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        新疆城市化對(duì)降雨、徑流的影響分析

        2021-06-21 05:51:52張亞剛
        陜西水利 2021年5期
        關(guān)鍵詞:阿勒泰市阿勒泰地區(qū)集中度

        張亞剛

        (和田地區(qū)水利局,新疆 和田848000)

        0 引言

        全球氣候的變化使得新疆地區(qū)降雨量也呈現(xiàn)出相應(yīng)的變化,隨著我國(guó)社會(huì)生產(chǎn)建設(shè)速度加快,生態(tài)環(huán)境也隨之產(chǎn)生變化。城市化進(jìn)程加速和降雨量的改變對(duì)新疆地區(qū)的水資源產(chǎn)生了巨大的影響,尤其對(duì)河流內(nèi)的徑流量影響最大。新疆阿勒泰地區(qū)處于內(nèi)陸,地形較為復(fù)雜,是水資源嚴(yán)重缺乏的地方。探討河道徑流及降雨的影響,對(duì)該地區(qū)的水資源研究具有重要意義[1]。

        1 研究區(qū)概況

        阿勒泰市位于亞洲大陸腹地,據(jù)史料記載,秦朝時(shí)候,就已經(jīng)有部落生活在阿勒泰地區(qū),阿勒泰市總面積達(dá)10800 km2,現(xiàn)住居民都是從河西走廊遷來(lái)的。阿勒泰山脈在北部形成了自然的北方地理屏障,曾格盆地接鄰南部邊緣,因此,阿勒泰市形成了較為特別的天氣條件,南方與北方的氣候差異巨大。阿勒泰地區(qū)擁有三大水系通過(guò)境內(nèi),水資源儲(chǔ)量非常豐富,在新疆排名第2,但可利用水較少。

        2 研究方法

        2.1 不均勻系數(shù)

        年內(nèi)降雨不均勻系數(shù)Cut,計(jì)算公式為[2]:

        式中:Crt為降雨量的年內(nèi)不均勻系數(shù);Ui為各個(gè)月份的平均降雨量;U為年內(nèi)月均降雨量;Cut數(shù)值越大,下一年的月降水量差異越大,年內(nèi)分布不均。徑流的年平均分布也用這個(gè)系數(shù)來(lái)衡量。

        2.2 完全調(diào)節(jié)系數(shù)

        降雨量調(diào)節(jié)系數(shù)Cru計(jì)算公式如下[3]:

        2.3 集中度和集中期

        使用年降水量分布矢量法決定了降水集中度和集中期。降雨集中度是指以矢量形式累積的每個(gè)月的流出量,各成分的合計(jì)占年流出量的比例[4]。意義是反映年流出量。降雨集中期是指流出矢量合成后的方向,各個(gè)月反映了年間流出集中度的中心出現(xiàn)的月份,用12個(gè)月降雨量的比的sin值來(lái)表示。集中度是將各個(gè)月的降雨量和徑流量作為矢量數(shù)據(jù),月平均降雨量和平均徑流量的大小是矢量的長(zhǎng)度,當(dāng)前月份為矢量的方向。1月~2月的方向從0~360°[5]:

        復(fù)合矢量的方向指示最大月徑流發(fā)生的月份,即集中期,集中度反映了集中期徑流值與年總徑流的比例。

        2.4 Mann-Kendall檢驗(yàn)法

        Mann-Kendall檢驗(yàn)法主要是用來(lái)研究數(shù)據(jù)隨著時(shí)間規(guī)律變化趨勢(shì)和突變的方法。該方法檢測(cè)范圍廣,對(duì)人體的影響小,定量度高,能準(zhǔn)確判斷突變年份[6]。本文采用Mann-Kendall試驗(yàn),分析了阿勒泰市流域降雨徑流的年際變化。

        2.5 數(shù)據(jù)來(lái)源

        收集了阿勒泰地區(qū)流域的降雨和流量資料。數(shù)據(jù)起止時(shí)間為1960年~2010年。降雨資料來(lái)自阿勒泰地區(qū)氣象監(jiān)控站點(diǎn)。數(shù)據(jù)起止時(shí)間為1960年~2010年逐日計(jì)量數(shù)據(jù)。遙感解譯采用1960年、1970年、1980年、1990年、2000年、2010年的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

        3 研究結(jié)果

        3.1 降雨徑流趨勢(shì)性變化

        年均降水量空間插值圖是基于阿勒泰地區(qū)氣象站點(diǎn)日觀測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)整理、計(jì)算和空間插值處理生成。再利用ARCGIS柵格計(jì)算器,計(jì)算1960年~2010年平均值[7],見(jiàn)圖1。

        圖1 阿勒泰地區(qū)多年平均降雨量分布圖

        阿勒泰地區(qū)降水呈北高南低的趨勢(shì),如圖所示,年平均降水量427.8 mm。北部為山區(qū),地勢(shì)較高,降雨形成的徑流容易在南部匯合。降雨徑流呈波動(dòng)減少趨勢(shì),且徑流減少趨勢(shì)明顯大于降雨,見(jiàn)圖1。1960年~1990年,徑流變化趨勢(shì)較為強(qiáng)烈,年平均值41.39 mm,比多年平均徑流偏14.5%。1991年~2010年,波動(dòng)平緩,平均-23.17%??梢?jiàn),1993年以后,徑流迅速減少。使用Mann-Kendall檢驗(yàn)法和線性回歸方程的方法,對(duì)阿勒泰市的降雨量和徑流量的變化趨勢(shì)進(jìn)行診斷。結(jié)果見(jiàn)表1和圖2。由表1可知,徑流Z值高達(dá)-3.79,經(jīng)99%置信度檢驗(yàn),徑流呈極顯著的下降趨勢(shì)。降雨Z值為-2.14,通過(guò)90%的置信度檢驗(yàn),降雨量的降低趨勢(shì)小于徑流量降低趨勢(shì),說(shuō)明除了降雨量之外,還有其他因素干擾徑流的產(chǎn)生。

