武光明
(山西省水文水資源勘測局,山西 太原 030001)
汾河流域生態(tài)修復(fù)地表徑流計算分析
武光明
(山西省水文水資源勘測局,山西 太原 030001)
在對汾河流域水資源變化形勢深入了解,開展相關(guān)方面的調(diào)查、分析和研究的基礎(chǔ)上,采用基于流域水文下墊面地類劃分建立的降雨產(chǎn)流模型進行地表徑流計算,具有較高的計算精度。流域生態(tài)修復(fù)改變了水文下墊面條件,通過對治理水平年地表徑流量的計算,表明生態(tài)修復(fù)可增加流域地表產(chǎn)水量,流域生態(tài)可得到較好恢復(fù)和改善。
生態(tài)修復(fù);地表徑流計算;地表產(chǎn)水量分析;汾河流域
汾河流域是山西省經(jīng)濟發(fā)展的重點區(qū)域,流域水資源長期過度開發(fā),用水量不斷加大,且隨著煤炭等礦產(chǎn)資源的大量開采,破壞了植被生長,使生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞,致使流域產(chǎn)流減少,水污染加劇。汾河流域生態(tài)修復(fù)是新時期加強生態(tài)文明建設(shè)的重要體現(xiàn),因此對汾河流域水資源變化形勢深入了解,開展相關(guān)方面的調(diào)查、分析和研究工作十分必要。
汾河是山西省第一大河,也是黃河第二大支流,流經(jīng)山西省中南部,東西寬188km,南北長412.5km,干流長716km,呈帶狀分布,流域面積39826km2。汾河發(fā)源于管涔山,自北向南縱貫6市45個縣(市、區(qū)),匯聚呂梁、太岳山區(qū)50km2以上的支流83條,汾河流域面積大于1000km2的支流9條,自上而下分別為嵐河、楊興河、瀟河、昌源河、磁窯河、文峪河、段純河、洪安澗河和澮河。流域內(nèi)有雷鳴寺泉、蘭村泉、晉祠泉、洪山泉、郭莊泉、霍泉、龍子祠泉和古堆泉等8處巖溶大泉,這些巖溶大泉是汾河清水徑流的重要組成部分。流域內(nèi)歷史上曾有茂密的森林覆蓋,因近幾百年森林的連續(xù)破壞,現(xiàn)有森林覆蓋率很低,水土流失嚴重。
汾河流域地處中緯度大陸性季風(fēng)帶,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,為半干旱、半濕潤型氣候過渡區(qū)。多年(1956—2000年)平均降水量504.8mm。水資源總量33.6億m3,其中:地表水資源量20.7億m3,地下水資源量24.1億m3,基流量11.2億m3。因人類活動的加劇,汾河流域地表徑流量從20世紀(jì)80年代以來持續(xù)減少。與第一次水資源評價相比,1980—2000年地表水資源量比 1956—1979年減少 9.1億 m3,2001—2013年在降水量增加的情況下,地表水資源量比1980—2000年減少4.1億m3。
地表徑流是指河川徑流量扣除基流量,即地表產(chǎn)水量。將汾河流域分為上中游及下游兩個研究區(qū),上中游面積28214km2,下游面積11612km2。選用流域內(nèi)代表水文站資料,以汾河流域受人類活動影響較小時期的1956—1979年為基礎(chǔ),利用模型分析不同水文下墊面條件下的降雨產(chǎn)流規(guī)律,率定優(yōu)化模型參數(shù),根據(jù)規(guī)劃治理措施下墊面變化情況,分析計算治理后地表徑流的變化。
汾河流域及兩個研究分區(qū)降水量系列采用第二次水資源評價成果及2001年后各年度水資源公報成果,計算83條支流1956—2013年的降水量。
地表徑流量資料分析了第一次(1956—1979年)、第二次(1956—2000年)水資源評價成果以及2001—2013年山西省水資源公報及《山西省水文計算手冊》成果。各代表水文站的系列計算延長至2013年。
水文下墊面由地質(zhì)條件、地貌形態(tài)、植被覆蓋及土壤等要素組成,是對降水進行再分配的多因素綜合體??茖W(xué)劃分水文下墊面地類,是研究水文規(guī)律的重要基礎(chǔ)。地類劃分參照《山西省水文計算手冊水文下墊面產(chǎn)流地類圖》的成果及方法。
根據(jù)汾河流域50km2以上支流流域內(nèi)各種植被及土地使用現(xiàn)狀及規(guī)劃耕地、林地(森林及灌木林、其他林)、草地、水域、園地等所占面積,將各類土地使用面積與巖性、地貌、植被等要素相結(jié)合進行下墊面地類劃分。
地類劃分時,考慮砂頁巖和變質(zhì)巖地類比較接近,將兩個巖類合并。森林面積細分為灰?guī)r森林和變質(zhì)砂頁巖森林;灌木林與其他林面積分為灰?guī)r灌叢和變質(zhì)砂頁巖灌叢;草地分為灰?guī)r土石山和變質(zhì)砂頁巖土石山;耕地為一種地類;水域、園地、居民點及工礦用地、交通用地、其他用地合并為其他地類,共分為8種地類?,F(xiàn)狀汾河流域森林覆蓋率僅16.0%,其中灰?guī)r森林7.8%,變質(zhì)砂頁巖森林8.2%。其他地類面積占流域總面積比分別為:灰?guī)r灌叢4.8%,變質(zhì)砂頁巖灌叢11.5%,灰?guī)r土石山3.4%,變質(zhì)砂頁巖土石山17.3%,耕地29.5%和其他17.4%。生態(tài)修復(fù)規(guī)劃森林覆蓋率將達30%以上,其中灰?guī)r森林11.4%,變質(zhì)砂頁巖森林18.9%。其他地類面積占流域總面積比分別為:灰?guī)r灌叢3.1%,變質(zhì)砂頁巖灌叢14.2%,灰?guī)r土石山2.0%,變質(zhì)砂頁巖土石山6.3%,耕地27.9%和其他16.6%。
