CN109614655B - 一种河流径流量的研究方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种河流径流量的研究方法，涉及水文地理学技术领域。所述方法包括：确定影响河川实测径流量的影响因子；确定研究基准期和变化期；利用分布式水文模型与控制变量数学方法建立影响因子模拟情境路线；根据模拟情境路线选择对应的水文模型；利用影响因子和水文模型确定模拟河川多年平均径流量；确定河川实测径流量变化值；根据模拟河川多年平均径流量和河川实测径流量变化值，确定影响因子对所述河川径流的影响量；确定影响因子对河川实测径流的影响量的贡献率，上述贡献率用于评判各影响因子对河流径流量的影响大小。采用本发明研究方法可准确评价气候变化和人类活动对河流径流量的影响，为合理有效管理水资源提供科学依据。

Description

一种河流径流量的研究方法
技术领域
本发明涉及水文地理学技术领域，尤其涉及一种河流径流量的研究方法。
背景技术
人类活动和气候变化是影响水文循环的两个重要的因素，近些年来加剧的人类活动和气候变化速率的加快会极大的改变水文循环过程并引起可利用水资源时空分布发生变化。在流域水循环的各种要素中，径流量是水资源管理最重要的组成部分，起变化影响着各类行业的用水模式。通过研究径流量变化的原因及其影响因素之间相互作用关系，可以及时提出应对这些变化的有效对策。气候变化包括降雨、辐射、气温和风力等因素；人类活动包括引水、水资源开发、农业灌溉、城市供水、土地利用/覆盖变化、水土保持措施等。量化这些因素对水文循环过程的影响可以更好的了解水文循环过程变化的机制，从而为整个流域提供可靠而有效的水资源管理。例如，黄土高原地区位于黄河中游，在中国半干旱和半湿润地区。泾河流域位于黄土高原中部，是黄土高原地区典型的流域。该区域北部为黄土丘陵区、中部为黄土残垣区，西南部为山林区、东南部为山川合川区，地形地貌特征丰富。该地区农业文化深厚，其部分区域土壤侵蚀严重，生态比较脆弱，因此对气候变化的敏感性较大并且容易受到人类活动的影响。为解决这一问题，中国政府已经采取了很多措施来解决水资源短缺和水土流失问题，如生物措施(天然林保护计划、退耕还林还草)、工程措施(修筑梯田、淤地坝)。与此同时，自上个世纪五十年代以来，由于经济增长，城市化进程的加快，人类生活水平的提高和生态环境保护意识的增强，人类生活、工业、生态用水量逐年递增，水资源开发利用量逐年上升，该流域的生态系统受到了严重的干扰。泾河流域水资源的可持续利用已成为一个亟待解决的问题。水土保持措施的实施、加剧的人类活动再加上气候的变化，导致泾河流域的径流量明显下降，导致水资源问题更加的紧迫。因此，探讨未来气候的变化和加剧的人类活动对该地区水文过程的影响具有极大的意义。
目前，有很多评价气候变化和人类活动对径流量影响的方法，例如：对比流域法、统计分析法、水文模拟法；对比流域发可以更好的揭示气候变化或人类活动对水文过程的影响，但是对于大型流域，很难找到与之对比的自然条件相似、流域特征相近的流域，其运用局限性大。统计分析法主要是利用时间趋势的方法，设计回归方程并研究各变量与径流之间的回归关系，做主成份分析和相关性分析从而得到各因素对水文过程的影响量；但是在人类活动的影响下，水文过程存在迟滞性(如水库调蓄作用、小型农田蓄水工程)以及区域水量不平衡性(跨区域调水以及各种水资源跨流域流动)等问题，同时在模型方程应用时，将所有的人类活动归为一项(参数n)，这就造成水文过程存在不完整性，也不能揭示多种人类活动分别对径流的影响，为研究多因素对流域水文过程的影响造成不便。水文模型是研究气候变化和人类活动对径流量影响以及水资源管理的有力工具，分布式水文模型的参数具有明确的物理意义，更加符合物理过程，可以更加准确的描述水文过程，具有很强的适应性，但众多研究中，大多数只考虑到土地利用/覆盖变化这些间接人类活动对径流量的影响，忽略了直接引水对河流减水的影响，此外，很少有人将人类活动的种类进行总结分类；而不同的人类活动对径流量的影响可能是两个不同方向。因此，以上研究方法不能准确揭示气候变化和人类活动对河流径流量的影响，不能为整个流域提供可靠而有效的水资源管理依据。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种河流径流量的研究方法，主要目的是解决无法准确确定各影响因素对河流径流量影响的问题。
