李錦鵬

(本溪滿族自治縣水務(wù)和移民事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 本溪 117100)

1 研究背景

經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展與全球氣候的變化促使太子河流域植被覆蓋類型與覆蓋面積發(fā)生了較大改變，生態(tài)環(huán)境的變化導(dǎo)致流域干旱災(zāi)害的發(fā)生更加頻繁，流域內(nèi)水環(huán)境污染及資源型缺水問題更加突出，已成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展與人們生活質(zhì)量提升的瓶頸。土地利用/覆蓋變化作為國內(nèi)外水文研究機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一[1-2]，許多學(xué)者在徑流變化特征方面做了大量研究，如Poly Akov等[3]以夏威夷Kauai島為例，研究分析了在不同時(shí)空高差下熱帶流域的徑流變化特征，并取得了理想的模擬效果；Chalor等[4]利用Ann AGNPS模型模擬分析了小農(nóng)業(yè)流域的泥沙與徑流狀況，在不同尺度徑流量上模型呈現(xiàn)出較好的模擬效果。水資源與土地利用被國際農(nóng)業(yè)研究組織認(rèn)為是土地利用與水關(guān)系研究的核心內(nèi)容，在水文領(lǐng)域信息遙感與GIS技術(shù)的研究應(yīng)用得到了迅速發(fā)展，空間單元格可借助GIS技術(shù)進(jìn)行劃分，而水文模型需要的背景資料可通過信息遙感技術(shù)的土地利用類型圖與DEM數(shù)據(jù)獲取。

因此，為更好地反映不同土地利用類型、坡度、堤型等因子對流域徑流的變化影響，水文模型的構(gòu)建可引入信息遙感系統(tǒng)與GIS技術(shù)，通過相關(guān)性分析為水利工程規(guī)劃提供一定的決策依據(jù)。

2 太子河流域土地利用類型及子流域降水變化

2.1 流域概況

太子河流域位于東經(jīng)122°26′～124°53′、北緯40°29′～41°39′，主要有細(xì)河、沙河、湯河、蘭河等支流[5]，流經(jīng)丹東、鞍山、遼陽、撫順、鞍山等地，流經(jīng)區(qū)域地形地貌結(jié)構(gòu)類型多樣且錯(cuò)綜復(fù)雜，地勢構(gòu)造層次由東向西逐漸降低并以低山丘陵和平原區(qū)為主。流域位于溫帶大季風(fēng)氣候區(qū)，年降水量為480～950mm且主要集中在6—9月，氣候特征為冬季寒冷漫長、夏季炎熱多雨。流域上游離黃海較近其降雨量較大，汛期內(nèi)澇災(zāi)害嚴(yán)重，年蒸發(fā)量由東南向西北依次增大，溫度在5～9℃范圍，濕度在70%左右。

太子河流域上游是以落葉闊葉林為主的山地森林富水區(qū)，植被所占面積為50%以上，屬于多水區(qū)；太子河中游與下游區(qū)域分別為低山丘陵與平原區(qū)，降水量較少且人口較為密集。近年來，流域土地利用類型受人為活動與氣候變化的影響程度不斷增大，流域輸水量逐年降低，下游河道經(jīng)常出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，水環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)出逐年惡化的發(fā)展趨勢。觀音閣水庫是一座以防洪排澇、保證工業(yè)與城市用水為主，兼顧一定的旅游觀光、養(yǎng)魚發(fā)電為主的重點(diǎn)水利工程，水庫控制面積2.795km2，總庫容為21.68億m3，設(shè)計(jì)與校核洪水位為千年和萬年一遇。近年來，觀音閣水庫庫區(qū)經(jīng)濟(jì)社會得到了迅猛發(fā)展，各行業(yè)與農(nóng)業(yè)灌溉對水資源需求急劇增大，進(jìn)一步加劇了水資源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾[6-9]。所以，深入分析降水徑流變化特征對于促進(jìn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水資源可持續(xù)開發(fā)利用以及供需平衡分析具有重要意義，并且可為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展受極端水文氣象與氣候變暖的不利影響分析提供參考依據(jù)。