        圖2 降雨徑流年際變化趨勢(shì)圖

        表1 降雨徑流趨勢(shì)性分析表

        3.2 不均勻度與集中度

        根據(jù)以上公式計(jì)算出阿勒泰市流域各特征結(jié)果計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

        表2 阿勒泰市流域降雨徑流特征值

        由表2可以看出,集中度與非均勻系數(shù)的變化幾乎相同,說(shuō)明集中度與非均勻系數(shù)具有一定的相關(guān)性,也就是說(shuō),降雨量的集中性越高,分布在全年的降雨量越不均勻。比較降雨和徑流的集中度,可以看出徑流的集中度比降雨的分布更為集中。阿勒泰市流域降雨徑流集中期基本相同,集中在4月下中旬。徑流的集中期稍有延遲。阿勒泰市流域年降雨徑流分布不均,無(wú)明顯變化趨勢(shì)。但是總體來(lái)看,降雨對(duì)徑流的影響較大。

        從徑流年內(nèi)分配的集中性看,1960年~1970年、1970年~1980年和1999年~2000年RCD較小,而2000年~2010年均較大。從序列(1960年~2010年)RCD的變化來(lái)看,年際變化較大,最大值為0.82(2010年),最小值為0.41(1967年),見(jiàn)圖3。

        圖3 降雨、徑流不均勻系數(shù)變化圖

        從降雨年內(nèi)分配的集中度可以看出,1980年~1990年、2000年~2010年集中度均值較小,而1990年~2000年集中度較大。從序列(1960年~2010年)RCD的變化來(lái)看,年際變化較大,最大值為0.78(2010年),最小值為0.31(1967年)。且RCD序列整體上存在增大趨勢(shì),見(jiàn)圖4。

        圖4 集中度變化趨勢(shì)圖

        3.3 城市化影響

        人工建設(shè)改變了原來(lái)的水文學(xué)基礎(chǔ)面,改變了透水性,減少了地面坡度,破壞了表面原有的自然植被,改變了原有的水文學(xué)環(huán)境,改變了原有的農(nóng)地建設(shè)的流出模式。大幅減少雨水滲透,提高城鎮(zhèn)浸水的概率,綜合處理和小流域水土保持,改善土壤結(jié)構(gòu)和地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化,增加表面植被流出。利用遙感影像,使用ENVI軟件分別解譯出1960年、1970年、1980年、1990年、2000年和2010年土地利用圖[8],見(jiàn)圖5。

        圖5 土地利用變化趨勢(shì)圖

        從土地利用變化趨勢(shì)圖5和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出,受自然環(huán)境影響,阿勒泰地區(qū)城市化進(jìn)程緩慢。城鎮(zhèn)主要集中在中原地區(qū),城鎮(zhèn)人口建設(shè)面積增長(zhǎng)43.2%。草原覆蓋廣泛,南部平原荒漠化裸露土地是城市化進(jìn)程緩慢的原因之一。

        通過(guò)比較累積量的坡度變化率,定量計(jì)算了降雨和城市化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)值。由于流域蒸發(fā)量變化較小且顯著,徑流變化與其他因素相比非常有限,徑流減少貢獻(xiàn)值約為0。以徑流變化位置為分界點(diǎn),對(duì)徑流和降雨序列進(jìn)行了劃分。認(rèn)為該系列的第一部分以城市化為基期,其余為計(jì)算期,受城市化影響較小。繪制降雨徑流累積量與年的線性關(guān)系,得到基期和計(jì)算期的斜率(取徑流累積量與年的線性關(guān)系的斜率為Sr,降雨累積量與年的線性關(guān)系的斜率為SP),見(jiàn)圖6、圖7和表3。

        圖6 累計(jì)徑流量圖

        圖7 累計(jì)降雨量圖

        1960年~1989年城市化對(duì)徑流量降低的貢獻(xiàn)率為52.89%;而降雨量對(duì)徑流量降低的貢獻(xiàn)率僅為42.03%,城市化的影響程度更高。1989年~2010年,城市化進(jìn)程的影響貢獻(xiàn)率增長(zhǎng)為75.43%,成為影響徑流量的主要因素。相對(duì)于1960年~1989年的生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)明顯加快,減少了降雨量對(duì)徑流量的影響。

        表3 降雨和城鎮(zhèn)變化對(duì)流域徑流量變化的貢獻(xiàn)率

        4 結(jié)論

        阿勒泰市流域的降雨具有明顯的年際變化規(guī)律,但總體變化速度不高,略微降低。徑流在受到降雨的影響后,變化較大,但總體上的時(shí)間分布差距不大,主要分布在3月~4月,該時(shí)段內(nèi)的徑流量占總量的57%。土地利用變化揭示了阿勒泰地區(qū)的城鎮(zhèn)化有所上升,但上升速率較慢,城鎮(zhèn)化對(duì)降雨徑流的影響貢獻(xiàn)率在1989年~2010年達(dá)到75.43%。本文在討論人類活動(dòng)的時(shí)候,并未考慮對(duì)土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行分析,在今后的研究中,可以在該區(qū)域進(jìn)行降雨、產(chǎn)流試驗(yàn),研究不同下墊面的降雨-徑流相關(guān)性。

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