为达到上述目的，本发明主要提供了如下技术方案：
一方面，本发明实施例提供了一种河流径流量的研究方法，所述方法包括：
(1)确定影响河川实测径流量的影响因子；
(2)确定研究时间的基准期和变化期；
(3)利用分布式水文模型与控制变量数学方法建立所述影响因子的模拟情境路线；根据所述模拟情境路线选择对应的水文模型；利用所述影响因子和所述水文模型确定模拟河川多年平均径流量；
(4)确定所述河川实测径流量变化值；根据所述模拟河川多年平均径流量和所述河川实测径流量变化值，确定所述影响因子对所述河川径流的影响量；
(5)确定所述影响因子对所述河川实测径流的影响量的贡献率，所述贡献率用于评判各影响因子对河流径流量的影响大小。
作为优选，所述步骤(1)中的影响因子包括气候变化和人类活动；所述气候变化包括降水变化和气温变化；所述人类活动包括直接影响和间接影响；所述直接影响包括农业灌溉、工业用水、城镇生活用水、人工引水及库蓄水量；所述间接影响包括土地利用变化、植被覆盖变化、修建梯田、建设淤地坝。
作为优选，所述步骤(2)中以固定时段为基准期，以至少一个时段为变化期。
作为优选，所述步骤(3)中模拟情境路线包括：
模拟情景1：用于确定降水变化对河川径流量的影响；
模拟情境2：用于确定气温变化对河川径流量的影响；
模拟情景3：用于确定土地利用变化对河川径流量的影响；
模拟情景4：用于确定植被覆盖变化对河川径流量的影响；
模拟情景5：用于确定梯田对河川径流量的影响；
模拟情景6：用于确定淤地坝对河川径流量的影响；
所述水文模型的输入为所述影响因子，输出为相应研究时期的多年平均径流量，记为：
W基准期、WS1、WS2、WS3、WS4、WS5 WS6。
作为优选，所述步骤(4)中确定所述影响因子对所述河川径流的影响量是根据公式1-公式9得到；
公式1：ΔW实测＝ΔW气候变化+ΔW人类活动＝(ΔW降水+ΔW气温)+(ΔW直接+ΔW间接)；
其中，ΔW实测为实测径流量的变化值；ΔW气候变化和ΔW人类活动为气候变化和人类活动对径流量的影响值；ΔW降雨和ΔW气温为降雨和气温变化对径流量的影响值；ΔW直接和ΔW间接为直接和间接人类活动造成的径流量变化值；
公式2：ΔW直接＝ΔW农灌+ΔW工业+ΔW城镇生活+ΔW引水+ΔW库蓄；
其中，ΔW农灌、ΔW工业、ΔW城镇生活、ΔW引水和ΔW库蓄分别为业农业灌溉、工业用水、城镇生活用水、人工引水、库蓄水量对河川径流的影响量；
公式3：ΔW间接＝ΔW土地利用+ΔW植被覆盖+ΔW梯田+ΔW淤地坝；
其中，ΔW土地利用、ΔW植被覆盖、ΔW梯田、ΔW淤地坝分别为土地利用变化、植被覆盖变化、梯田修建、淤地坝修建对河川径流的影响量；
公式4：ΔW降水＝WS1-W基准期；
公式5：ΔW气温＝WS1-WS2；
公式6：ΔW土地利用＝WS3-WS2；
公式7：ΔW植被覆盖＝WS4-WS3；
公式8：ΔW梯田＝WS5-WS4；
公式:9：ΔW淤地坝＝WS6-WS4；
其中，ΔW降水、ΔW气温、ΔW土地利用、ΔW植被覆盖、ΔW梯田、ΔW淤地坝分别为降水、气温、土地利用和植被覆盖变化及梯田和淤地坝的修筑对河川径流的影响量；
作为优选，所述步骤(5)中的贡献率是根据公式1-公式10得到；
公式10：
Figure BDA0001866044370000041
作为优选，所述河川的流域为中国黄土高原中部的泾河，地理位置为106°20′～108°42′E，34°46′～37°19′N。
