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季节性冻土区永翠河流域产流机制研究

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  中文摘要

  
  季节性冻土地区积雪和冻土的存在改变了包气带厚度和土壤水分的动态规律,使得这些地区流域产流机制变得复杂。本论文选择典型季节性冻土区黑龙江省伊春市带岭区永翠河流域为研究区域,利用数学相关法和因子分析法探究流域产流机制及径流影响因素。


季节性冻土区永翠河流域产流机制研究

  
  分析表明:永翠河流域蓄满产流和超渗产流同时存在,蓄满产流占主导作用。春汛初期容易产生超渗径流,春汛末期、主汛期及非汛期该流域产流方式为蓄满产流。因子主成份分析法得到日照、气温、降水、蒸发等温度因子对月径流变化起主导作用,贡献率为 54.55%。运用数学相关法得到封冻期内日平均径流量与气温、降水、蒸发三个因素均无关,春汛期日平均径流量与气温因素相关性最高,主汛期与降水的相关性最高,非汛期与三个因素线性关系均较好。
  
  关键字:季节性冻土;小兴安岭;流域产流;驱动机制。
  

  Abstract

  
  The presence of snow and frozen soil in seasonally frozen soil areas changes the dynamics of the vadose zone thickness and soil moisture, making the flow generation mechanism of the basin complex. In this paper, the Yongcui River Basin in the belt area of Yichun City, Heilongjiang Province, is selected as the research area in a typical seasonal frozen soil area. mathematical correlation method and factor analysis methodare used to explore the watershed flow mechanism and runoff influencing factors.
  
  The analysis results are as follows: The full-fledged runoff and super-osmotic runoff in the Yongcui River Basin exist at the same time, and the full-charged runoff plays a leading role. Super-seepage runoff is easy to occur in the early spring, and the runoff in the end of the spring flood season, main flood season and non-flood season is full of runoff. The factor principal component analysis method obtained the temperature factors of sunshine, temperature, precipitation and evaporation, which played a leading role in the change of monthly runoff, with a contribution rate of 54.55%. The mathematics related method has no relationship between daily mean runoff and temperature, precipitation and evaporation during the freezing period. The daily average runoff in spring flood season has the highest correlation with temperature, the correlation between main flood season and precipitation is the highest, and the non-flood period and three The linear relationship of the factors is good.
  
  Key Words: Seasonal frozen soil; Lesser hinggan mountains; Watershed runoff; Driving mechanism。
  

  第 1 章 绪论

  
  1.1 研究背景与目的。
  

  流域产流是一种复杂的自然物理过程,它一方面在流域这个相对稳定的复合体的作用下发生缓变,另一方面又受流域内蒸发、降雨、下渗等因素的影响,随着日月更迭动态变化,正是在时间和空间双维度的综合作用下,构成了流域产流机制和产流模式的多样化[1]。
  
  冻土是地球生态系统的重要组成部分,它的覆盖面积约占全球陆地面积的50%,我国幅员辽阔,受到冻土影响的地区约占总国土面积的 70%,青藏高原、大小兴安岭、长白山区等地常年存在着不同类型的冻土。在积雪影响和冻土的不透水性、蓄水性和抑制蒸发特性的影响下,季节性冻土区域的包气带厚度、土壤水分的运移规律发生异于无冻地区的改变,制约了降雨径流关系。季节性冻土的这种独特的水文性质,限制了土壤中水分的运移、补排关系,改变了三水(雨雪水、地表水、地下水)转换关系,严重影响并制约了冻土地区的自然环境、人类生产生活和区域经济发展[2]。
  
  黑龙江省为中国东北部主要的季节性冻土区,气温在 0℃以下的时间一般长达半年,冬季降雪使得土壤冻结、地面覆雪,春季气温上升,地面积雪融化形成融雪径流。据统计,黑龙江省春季融雪径流量占河川径流的 50%-75%左右,是形成春汛的主要原因之一。另一方面,黑龙江省是我国重要的粮食产区,季节性冻土每年冬冻春融,融冻早晚以及冻土特性下水循环对该地区农业生产的影响不容小觑。
  
