撓力河流域濕地面積和面積對(duì)面降水量的影響

撓力河流域濕地面積和面積對(duì)面降水量的影響

1撓力河流域典型景觀變化土地使用和土壤覆蓋變化（luc）是全球環(huán)境變化的中心問(wèn)題，也是全球變化的主要因素和動(dòng)力。IGBP(國(guó)際地球-生物圈計(jì)劃)的核心項(xiàng)目(GAIM、BAHC、GCTE、LUCC)中都強(qiáng)調(diào)將模擬水文及土地利用變化作為核心內(nèi)容。針對(duì)LUCC對(duì)流域徑流的影響,已有不少學(xué)者進(jìn)行了大量且較為深入的研究。撓力河流域作為三江平原最大的流域,其土地利用變化及其所引發(fā)的生態(tài)水文過(guò)程的變化特征(如徑流的演變)在中國(guó)東北區(qū)極富有典型性和代表性。濕地面積的減少和耕地面積的增加是20世紀(jì)50年代以來(lái)?yè)狭恿饔虻湫途坝^變化,有不少學(xué)者就撓力河流域內(nèi)景觀格局及耕地、濕地和居民地的變化進(jìn)行了大量研究,但針對(duì)該域土地利用變化對(duì)徑流的影響研究暫時(shí)還少見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。撓力河流域內(nèi)現(xiàn)有的4個(gè)水文站(寶清、保安、紅旗嶺和菜咀子)的流量測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)正顯示年徑流深(量)呈遞減趨勢(shì),所以針對(duì)徑流變化過(guò)程進(jìn)行分析,揭示其變化關(guān)系及其驅(qū)動(dòng)力,為深入認(rèn)識(shí)濕地在流域尺度上的生態(tài)水文調(diào)節(jié)功能以及開(kāi)發(fā)退化濕地的保護(hù)和恢復(fù)方案提供參考。2流域總結(jié)2.1各市基本農(nóng)場(chǎng)的局部面積分布在5.撓力河流域位于黑龍江省三江平原腹地,地理坐標(biāo)為東徑131°~134°,北緯46°~48°,為烏蘇里江的一級(jí)支流。撓力河流域行政區(qū)劃隸屬寶清縣、友誼縣、集賢縣、富錦市、饒河縣。黑龍江省農(nóng)墾總局紅興隆、建三江和牡丹江分局,其中農(nóng)墾紅興隆分局有五九七、八五二、八五三、紅旗嶺、饒河5農(nóng)場(chǎng)的全部以及雙鴨山、北興、二九一和友誼4個(gè)農(nóng)場(chǎng)的部分面積分布在此流域;農(nóng)墾建三江分局有七星和大興2個(gè)農(nóng)場(chǎng)的全部以及紅衛(wèi)、創(chuàng)業(yè)、859和勝利4個(gè)農(nóng)場(chǎng)的部分面積分布在此流域;牡丹江分局有八五一一農(nóng)場(chǎng)部分面積分布在此流域,其中農(nóng)墾占據(jù)了該流域土地面積的55%左右。2.2原采動(dòng)地面積2.撓力河流域總面積24863km2,其中山區(qū)面積為8320km2,占總面積的33.5%;丘陵面積為1197km2,占總面積的4.8%;平原面積為15346km2,占總面積的61.7%。撓力河流域地形總趨勢(shì)呈西南高、東北低。西部以那丹哈達(dá)嶺為分水嶺與松花江流域分界,海拔高程800~240m;南部以完達(dá)山與烏蘇里江的左岸支流穆棱河為界,海拔高程200~60m;撓力河干流寶清鎮(zhèn)以上為山區(qū)丘陵,寶清鎮(zhèn)以下的中游左岸為大面積的平原,大部分為農(nóng)田,部分沼澤濕地已被列為自然保護(hù)區(qū)和濕地保護(hù)區(qū)。右岸下游沿河有條帶平原,其余為丘陵山地。2.3降水量與水質(zhì)條件該流域?qū)僦袦貛Т箨懠撅L(fēng)氣候區(qū),多年平均氣溫3.3℃,最高氣溫出現(xiàn)在7月份,月平均氣溫在21.9℃,最高氣溫達(dá)36.8℃(寶清站1978年6月27日);最低氣溫在1月份,月平均氣溫為-18.6℃,最低氣溫達(dá)-37.2℃(寶清站1970年1月3日)。日平均氣溫穩(wěn)定通過(guò)10℃的初日為5月13日,終日為集9月29日,天數(shù)為140d,累積溫度為2569℃。