趙佳楠

(通河縣水務(wù)技術(shù)服務(wù)中心，黑龍江 通河 150900)

1 概 述

中國(guó)西北內(nèi)陸河流域水資源缺乏，水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重，可用水資源量不斷減少，極度影響生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。文章基于多源信息融合技術(shù)，結(jié)合流域?qū)嶋H產(chǎn)匯流原理，通過(guò)溫升、植被變化、工程建設(shè)和用水情況變化等不同因素，分析各因子對(duì)水資源量的影響，從而客觀評(píng)價(jià)多因子影響下的流域水資源量。

水資源賦存條件依賴(lài)環(huán)境變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響，內(nèi)陸河地區(qū)因特殊的地理環(huán)境，多年氣候干旱，流域生態(tài)環(huán)境十分脆弱。近年來(lái)，開(kāi)展大量的水土保持工作，對(duì)流域下墊面條件得到改善，生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)。同時(shí)隨著全球氣候變化，降水量和蒸發(fā)量使流域發(fā)生較大改變[1]。因此，采取多源信息融合技術(shù)方法，綜合分析植被變化、水利工程建設(shè)、溫度變化帶來(lái)的陸面蒸散發(fā)等多種因素，定量分析環(huán)境變化對(duì)河川徑流的影響，為正確評(píng)價(jià)變化環(huán)境下地表水資源量提供一定依據(jù)。

2 徑流定量分析原理[2]

2.1 天然補(bǔ)給量

大氣降水入滲補(bǔ)給量計(jì)算公式為：

Q降水=α×F×P有效

(1)

式中：α為入滲系數(shù)；F為計(jì)算區(qū)域面積；P為有效降水量。

井灌滲漏和田間入滲量計(jì)算公式為：

Q井補(bǔ)=β井·Q井灌

(2)

式中：Q井補(bǔ)井灌補(bǔ)給量；β井補(bǔ)給系數(shù)；Q井灌井灌用水量。

2.2 蒸發(fā)排泄量計(jì)算

流域水份蒸發(fā)量離散后表達(dá)式為：

(3)

式中：E為蒸發(fā)強(qiáng)度；Ei各離散單元水面蒸發(fā)強(qiáng)度；si水位埋深；△s蒸發(fā)極限埋深。

在地下水水均衡理論中的多年平均地下水總補(bǔ)給量、總排泄量和蓄變量間的均衡關(guān)系表達(dá)式為：

Q總補(bǔ)-Q總排±△W=X

(4)

(5)

式中：X、δ為絕對(duì)和相對(duì)均衡差。

3 工程應(yīng)用

某流域位于中國(guó)內(nèi)蒙古的東北部，地質(zhì)構(gòu)造屬中朝準(zhǔn)地臺(tái)鄂爾多斯盆地，地質(zhì)構(gòu)造呈由西北向東南傾斜[3]。西北地勢(shì)高、東南地勢(shì)低，高程面流域最低，向四周逐漸增高，流域地理位置示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 流域地理位置示意圖

3.1 地質(zhì)構(gòu)造

下全新統(tǒng)風(fēng)積層(Q41eol)：厚0m-5m，零星披蓋于區(qū)內(nèi)的地貌單元上，巖性為褐黃色中細(xì)砂，松散，孔隙發(fā)育。

上全新統(tǒng)湖積層(Q42l)：厚2m-5m，，巖性為灰黃色粉細(xì)砂，中細(xì)砂，含淤泥。

上全新統(tǒng)風(fēng)積層(Q42eol)：厚3m-20m，分布面積超過(guò)55%。巖性為黃色中細(xì)砂，粉細(xì)砂，不同地貌部位厚度差異較大。

3.2 水文地質(zhì)特性

含水層主要為上更新統(tǒng)孔隙潛水層，下部結(jié)構(gòu)為中細(xì)砂夾砂礫石，中部為風(fēng)積中細(xì)砂，頂部為全新統(tǒng)湖積層和粉細(xì)砂。含水層一般35-63m，最大88.35m，最小11.16m，水位埋深0.4m-4.53m，最大4.53m，涌水量為781.36m3/d-1160.57m3/d，滲透系數(shù)為2.5m/d-24.2m/d[4]。

地下水補(bǔ)徑排條件：地下水的主要補(bǔ)給方式為大氣降水，其他補(bǔ)給方式包括河水和灌溉入滲等。通常大氣降水補(bǔ)給后，水平徑流于排泄基準(zhǔn)面，故形成該流域的地層構(gòu)造形式。流域主要排泄方式為潛水蒸發(fā)，其次為側(cè)向徑流和人工開(kāi)采。

3.3 計(jì)算成果

3.3.1 雨養(yǎng)植被變化及其對(duì)河川徑流影響量

3.3.1.1 基于遙感解譯的植被動(dòng)態(tài)變化

以LandsatTM、ETM+遙感數(shù)據(jù)為主要信息源，通過(guò)收集1987年、1991年、2000年和2010年流域的土地利用狀況[5]，分析植被動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果見(jiàn)表1-2、圖2-3。

1)灌木林地?；境食掷m(xù)增加趨勢(shì)，1987-2010年增加38.0km2，其中，1987-1997年增加16.7km2，1997-2010年增加21.4km2。