作为优选，所述基准期为1961年-1970年，所述变化期为1971年-2015年，将每十年作为一个变化时期，共4个变化期。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明将影响流域水文过程的各项人类活动进行了改进，将其分为直接影响和间接影响；直接影响会直接改变河流的径流量，包括农业灌溉、工业用水、城镇生活用水、人工引水、库蓄水量等；间接影响主要指改变下垫面情况变化的因素，包括城市化进程、植被覆盖变化、修建梯田、建设淤地坝等；本发明在量化人类活动对径流的影响时有了更全面的观点(直接和间接)；上述研究方法不仅可以评价气候变化和人类活动对水文循环的影响，还将对修筑梯田和淤地坝、退耕还林等水土保持措施对水文过程的影响作出定量评价，也将为实现水资源可持续利用提供新思路。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的人类各活动的影响因子示意图；
图2是本发明实施例1提供的人类各活动的影响因子框意图；
图3是本发明实施例1提供的研究方法流程图；
图4是本发明实施例1提供的泾河流域地理图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下以较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、技术方案、特征及其功效，详细说明如后。下述说明中的多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
本发明采用的专业技术语解释如下：
分布式流域水文模型：全面考虑降雨和下垫面空间不均匀性的模型,能够充分反映流域内降雨和下垫面要素空间变化对洪水形成的影响。模型能全面地利用降雨的空间分布信息；模型参数的空间分布能够反映下垫面自然条件的空间变化；模型的输出具有空间不均匀性,如蒸散发、土壤水分、径流深等。分布式流域水文模型的主要思路是：将流域划分成若干网格,对每个网格分别输入不同的降雨,根据各网格内植被、土壤和高程等情势,对每个网格采用不同的产流计算参数分别计算产流量；通过比较相邻网格的高程确定各网格的流向,根据各网格的坡度、糙率和土壤等情况确定参数,将其径流演算到流域出口断面得到流域出口断面的径流过程。模型的参数由地形、地貌数据结合实测历史洪水资料率定得到。
土地利用：人类对土地自然属性的利用方式和目的意图，是一种动态过程。土地覆盖是指自然营造物和人工建筑物所覆盖的地表诸要素的综合体，包括地表植被、土壤、湖泊、沼泽湿地及各种建筑物(如道路等)，具有特定的时间和空间属性，其形态和状态可在多种时空尺度上变化。在水文领域，其变化是影响水文循环过程的一个重要因素。
梯田：丘陵山坡地上沿等高线方向修筑的条状阶台式或波浪式断面的田地。是治理坡耕地水土流失的有效措施，可以有效的减少河流的泥沙，同时其保水作用也会使该区域的蒸发量增大，从而减少河川径流量。
淤地坝：在水土流失地区各级沟道中，以拦泥淤地为目的而修建的坝工建筑物。一条沟内修建多个淤地坝是中国黄土高原水土流失严重地区重要而独特的治沟工程体系。主要目的是滞洪、拦泥，淤地、蓄水、建设农田、发展农业生产、减轻黄河泥沙。这样在沟道上直接修建淤地坝，也会对水文循环带来一定的影响。
实施例1
如图1-图4所示，泾河流域位于中国黄土高原中部(106°20′～108°42′E，34°46′～37°19′N)，流域面积45421km2，流域绝大部分属于陇东黄土高原。该区域北部为黄土丘陵区、中部为黄土残垣区，西南部为山林区、东南部为山川合川区，地形地貌特征丰富，是研究黄土高原问题很典型的区域。泾河流域发源于宁夏回族自治区泾源县关山东麓，流域长450km，总落差2180m，为渭河的一级支流，黄河的二级支流，是黄河的十大水系之一。流域深处大陆，为典型的温带大陆性气候。流域多年平均气温8℃，最冷月平均气温-8℃到-10℃，最热月平均温度22℃到24℃，年降水量在350mm到600mm之间，主要集中于夏、秋汛期季节的5月到9月，这段时间内降水量占年降水总量的72％到86％；冬春季降水稀少。两种主要类型(黄土丘陵地形和黄土残垣地形)占集水区的81.2％，这些是地区也是受侵蚀最严重的地区。根据统计资料显示至2015年，水土保持措施的面积已经达到了24749km2，占流域面积的54％。林地和草地面积在2015年达到了16568km2，占该流域面积的36％。这些生态恢复促使有效的改善了该地区的生态环境，与此同时，也极大的改变了下垫面的情况，并可能导致水文过程发生显著的变化。因此在评价该地区水文过程时，需要将该地区直接取用水量也作为一个重要影响因子加以考虑。