多年平均降水量為532mm,屬于半干旱地帶,降水大部分集中在6~9月份,占全年降水量的72%,尤其是7、8兩個(gè)月雨量更為集中,約占全年降水量的44%,大暴雨多發(fā)生在此期間;春季降水較少,5、6月份降水僅占全年降水的23%;因此該地區(qū)春季干旱頻繁,秋季又多洪澇災(zāi)害。各年降水量差別較大,年降水量最大發(fā)生在1981年,為826.5mm,最小發(fā)生在1975年,為326.6mm,其中1975~1979年為連續(xù)干旱年,5年間降水量均在300~400mm。本區(qū)日照時(shí)間較長(zhǎng),多年平均2500h,4~9月份日照時(shí)數(shù)可達(dá)1393h。初霜為9月中、下旬,終霜為5月上、中旬,無(wú)霜期為143d。結(jié)冰期長(zhǎng)達(dá)150~180d。最大凍土深可達(dá)260cm。多年平均水面蒸發(fā)量為702mm(E601與E20蒸發(fā)皿換算系數(shù)為0.494)。年均相對(duì)濕度66%,絕對(duì)濕度7.7mb。夏季相對(duì)濕度70%~80%,冬季為60%~70%,春季為55%。多年平均風(fēng)速4m/s,最大風(fēng)速可達(dá)28m/s。冬季多西風(fēng)和西北風(fēng),春季多西南風(fēng),夏季多東南風(fēng)和西南風(fēng)。3數(shù)據(jù)處理和研究方法3.1濕地和耕地的變化本研究中有關(guān)耕地和濕地?cái)?shù)據(jù)處理,主要參考劉紅玉等在研究撓力河流域濕地景觀變化過(guò)程和吳運(yùn)軍等在研究近50年來(lái)?yè)狭恿饔蚓用竦?、耕地和沼澤地?dòng)態(tài)關(guān)系中運(yùn)用的方法,同時(shí)參考流域內(nèi)各縣市和黑龍江省農(nóng)墾統(tǒng)計(jì)資料,獲取撓力河流域1954年、1975年、1986年和2000年的濕地和耕地的解譯數(shù)據(jù),然后分別線(xiàn)性?xún)?nèi)插1954~1974年,1976~1985年、1987~1999年的濕地和耕地變化數(shù)據(jù)。面降雨量數(shù)據(jù)利用撓力河流域內(nèi)氣象站和雨量站降水資料,并統(tǒng)一取1956~2000年系列,分年繪制等雨量線(xiàn)圖,利用泰森多邊形面積權(quán)重法進(jìn)行計(jì)算。徑流深數(shù)據(jù)主要以菜咀子水文站控區(qū)域近似代替整個(gè)流域的徑流深,因?yàn)椴司鬃铀恼究刂屏肆饔?0556km2,占了整個(gè)流域控制面積的82.67%,并且在菜咀子水文站控制區(qū)域內(nèi)有寶清、紅旗嶺和保安3個(gè)水文站所控制的區(qū)域全在其內(nèi),即菜咀子水文站所控制的流域水文下墊面環(huán)境及范圍能較好地代表流域特征。通過(guò)對(duì)耕地、濕地、面降水量和徑流深數(shù)據(jù)經(jīng)進(jìn)行分析和整理,結(jié)果如圖1所示。3.2影響單因素作用機(jī)理分析由于徑流受降水、蒸發(fā)、水文下墊面環(huán)境以及流域水資源利用等諸多因子的綜合影響,表現(xiàn)出因變量與自變量之間較為復(fù)雜的非線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)前主要運(yùn)用隨機(jī)水文學(xué)的方法來(lái)揭示徑流演變及其與作用因子之間的關(guān)系。如羅先香等(2002)采用均值差異T檢驗(yàn)的方法對(duì)撓力河1964~1989年期間徑流的演變進(jìn)行了研究。本文現(xiàn)以撓力河流域內(nèi)徑流深作為因變量,分別對(duì)流域面上降水量、耕地和濕地面積變化作為自變量,相應(yīng)分析降水量、耕地和濕地面積的變化對(duì)徑流深變化的影響。分別通過(guò)構(gòu)建線(xiàn)性函數(shù)相關(guān)、指數(shù)函數(shù)相關(guān)、對(duì)數(shù)函數(shù)相以及三次擬合函數(shù)相關(guān)分析,通過(guò)比較相關(guān)系數(shù)R2值的大小來(lái)選擇相關(guān)性最好的關(guān)系函數(shù),來(lái)分析各影響因子對(duì)徑流的影響趨勢(shì),并進(jìn)一步分析其影響機(jī)理。撓力河流域面上年降水量~徑流深和濕地~耕地變化見(jiàn)圖1。