  因此,针对季节性冻土区小流域产流机制的研究,可为更加精确地模拟和预报黑龙江汛期径流提供理论基础支持,为实现黑龙江省汛期洪水的防治和高效的水资源管理提供了有力的理论依据。同时,黑龙江省作为我国典型季节性冻土区,研究该地区流域水文特性,探究其产流机制,对促进我国寒区水文学的发展、解决实际生产与生活中遇到的技术问题具有重要意义。
  
  1.2 冻土水文研究进展。
  
  1.2.1 季节性冻土水文特性研究进展。

  
  季节性冻土是一种含冰土水体,它具有的隔水、抑蒸发、蓄水调节特点从根本上改变了土壤水分的基本运移规律,破坏了产汇流的稳定性,大大增加了有冻土存在地区的洪水预报难度[3]。Singh Ashok. K 等在 1995 年通过试验对比了未冻结土水体和冻结土水体的特点,并对冻结土水体的水热特性进行了研究[4]。翌年,E.J.
  
  A. Spaans 等研究了冻结土壤的水文特性,并与无冻土壤作了特性比较[5]。2000 年,Shaun Sellers 研究了融雪活动层-土壤上层间的水分运移特点,并提出了运移理论[6]。2005 年,Bayard D 等对季节性冻土的空间变异性以及其对融雪洪水的影响进行了研究,得到无冻土存在条件下,融雪水几乎可以实现完全下渗,而冻土存在时融雪水下渗率下降至 25-35%的结论,说明冻土能极大程度地降低土壤下渗率[7];2007 年,杨忠臣等人分析了沈阳地区不同程度的积雪覆盖下土壤水分迁移规律及其冻结情况[8];杨绍富等在2008年研究了积雪融化期土壤湿度与土壤温度的关系,并分析了冻土存在对二者关系的影响[9];廖厚初等人在 2008 年提出冻结期冻土的冻结会从地表向下和地深向上两个方向进行,并且揭示了冻层上水的形成[10];杨小利、陈博等在 2009 年分别对西北地区及全国范围的季节性冻土的时空分布进行了研究[11,12]; 2010 年,魏召才等对新疆军塘河流域融雪期土壤湿度特征进行了探究,研究了季节性冻土影响下土壤湿度特性[13]。
  
  1.2.2 产流机制研究发展。
  
  1.2.2.1 理论发展。

  
  1935 年 Horton 在《地表径流现象》中提出经典产流理论,这是历史上首个产流相关理论,他首次提出产流发生条件,开创了产流研究的先河,该产流概念也成为人们理解径流形成的基本概念和建立水文上分析计算方法的基本原则,但其产流理论较为简单片面,不能完整反映流域产流实际[14];随后 R.E.Whipkey(1965)、Dunne 等人(1970)通过观测研究和大量的实验先后发现了壤中流产流机制及饱和产流机制[15,16]。我国对于产流机制的研究起步较晚,发展缓慢,60 年代以来,我国学者赵人俊等人在 1963 通过对大量实测水文数据分析得出了干旱地区主要产流模式为超渗产流、湿润地区主要以蓄满产流为主的结论[17]。1984 年于维忠根据下垫面以及降雨特点,通过研究产流成分、发生条件及影响径流成分因素将饱和地面径流、壤中水径流、地面径流、地下水径流分析组合出 9 种产流模式,他提出对于某一定点来说,其产流机制随着降雨及下垫面的变化而变化[1]。1996 年芮孝芳探究了影响次降雨-径流关系的因素,将自然界的产流大致分为超渗产流模式和蓄满产流模式,超渗产流模式中次降雨量和总径流的关系受到雨强影响,蓄满产流中两者关系则不受其影响[18]。
  
  1.2.2.2 产流规律研究进展。
  
  (1)冻土融雪影响下的产流规律研究。

  
  Anderson 是建立融雪产流过程系统研究的鼻祖,1976 年他对北美亚融雪型河流进行了观察试验,得出该研究区融雪径流系数最高可至 0.7-0.8 的结论,同时建立了能量-物质融雪产流模型[19];Slaughter 等在 1983 年提出冻土作为不透水层可提高整个流域的产流量[20];Bayard D,Ling F,Zhang T 等人认为有冻土和无冻土下垫面的融雪速率差异较大,有冻土地区由于冻土的存在土壤下渗能力大大降低[7,21,22];Niu 等认为冻土中冰的存在改变了土壤热力学特性,冻融期洪灾发生的首要原因是冻土存在下土壤入渗率降低[23]。Dudley 分析了美国地区融雪的流速流量变化趋势[24]。Shalamu 等人利用 SRM+AS 模型在数据十分缺乏的乌鲁木齐河流域,测得方位与斜率影响下融化速率与温度单位因素(DDF)对流域融雪径流的影响[25]。
  