气象数据来自中国气象数据网(http://data.cma.cn/)以及陕西省气象局所提供的黄土高原气象站点数据集。在其中选取泾河流域及附近40个气象站点的日气象数据，包括降水、气温、气压、日照时数、风速、相对湿度。
水文数据来自黄河水利委员会提供的黄河流域月径流数据集以及国家地球系统科学数据共享平台(http://www.geodata.cn/)所提供的黄河流域主要水文站逐日平均流量数据集。
本实施例1选取泾河流域的张家山、雨落坪、杨家坪三个水文站点所控制的子流域作为研究对象，因为他们分别是泾河流域出口和两个重要子流域的出口站；其中，张家山站是泾河流域的出口站，之后汇入渭河，其控制面积为43416km2，雨落坪和杨家坪为泾河两个重要子流域的出口站，控制面积分别为19019km2和14124km2。
本实施例1的土壤数据来自于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/)。数字高程数据(DEM)来自于地理空间数据云(http://www.giscloud.cn/)。土地利用以及覆盖数据来自中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/)所提供的自20世纪70年代至2015年一共7期数据集。水资源开发利用数据及水土保持数据来自于黄河水利委员会官网黄河网发布的水土保持公告、黄河上中游管理局编撰的《黄河流域水土保持基本资料》、泾河流域当地的水土保持公告、2012年完成的第一次全国水利普查、国家地球系统科学数据共享服务平台(http://www.geodata.cn)以及文献调研等各项成果。叶面积指数(LAI)数据来自全球土地覆盖设施(http://www.glcf.umd.edu/)。
下面按照本发明研究的方法步骤对泾河流域的气候变化和多种人类活动进行研究评价。
(1)明确影响实测径流量的因素：根据泾河流域的实际情况，本实施例1选定影响河流径流的因子为气候变化、人工引水、土地利用变化、梯田修筑、淤地坝修筑这五个影响因素；
(2)选定基准期和变化期：不同因素在不同时期是的贡献率是不同的，也就是各种因素是处在变化当中的，因此需要对研究区域在时间尺度上进行标定，选定基准期；根据本实施例1研究区域的基本情况，以及人类直接影响和间接影响的调查(表2)1998年以来，国家在黄土高原地区全面实施了退耕还林还草措施，因此水土保持林/草总面积在2015年达到了1995年的三倍。同时由于梯田的面积也在1995年后，有一个较大幅度的提升。根据收集整理的资料显示，泾河流域的骨干淤地坝建设主要在2001-2010年，但是2010年，淤地坝面积大面积减小是因为大部分淤地坝拦沙效果明显，且已经逐渐淤满。截止2015年，水土保持措施的总面积已经达到了整个流域面积的54％，这意味着泾河流域下垫面已经发生了巨大的改变，这也是影响河流径流量变化的重要因素之一。
在本实施例1中，将标定过的基准期作为参考，研究之后变化期的情况。因此，本实施例1在时间尺度上选定基准期为1961-1970年，变化期为1971-2015年(每个10年为一个变化时期，共4个变化期)。
表2各项水土保持措施面积
Figure BDA0001866044370000071
(3)选择模拟情景路线及水文模型：
根据本实施例1所选择的影响因子，本实施例1选择模拟情境路线为：实际情景、模拟情景2、模拟情景3、模拟情景5、模拟情景6；根据选择的情境路线，经过调参、验证后可计算出W基准期、WS2、WS3、WS5、WS6，分别为相应计算时期的多年平均径流量。