4研究結(jié)果4.1建立撓力河流域濕地面積徑流深的變化關(guān)系經(jīng)分析濕地面積(x)與徑流深(y)線(xiàn)性相關(guān)函數(shù)為:y=0.0091x+30.81,相關(guān)系數(shù)R2=0.1558;對(duì)數(shù)相關(guān)函數(shù)為:y=38.036Ln(x)-240.95,相關(guān)系數(shù)R2=0.1104;指數(shù)相關(guān)函數(shù)為:y=34.766e0.0001x,相關(guān)系數(shù)R2=0.1404;而三次擬合函數(shù)為:y=1E-09x3-1E-05x2+0.0554x-1.8797,相關(guān)系數(shù)R2=0.3144。經(jīng)比較選擇三次擬合函數(shù),并繪制如圖2所示。由圖2可知,撓力河流域濕地面積徑流深的變化關(guān)系總體表現(xiàn)出隨著濕地面積的減少?gòu)搅魃畛蕼p少的趨勢(shì),如1958年撓力河流域濕地面積達(dá)9848.19km2,面上降水量為484.9mm,而徑流深為124.9mm;1974濕地面積減少為6993.95km2,面上降水量為536.0mm,而徑流深為102.6mm;1984年濕地面積減少為4099.54km2,面上降水量為579.3mm,而徑流深為66.6mm;而2000年濕地面積減少為1717km2,雖然面上降水量達(dá)548.8mm,而徑流深只有33.7mm。這可能與濕地面積的減少,降低了對(duì)流域地表徑流的調(diào)節(jié)功能有一定的關(guān)系,因?yàn)闈竦仄鋵?shí)相當(dāng)于一座天然水庫(kù),對(duì)水同樣具有強(qiáng)大的源與匯功能。4.2耕地與徑流深的變化關(guān)系經(jīng)分析耕地面積(x)與徑流深(y)線(xiàn)性相關(guān)函數(shù)為:y=-0.0058x+136.2,相關(guān)系數(shù)R2=0.1418;對(duì)數(shù)相關(guān)函數(shù)為:y=-54.766Ln(x)+576.33,相關(guān)系數(shù)R2=0.1959;指數(shù)相關(guān)函數(shù)為:y=115.73e-7E-05x,相關(guān)系數(shù)R2=0.1267;而三次擬合函數(shù)為:y=-4E-10x3+1E-05x2-0.1264x+468.34,相關(guān)系數(shù)R2=0.3147。經(jīng)比較選擇三次擬合函數(shù),并繪制如圖3所示。由圖3可知,撓力河流域耕地面積與徑流深的變化關(guān)系總體表現(xiàn)出隨著耕地面積的增加徑流深呈減少的趨勢(shì),如1961年撓力河流域耕地面積為4054.44km2,面上降水量為526.7mm,而徑流深為110.8mm;如1985年撓力河流域耕地面積為12357.87km2,面上降水量為532.5mm(大于1961年降水量,并且1984年為偏豐年面上降水量達(dá)579.3mm),而徑流深為52.5mm;如1998年耕地面積增加到14771.37km2,雖然面上降水量達(dá)522.9mm(與1961年接近,且1997年為偏豐年面上降水量達(dá)585.6mm),而徑流深也只有48.1mm;如2000年耕地面積增加到15086.25km2,雖然面上降水量達(dá)548.8mm,而徑流深也只有33.7mm。撓力河流域耕地主要通過(guò)開(kāi)墾濕地而來(lái),因?yàn)?956~2000年濕地面積減少了8487.97km2,而耕地面積自1956~2000年增加了12125.3km2(其中有一部分是通過(guò)開(kāi)墾林地而來(lái)),所以濕地面積的減少和耕地面積的增加,共同明顯地改變了原來(lái)?yè)狭恿饔蛩南聣|面環(huán)境,對(duì)流域地表徑流深的減少表現(xiàn)出了明顯的貢獻(xiàn)。4.3地表徑流深與降水的關(guān)系經(jīng)分析面降水量與徑流深線(xiàn)性相關(guān)函數(shù)為:y=0.5209x-198.98,相關(guān)系數(shù)R2=0.5397;對(duì)數(shù)相關(guān)函數(shù)為:y=277.25Ln(x)-1658.4,相關(guān)系數(shù)為R2=0.5068;指數(shù)相關(guān)函數(shù)為y=2.3467e0.0061x,相關(guān)系數(shù)R2=0.5071;而三次擬合函數(shù)為:y=-2E-06x3+0.0046x2-2.6781x+501.4,相關(guān)系數(shù)R2=0.5741。