(nèi)的地表徑流量為0.02億m3,且水稻田較旱田徑流深明顯減少,從原來(lái)平均199mm下降至80mm左右,這將減少?gòu)搅髁考s37萬(wàn)m3。所以,近幾年來(lái)集水區(qū)域內(nèi)水田面積的增加,減少河流的徑流量。

1950s和1970s時(shí)期,曾有大面積的林地被砍伐,而在1980s、1990s林地有明顯的增加,但增加的林地主要以人工林為主。2002年前紅旗嶺農(nóng)場(chǎng)在七里沁河流域上游通過(guò)毀林開(kāi)墾坡耕地約4000ha。1978年集水區(qū)域面降水728.7mm,降水頻率為6.5%,而年徑流量為1.591億 mm3;而1994年集水區(qū)降水量為 668.8mm,降水頻率為19.4%,而年徑流量為3.01億mm3;1979年面降水量達(dá)578.7mm,降水頻率為38.7%,而年徑流量為1.525億 m3;1995年集水區(qū)域面降水量為525.9mm,降水頻率為61.3%,而年徑流量為2.10億mm3。由此,可見(jiàn)隨著森林面積的減少,集水區(qū)域內(nèi)的年徑流量也明顯減少;隨著森林面積的增加,年徑流量也增加。

6 結(jié)論及建議

(1)1979-2005年七里沁河徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù) (Cvy)呈遞增趨勢(shì);其水文過(guò)程的變化趨勢(shì)已反映出河流的旱化發(fā)展趨勢(shì);同時(shí)也說(shuō)明三江平原山丘區(qū)河流在朝加速旱化的方向發(fā)展。

(2)七里沁河作為山區(qū)性河流,其水文特征已明顯反映出了其集水區(qū)域的下墊面環(huán)境已受到了人類的強(qiáng)烈干擾;同時(shí)體現(xiàn)出對(duì)三江平原氣候變暖的響應(yīng)。

(3)森林對(duì)七里沁河4月和5月徑流量的產(chǎn)生具有較大的貢獻(xiàn)作用,主要體現(xiàn)在增大4月和5月徑流量在年內(nèi)的分配比重。

(4)集水區(qū)內(nèi)旱田轉(zhuǎn)變成水田減少了七里沁河6-8月的月均流量,2001～2005年內(nèi)的7月和8月平均流量較1978～2000年7月和8月平均流量值分別減少了5.0m3/s和11.7m3/s。

(5)為了防止七里沁河年徑流量的減少,應(yīng)當(dāng)增加流域上游森林面積的比重。為了增加撓力河流域濕地水資源的補(bǔ)充量,應(yīng)增大流域河流源頭森林面積,減少中上游水稻田的種植面積。

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