  我国有关冻土融雪产汇流方面的研究也取得了骄人的成绩,肖迪芳在 1983 年阐述了冻土不透水作用、蓄水作用、抑制蒸发作用对产流的影响,并且通过建立产流计算探究了小兴安岭西北侧四个测站解冻期降雨径流关系[26];杨广云在 2007 年分析了寒冷冻土地区气候特点和冻土水文特性,揭示了冻期土壤水分动态规律和冻土地区降雨径流关系[2]。常娟等人(2015)以风火山小流域为例对典型多年冻土区进行研究,探究了冻结层上、活动层水的含量季节变化过程以及不同活动层深度土壤温度对地下水位变化的影响[27]。张艳林等人在 2016 年对高寒山区冻土对水文过程的影响进行了研究,运用 SHAWDHM 模型在黑河上游八宝河流域展开了研究,他提出在有冻土存在时,径流对降水响应速度快,产流主要成分为壤中流,在不考虑冻土时,土壤下渗能力强,此时基流占比最大[28]。2017 年廖厚初在研究季节性冻土对农业的影响时提出,融冻期初期由于冻土层的不透水作用,使得降水入渗不能直接补给地下水,产生地表径流,导致地下水补给时间滞后[29]。同年,张雪艳利用和华文杏分别研究了青海和东北地区的典型冻土流域融雪期冰川冻土产汇流特征[30,31]。杨金明研究团队提出冻土条件下融雪水的三个产流机制并建立了耦合 WRF(WeatherResearchandForecastingmodel)模型,研制出新疆融雪洪水预警决策支持系统[32]。
  
  (2)非冻土地区及非冻期产流过程研究。
  
  Smettem 于 1991 年用 Richard 方程实现了对澳大利亚牧场的地面径流和壤中流的预测与检验研究[33],两年后,Leaney 通过跟踪雨水、土壤水中氢和氯离子继续研究了同一牧场的不同层次的壤中流来源,试验结果表明壤中流主要来源于雨水,入渗和壤中流的主要动力源是大孔隙中的水流[34]。
  
  2012 年钱群、冉启华在数据缺乏的龙溪河碱坪沟地区,运用基于物理概念的InHM 模型进行降雨产流过程分析,得出该流域地下径流占比 69.17%[35]。2013 年清华大学刘川佳仔通过对北京典型小流域的实地调查总结分析了流域产流特点及其影响因素[36]。2015 年胡珊珊等对太行山区崇陵小流域降雨特征及产流过程响应特征进行了研究[37]。郑从奇等人(2017)对田庄水库历年洪水数据进行处理,从流量过程线、气候、下垫面特征等方面综合分析了该流域产流机制[38]。强文博在 2018年通过对榆林地区降水量径流趋势及关系分析探究该地区主要产流机制[39]。陈理想等(2019)对尼尔基流域多年汛初径流系数分析计算得出流域径流系数及产流特点[40]。
  
  1.2.2.3 产流影响因素研究。
  
  汤立群等在 1996 年提出流域蒸散发特性、降水特性和下垫面条件是流域产流的三大主要影响因素[41]。王随继等采用累积量斜率变化率比较法分析计算,揭示了皇甫川流域近 50 年以来径流变化趋势及各径流影响因素的相对贡献率[42]。刘晓燕等在 2014 年利用实测降雨径流数据分析了黄土高原不同地貌区域的产流机制,探究了林草植被对流域水循环影响[43];张波(2014)对积雪消融过程中多个影响因子进行分析,对积雪产流机制进行了诠释[44];孙兆峰(2017)采用主成分分析法研究了秃尾河流域径流衰减的影响因素,并建立统计模型研究径流衰减量与主要影响因子间的相关关系[45]。曹言等利用修正后的 SCS 模型分析了昆明市区地表径流影响因子得出该地区影响地表径流主要因素是降雨,其次是土地利用变化对流域渗透面积比例的影响,且丰水年土地利用变化对地表径流的影响较平水年和偏枯水年更大[46]。
  