表1 太子河流域土地利用類型與原代碼

2.2 土地利用類型

根據(jù)太子河流域土地利用特點(diǎn)和土地現(xiàn)狀分類中的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，按照表1將太子河流域土地利用情況進(jìn)行不同類型的劃分，利用分類Ⅱ的土地利用類型分析觀音閣水庫控制的子流域徑流量變化驅(qū)動因子。

然后根據(jù)土地利用類型情況和原代碼劃分方法，對不同時(shí)間段土地狀況進(jìn)行識別并作為徑流量變化參數(shù)指標(biāo)評價(jià)的基礎(chǔ)。

2.3 子流域降水徑流及變化趨勢

大氣降水作為水資源補(bǔ)給的主要來源，對水資源管理和開發(fā)利用規(guī)劃的影響顯著，氣象要素隨著溫度的持續(xù)性變暖而越來越重要，其中徑流與降水要素對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展與經(jīng)濟(jì)建設(shè)的影響顯著。子流域徑流與降水量變化趨勢由于土地利用情況及地形的變化可能發(fā)生一定的改變，在1995—2016年觀音閣水庫控制的子流域徑流量、降水量變化趨勢與過程如圖1所示?？傮w而言，在研究期間子流域降水表現(xiàn)出逐漸減少趨勢，特別是在2015年以后下降幅度較為明顯。這與太子河流域所屬氣候條件相關(guān)，該流域?qū)儆跍貛Т蠹撅L(fēng)氣候區(qū)，年降水量受地形特征、人類活動和季風(fēng)氣候影響，從而導(dǎo)致不同年度上的降水量分配不均衡。

圖1 1970—2016年觀音閣水庫控制的子流域降水、徑流量變化趨勢

3 子流域水文干旱影響因子識別結(jié)果

3.1 研究方法

為了更加科學(xué)、準(zhǔn)確地分析徑流量變化受驅(qū)動因子的影響作用，本文對子流域徑流變化過程引入普遍而實(shí)用的多元線性回歸模型進(jìn)行分析，該模型是通過尋求對因變量具有顯著線性相關(guān)的參數(shù)構(gòu)造“最優(yōu)”方程的研究方法[10]，其基本步驟如下。

步驟一：定義回歸方程的因變量和自變量。根據(jù)表1各土地利用類型定義自變量為X，因變量為Y，其中降水量及其他各土地類型分別為X1～X7，為使得各變量具有相同的數(shù)量級，降水量單位為10mm，其他變量的單位為該土地利用類型占子流域總面積的百分率[11]。因此，可利用下式反映變量Xi～Y的線性關(guān)系，即：

Y=β0+β1X1+β2X2+…+β7X7+ε

(1)

式中，βi—為未知參數(shù)且ε～N(0，σ2)。

假定X1～X7，Y的隨機(jī)觀測值為Xij，則上述回歸方程可表述為如下形式，即：

Yj=β0+β1X1j+β2X2j+…+β7X7j+εj

(2)

將轉(zhuǎn)換后的回歸方程利用矩陣的形式進(jìn)行計(jì)算，可描述為如下形式：

Y=Xβ+ε

(3)

式中，X，Y—n×(7+1)階設(shè)計(jì)矩陣和響應(yīng)變量構(gòu)成的n維向量；β，ε—分別為8維向量與n維誤差向量。

構(gòu)建模型后可通過最小二乘函數(shù)估計(jì)不同的變量βi，通過轉(zhuǎn)換計(jì)算可得到最終的經(jīng)驗(yàn)回歸方程如下：

(4)

殘差向量為：

(5)

通常情況下，

(6)

var(β)=σ2(XTX)-1

(7)

(8)