采用2011年山西省水利廳編著的《山西省水文計算手冊》年徑流均值計算方法。
地表年徑流均值計算采用雙曲正切模型法,即:
A——設(shè)計流域面積,km2;
Ai——某產(chǎn)流地類所對應(yīng)的集水面積,km2;
Zmi——某產(chǎn)流地類參數(shù)的可能最大損失量(按設(shè)計流域水文下墊面類型選取,其中主要含義為流域內(nèi)潛在的地表蒸發(fā)量,在巖溶泉域的補給區(qū),則包括深層滲漏補給巖溶水的水量,在非閉合流域,也可能含有滲漏外排水量),mm;
th——雙曲正切函數(shù)符號。
模型參數(shù)的合理選取是流域各支流及分區(qū)地表水量計算的基礎(chǔ)。在汾河流域共選取大于50km2小于3000km2的17個代表站(區(qū)間),利用代表水文站的資料(1956—1979年,受人類活動影響較小時期)進行模型參數(shù)的優(yōu)化,通過參數(shù)優(yōu)化調(diào)整,計算汾河流域各分區(qū)地表徑流量(1956—1979年),與第一次評價成果進行對比,得到較為合理的地類參數(shù),此參數(shù)用于流域恢復(fù)后(以2030年作為水平年)產(chǎn)生顯著效益的地表徑流計算。經(jīng)分析優(yōu)化,各地類參數(shù)值分別為:變質(zhì)砂頁巖灌叢850mm,變質(zhì)砂頁巖森林900mm,灰?guī)r灌叢950mm,灰?guī)r森林1000mm,變質(zhì)砂頁巖土石山1300mm,灰?guī)r土石2000mm,耕地3000mm。
將各地類參數(shù)代入模型對地表年徑流均值計算值與各水文站實測值進行誤差統(tǒng)計分析,誤差在±10%以內(nèi)的有10站,占總站數(shù)的58.8%,誤差在±20%以內(nèi)的有13站,占總站數(shù)的76.5%,誤差在±20%以內(nèi)的有16站,占總站數(shù)的94.1%。與第一次水資源評價成果(1956—1979年)進行對比,上中游誤差為1.8%,下游誤差為-12.7%,汾河流域誤差為-3.5%。說明上述地表年徑流均值計算模型及所用參數(shù)在流域地表年徑流計算時具有較高的精度。
該方法從水文分析角度,通過建立各要素間的水文模型,分析計算流域地表徑流,具有較高的計算精度。流域生態(tài)修復(fù)需要較長周期,此方法可用于流域生態(tài)修復(fù)規(guī)劃階段及規(guī)劃實施后的河流生態(tài)效益預(yù)測,特別是對河川地表徑流及河川徑流進行匡算和初步評估,具有一定的借鑒參考價值。
根據(jù)上述模型及參數(shù),計算生態(tài)修復(fù)的地表徑流量(不含基流,降雨量采用各支流1956—2013年均值),治理水平年為2030年。根據(jù)汾河流域生態(tài)修復(fù)規(guī)劃,2015—2020年為主要工程措施實施階段,植被恢復(fù)和現(xiàn)有森林指標(biāo)有一定差距,2021—2030年為流域生態(tài)恢復(fù)期,關(guān)井壓采達到預(yù)期目標(biāo),植被得到恢復(fù)預(yù)期指標(biāo)。通過計算,生態(tài)恢復(fù)到2030年水平時,汾河上中游地表水量為7.0億m3,下游4.1億m3,流域地表水量可達11.1億m3,接近20世紀(jì)70年代以前水平。與1956—2000年地表徑流年均值相比,流域地表產(chǎn)水量增加1.57億m3,增幅16.5%,地表產(chǎn)流系數(shù)從0.047提高到0.055,增幅16.0%,流域生態(tài)得到較好恢復(fù)和改善。計算結(jié)果見表1。
表1 汾河流域生態(tài)修復(fù)地表水量計算成果表
汾河流域生態(tài)修復(fù)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程,通過植被修復(fù)等措施進一步改善流域的水文下墊面產(chǎn)流條件,不僅可有效涵養(yǎng)水源,增加河川基流量,而且可增加地表產(chǎn)流量,改變地表徑流逐年衰減的趨勢。
水是人類生存和發(fā)展不可替代的資源,是經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),也是生態(tài)環(huán)境的控制因素。汾河流域生態(tài)修復(fù)改善了流域水文下墊面的產(chǎn)流條件,通過對現(xiàn)狀及修復(fù)后流域地類劃分,建立地表年徑流均值模型,以依據(jù)代表水文站資料基礎(chǔ),通過參數(shù)優(yōu)化,可得到較高的計算精度。分析結(jié)果表明,流域生態(tài)修復(fù)后,森林覆蓋率從現(xiàn)狀的16%達到30%以上,可有效增加流域地表產(chǎn)水量,改變地表徑流逐年衰減的趨勢,使流域生態(tài)得到較好恢復(fù)和改善。
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武光明(1967-),男,1989年畢業(yè)于河海大學(xué)水資源規(guī)劃及利用專業(yè),高級工程師。
2016-02-17;
2016-03-18