經(jīng)比較選擇三次擬合函數(shù),并繪制如圖4所示。由圖4可知,撓力河流域面上降水量與地表徑流深關(guān)系總體上呈現(xiàn)出隨著降水量的增加徑流深也在增加,并且這種關(guān)系相對(duì)圖2和圖3所表現(xiàn)出的相關(guān)關(guān)系要強(qiáng)一些。這也是當(dāng)前流域普遍所表現(xiàn)出來(lái)的降水與徑流相關(guān)性。但這種關(guān)系由于受流域土地利用變化關(guān)系,當(dāng)前也不是一種顯著的線(xiàn)性關(guān)系,表現(xiàn)出一種較為復(fù)雜的非線(xiàn)性特征。區(qū)域面降水量~徑流深差積曲線(xiàn)見(jiàn)圖5,由圖5可知,徑流的變化已明顯大于降水的變化幅度,并且變化步調(diào)也存在許多不一致。5地表徑流隨濕地轉(zhuǎn)變期的變化土地利用的方式改變了徑流的產(chǎn)匯過(guò)程。濕地面積的減少和耕地面積的增加對(duì)徑流深遞減是有較為明顯的貢獻(xiàn),經(jīng)分析其機(jī)理可以總結(jié)如下:(1)耕地一般要在每年的6月以后才會(huì)有較好的植被覆蓋,所以耕地土壤表層主要裸露在空氣中,而本區(qū)域多年平均風(fēng)速4m/s,最大風(fēng)速可達(dá)28m/s,即使在冬季大量降雪后,由于土壤表面風(fēng)力較大耕地中的積雪主要是以風(fēng)干的形式進(jìn)入了空氣中,而積雪給當(dāng)?shù)馗赝寥浪值难a(bǔ)充量其實(shí)很有限,主要通過(guò)降雨補(bǔ)給,而濕地由于具有植被,能大量降低風(fēng)速,所以積雪大部分能在來(lái)年4~5月份轉(zhuǎn)變成地表徑流。這可能是濕地轉(zhuǎn)變成耕地對(duì)徑流減少的重要原因之一。(2)濕地具有強(qiáng)烈的冷濕效應(yīng)。濕地面積的減少,必然會(huì)降低原來(lái)濕地所在地及相鄰區(qū)域近地層大氣中的濕度;減少對(duì)近地層溫度的調(diào)控能力,濕地轉(zhuǎn)成耕地的區(qū)域近地面溫度比原來(lái)濕地近地面溫度一般要高出4~5℃,導(dǎo)致增大陸面蒸發(fā)潛力,這可能是流域徑流呈遞減趨勢(shì)的原因之一。(3)濕地轉(zhuǎn)為耕地,而耕作層土壤被機(jī)械反復(fù)的耕翻,一方面改變了原來(lái)天然濕地土壤的組成和結(jié)構(gòu),相應(yīng)改變了對(duì)降水再分配過(guò)程,如相應(yīng)的表層土壤的田間持水量不如原來(lái)濕地土壤層高;降水入滲速度減慢,并在耕地中的排水溝渠作用下,過(guò)多的土壤澇漬水蓄積于溝渠中或被迅速排出了該流域;另一方面由于耕地土壤溫度比濕地土壤溫度高出4~5℃,加上年年翻地對(duì)土層的擾動(dòng),無(wú)疑增大了陸面蒸發(fā)潛力和蒸發(fā)量。這些也是流域徑流遞減的重要原因。(4)自20世紀(jì)80年代末以來(lái),由于耕地增加的同時(shí),其中有部分旱作耕地被轉(zhuǎn)為水稻田,而水稻田一方面增大了對(duì)地表水資源利用程度,相應(yīng)減少了區(qū)域地表徑流深;另一方面還有較多的水稻田是通過(guò)開(kāi)采地下水進(jìn)行灌溉的,所以地下位的下降,會(huì)減少土壤在冰凍季節(jié)的凍土層中土壤含水量,導(dǎo)致來(lái)年凍融后的地表徑流減少。(5)由于受統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和資料的詳細(xì)程度以及統(tǒng)計(jì)行業(yè)口徑不統(tǒng)一等原因的影響,可能在有關(guān)濕地和耕地面積數(shù)據(jù)方面與實(shí)際可能存在一些偏差或出入,但這些不會(huì)影響對(duì)徑流演變趨勢(shì)的定性判斷。(6)針對(duì)土地利用變化對(duì)徑流深的影響程度的定量分析有待今后進(jìn)一步深入研究。6徑流生態(tài)保護(hù)的其他建議(1)撓力河流域濕地面積的減少和耕地面積的增加對(duì)徑流深遞減的影響較為明顯,但面上降水量與徑流深的