式中，cii—為矩陣對角線的第i個(gè)元素。

E(Y)值隨著X1～X7參數(shù)量的變化無法對其線性特征利用圖形進(jìn)行判斷，因此有必要檢驗(yàn)其回歸系數(shù)的顯著性。本研究對自變量Xi與因變量Y的回歸模型利用R統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行求解，然后采用逐步回歸法的計(jì)算程度和最優(yōu)方程建立基本原則確定最佳方程。實(shí)踐表明，Step函數(shù)為逐步回歸計(jì)算應(yīng)用較為普遍且有效的方法，該函數(shù)是對AIC信息統(tǒng)計(jì)量按照一定的準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)變量刪除與增加的方法?；貧w方程由最小AIC值所對應(yīng)的變量構(gòu)成時(shí)即為尋找的最優(yōu)方程，此時(shí)所對應(yīng)的因變量即為影響徑流量變化的關(guān)鍵性因子，并且因子相關(guān)程度可根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小反映。

3.2 結(jié)果分析

對流域月平均徑流量、月平均降水量以及不同土地利用類型之間的關(guān)系利用多元線性回歸模型進(jìn)行最優(yōu)的計(jì)算分析，觀音閣水庫控制的子流域徑流變化驅(qū)動因子對應(yīng)的系數(shù)βi以及多元線性回歸方程計(jì)算結(jié)果見表2，其中“***、**、*、NA”分別代表通過100%、99.9%、99%的顯著性檢驗(yàn)和不存在現(xiàn)象關(guān)系。

根據(jù)回歸方程系數(shù)矩陣可建立子流域多元線性方程如下：

上游：Y=2.5X1+0.6X2+7.2X3+4.0X4+6.1X5-42.8

(9)

中游：Y=1.7X1+1.5X3+0.3X4-12.5

(10)

下游：Y=1.0X1+0.6X2+0.3X4-10.6

(11)

根據(jù)上述回歸方程計(jì)算結(jié)果可以看出，各驅(qū)動因子對不同區(qū)域的徑流量影響程度存在一定差異，在觀音閣水庫控制的子流域上游區(qū)域影響因素較為復(fù)雜，其中土地利用類型變化的影響對徑流量變化最為顯著；在中游與下游區(qū)域的驅(qū)動因子均為3項(xiàng)，其中草地與林地的相對覆蓋面積對土地利用類型的影響最為顯著，林地的影響范圍廣而草地的影響程度大，相對于上游區(qū)域降水與徑流的線性程度有所下降；水域面積為影響下游流域徑流的關(guān)鍵參數(shù)，造成下游徑流量減少的因素主要有水域面積和降水量的減少。

4 結(jié)論

本文以觀音閣水庫控制的子流域?yàn)槔瑢α饔虻纳?、中、下游區(qū)域的徑流變化特征利用多元線性回歸模型進(jìn)行分析，揭示了土地利用與降水量變化對徑流量變化的驅(qū)動特征，得出的主要結(jié)論如下。

表2 觀音閣水庫控制的子流域多元線性歸回方程系數(shù)矩陣

(1)對觀音閣水庫控制的子流域徑流量及其驅(qū)動因子利用回歸模型進(jìn)行計(jì)算分析，在分析流域徑流變化與不同植被覆蓋類型的關(guān)系時(shí)模型具有較高的置信水平和較好的實(shí)用性，模型輸出結(jié)果顯示建設(shè)用地與未利用土地之間不存在線性相關(guān)性，因此二者可能存在其他的函數(shù)關(guān)系。

(2)由于土壤類型、坡度以及地形等環(huán)境條件的差異使得不同區(qū)域的徑流、降水變化對土地利用情況變化的敏感性不同，子流域上游區(qū)域植被類型多且地形坡度大，因此該區(qū)域主要受林地、草地、水域面積以及耕地等因素的影響；而下游區(qū)域耕地面積占比和人口密度較大，因此影響徑流量變化的主要因素為耕地。應(yīng)綜合考慮人口規(guī)模、地形特征、土地利用類型等因素，科學(xué)合理的確定水利工程建設(shè)規(guī)劃方案。