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  1.3 研究内容及方法
  1.4 研究技术路线图

  第 2 章 研究区环境背景与数据来源

  2.1 研究区概况

  2.2 地形地貌特征

  2.3 气候、水文特征
  2.3.1 气温
  2.3.2 降水
  2.3.3 风速
  2.3.4 日照

  2.4 土壤和植被
  2.4.1 土壤
  2.4.2 植被
  2.5 数据来源
  2.6 本章小结

  第 3 章 流域产流机制分析

  3.1 地表径流的划分
  3.2 流域产流机制分析
  3.2.1 春汛期产流机制分析
  3.2.2 主汛期产流机制分析
  3.2.3 非汛期产流特征分析
  3.2.4 结果分析
  3.3.5 降雨径流相关关系
  3.3 本章小结

  第 4 章 径流的驱动因素分析

  4.1 年径流驱动因素分析
  4.1.1 年径流影响因素
  4.1.2 年径流气象影响因素分析
  4.1.3 年径流下垫面影响因素分析

  4.2 因子分析法原理
  4.2.1 因子分析法原理简介
  4.2.2 因子分析法的应用可行性
  4.2.3 因子分析法的分析思路

  4.3 月径流驱动因子分析
  4.3.1 月径流气象影响因素主成份分析
  4.3.2 建立月径流量预测模型

  4.4 不同时期径流驱动因素分析
  4.4.1 相关系数的选择
  4.4.2 不同时期径流驱动因素相关性检验
  4.5 本章小结

  第 5 章 结论

  我国季节性冻土分布广泛,有将近 70%的地区受到不同程度的冻土影响。冻土和积雪的存在在一定程度上制约了降雨径流关系,使得季节性冻土区的产流机制变得复杂。对于季节性冻土区,春季的融雪径流是农业及生活用水的保障,若出现春旱或融雪洪水会造成严重损失;夏季的暴雨可能带来较大的洪水;秋季因气温下降出现冻土,包气带下渗能力较差,降水可能带来急水。因此探析季节性冻土区的产流机制十分重要,因为该领域研究较少,资料缺乏,问题复杂,故本文选择季节性冻土区内的小流域进行研究。

  本论文以黑龙江省伊春市带岭区的永翠河流域为研究区域,收集 1973-2014 年间研究区域内的育林、新功、新曙光及带岭水文站实测水文资料。选择不同时期的典型洪水,对洪水过程线进行分析,辨析研究区域的产流模式;通过对资料数据进行整理,使用因子分析法,相关分析等方法判断不同时间跨度内影响产流与径流变化的因素,主要结论如下:

  (1)永翠河流域全年径流分为四个部分,即封冻期、春汛期、主汛期、非汛期。春汛期、主汛期、非汛期的 14 场典型洪水比例过程线不对称系数取值范围为0.5543-1.8315。典型洪水的降雨量与径流深 Pearson 相关系数为 0.798,降水强度与径流深的相关系数为-0.563,结果说明主汛期降雨量与径流深的相关性更大。对比蓄满产流、超渗产流与本研究区域的各项分析指标,可知永翠河流域内蓄满产流和超渗产流同时存在,蓄满产流占主导作用。

  (2)线性相关方法得到年平均径流量与年平均降水量的 Pearson 相关系数为0.776,与年平均蒸发量的相关系数为-0.018,符合湿润地区气象因素对径流量影响的一般规律。日照、气温、降水、蒸发的温度因子对月径流变化起主导作用,贡献率为 54.55%。

  (3)建立月径流预测模型,对气温、降水、蒸发量因素进行线性和二次多项式回归分析,得到月径流量与这些因素的较优响应关系,其中与气温和降水量的二次多项式拟合优于线性拟合,与蒸发量的线性拟合优于二次多项式拟合。考虑较优响应关系,建立多元非线性回归预测模型,该模型在汛期预测的绝度误差在 17.94%以内,精度满足要求,预测结果较好。

  (4)根据 Pearson、Spearman 和 Kendall 相关系数分析气温、降水、蒸发三个因素与不同时期的日平均径流影响因素的关系,得到分析结果为封冻期内日平均径流量与其他三个因素均无明显线性关系;春汛期日平均径流量与气温因素相关性最高;主汛期日平均径流与降水的相关性最高;非汛期日平均流量与三个因素线性关系均较好。

  参考文献