2)草地。隨著國(guó)家推進(jìn)建設(shè)的退牧還草和生態(tài)環(huán)境治理等，草地面積持續(xù)增加，1987年-2010年草地總面積增加434.1km2，其中高、中、低蓋度草地分別增加13.9、290.4、129.8km2。

表1 不同年份流域土地利用面積及比例

表2 不同時(shí)期土地利用及變化情況

圖2 1987年植被解譯圖

圖3 2010年植被解譯圖

3.3.1.2 雨養(yǎng)植被對(duì)河川徑流影響量

林草地對(duì)地表徑流的影響主要表現(xiàn)為植被冠層攔截降水，減少地表徑流，蒸發(fā)體現(xiàn)在植物蒸騰、地面蒸發(fā)。通常降雨強(qiáng)度條件下樹(shù)冠截留比例為20%左右，長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度降雨，截留量則降低；同時(shí)，枯枝落葉層的滯流效應(yīng)對(duì)截流量較大作用，通常在林區(qū)比例為20%。

根據(jù)遙感解譯成果，2000-2010年流域草地、灌木林地面積分別為825.3km2、52.4km2，較湖面穩(wěn)定時(shí)增大407.9km2、32.1km2。流域植被變化減少?gòu)搅髁繀R總，見(jiàn)表3。表明林草面積擴(kuò)大對(duì)地表徑流降低起到積遏制作用，通過(guò)成果對(duì)比可知，高、中、低覆蓋度草場(chǎng)分別減少地表徑流量比例為90%、45%、30%，灌木林地減少比例為60%。由以上水資源評(píng)價(jià)結(jié)果，2000-2010年流域徑流模數(shù)為3.65萬(wàn)m3/km2，植被減少?gòu)搅髁繛?03.6萬(wàn)m3。

表3 流域植被變化減少?gòu)搅髁繀R總

3.3.2 水庫(kù)坑塘建設(shè)影響量

水庫(kù)坑塘影響為工程攔蓄水量和水面蒸發(fā)增加量。

根據(jù)遙感解譯成果，萎縮階段多年平均水庫(kù)坑塘面積約為2.7km2，流域內(nèi)水面蒸發(fā)量為1307.2mm，根據(jù)相關(guān)水庫(kù)初步設(shè)計(jì)，陸面蒸發(fā)量為302.7mm，則萎縮階段水庫(kù)坑塘面積造成的蒸發(fā)量為267.2萬(wàn)m3。

根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果， 2010年水庫(kù)總蓄水量約為971萬(wàn)m3，包括2個(gè)水庫(kù)則水庫(kù)年攔蓄水量為971/11=88.2萬(wàn)m3。

故水庫(kù)坑塘等建設(shè)造成的地表水影響量約為356.3萬(wàn)m3。

3.3.3 陸面蒸散量對(duì)河川徑流的影響

近年來(lái)該流域氣溫持續(xù)升高，湖泊萎縮階段流域氣溫增加約0.9℃，進(jìn)而造成萎縮階段的流域蒸散發(fā)變大，地表徑流量不斷降低。紅堿淖流域多年氣溫變化圖，見(jiàn)圖4。

圖4 紅堿淖流域多年氣溫變化圖

氣候因子和水循環(huán)作用關(guān)系緊密，基于水量和能量平衡關(guān)系，簡(jiǎn)單方程式為E/p=f(E0/P)=f(Φ)，這一，具體的水熱耦合平衡方程表達(dá)式為：

(6)

根據(jù)Budyko公式計(jì)算，2000-2010年多年平均降水量409.6mm，陸面實(shí)際蒸散發(fā)增加約3.7mm?？傻藐懨嬲羯l(fā)增加對(duì)地表徑流的影響約為528.3萬(wàn)m3。

3.3.4 變化環(huán)境下的地表水資源量

該地表水資源量主要影響因素為降水和下墊面條件變化。溫度升高、水土保持工程、地下水開(kāi)采及能源工程等都將對(duì)產(chǎn)匯流造成不利影響。當(dāng)降水量一致，天然徑流量將持續(xù)降低。

結(jié)合上述分析，近期植被變化影響地表水資源量為703.6萬(wàn)m3、水庫(kù)坑塘建設(shè)影響量356.3萬(wàn)m3、氣溫升高造成陸面蒸散發(fā)增加約為528.3萬(wàn)m3，合計(jì)總影響量為1588.23萬(wàn)m3。在各影響因素中，工程建設(shè)和溫度變化造成的地表水資源量的減少是不可逆的，則現(xiàn)狀下墊面條件下流域地表水資源量除去上述因素，即為3851.4萬(wàn)m3。

4 結(jié) 論

文章基于流域徑流定量分析中天然補(bǔ)給和蒸發(fā)泄流量計(jì)算原理，采取多源信息融合技術(shù)方法，結(jié)合流域綜合分析植被變化、工程建設(shè)、溫度變化帶來(lái)的的陸面蒸散發(fā)變化等，計(jì)算得出變化環(huán)境下的流域地表水資源量，定量分析近期環(huán)境變化對(duì)河川徑流影響，同時(shí)為客觀評(píng)價(jià)變化環(huán)境下地表水資源量提供依據(jù)。