(4)计算已选择因素的影响量：根据公式(1)到公式(9)可计算各因子对径流的影响量如下表3。
表3多因子对径流的影响量
Figure BDA0001866044370000072
公式1：ΔW实测＝ΔW气候变化+ΔW人类活动＝(ΔW降水+ΔW气温)+(ΔW直接+ΔW间接)；
其中，ΔW实测为实测径流量的变化值；ΔW气候变化和ΔW人类活动为气候变化和人类活动对径流量的影响值；ΔW降雨和ΔW气温为降雨和气温变化对径流量的影响值；ΔW直接和ΔW间接为直接和间接人类活动造成的径流量变化值；
公式2：ΔW直接＝ΔW农灌+ΔW工业+ΔW城镇生活+ΔW引水+ΔW库蓄；
其中，ΔW农灌、ΔW工业、ΔW城镇生活、ΔW引水和ΔW库蓄分别为业农业灌溉、工业用水、城镇生活用水、人工引水、库蓄水量对河川径流的影响量；
公式3：ΔW间接＝ΔW土地利用+ΔW植被覆盖+ΔW梯田+ΔW淤地坝；
其中，ΔW土地利用、ΔW植被覆盖、ΔW梯田、ΔW淤地坝分别为土地利用变化、植被覆盖变化、梯田修建、淤地坝修建对河川径流的影响量；
公式4：ΔW降水＝WS1-W基准期；
公式5：ΔW气温＝WS1-WS2；
公式6：ΔW土地利用＝WS3-WS2；
公式7：ΔW植被覆盖＝WS4-WS3；
公式8：ΔW梯田＝WS5-WS4；
公式:9：ΔW淤地坝＝WS6-WS4；
其中，ΔW降水、ΔW气温、ΔW土地利用、ΔW植被覆盖、ΔW梯田、ΔW淤地坝分别为降水、气温、土地利用和植被覆盖变化及梯田和淤地坝的修筑对河川径流的影响量。
(5)计算影响因素的贡献率：根据公式(10)可计算各因子对径流影响的贡献率如下表4；
公式10：
Figure BDA0001866044370000081
表4多因子对径流影响的贡献率
Figure BDA0001866044370000082
本发明主要研究目的：
1)调查泾河流域气候变化趋势以及其对泾河流域水文过程的影响；
2)分析人类活动(包括间接和直接)的加剧对水文过程的影响；
3)通过水文模型定量评价气候变化、土地利用/覆盖变化、梯田修筑、直接耗水量对河流径流量的贡献率，以各项因子贡献率随时间的变化情况。
本发明利用时间趋势法分析法对各类水土保持措施对径流量的影响进行了评价。同时，运用分布式水文模型并且结合控制变量的数学思想，创新的提供了三种模拟情境路线，从而达到将各种变量的影响分离的目的。本发明所创建的情境路线不止适用于本研究所使用的水文模型，也适用于其它分布式、半分布式水文模型，并且可以根据各种模型所集成的不通模块，可以对多种其它因素的进行评价。本发明将为以后水文模型的运用以及分离多变量因子对流域径流过程影响分析提供了新的思路。本发明的上述研究方法可准确评价气候变化和人类活动对河流径流量的影响，可为水资源管理提供理论依据。
本发明实施例中未尽之处，本领域技术人员均可从现有技术中选用。
以上公开的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以上述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种河流径流量的研究方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)确定影响河川实测径流量的影响因子；
(2)确定研究时间的基准期和变化期；
(3)利用分布式水文模型与控制变量数学方法建立所述影响因子的模拟情境路线；根据所述模拟情境路线选择对应的水文模型；利用所述影响因子和所述水文模型确定模拟河川多年平均径流量；
(4)确定所述河川实测径流量变化值；根据所述模拟河川多年平均径流量和所述河川实测径流量变化值，确定所述影响因子对所述河川径流的影响量；
(5)确定所述影响因子对所述河川实测径流的影响量的贡献率，所述贡献率用于评判各影响因子对河流径流量的影响大小。
2.如权利要求1所述的一种河流径流量的研究方法，其特征在于，所述步骤(1)中的影响因子包括气候变化和人类活动；所述气候变化包括降水变化和气温变化；所述人类活动包括直接影响和间接影响；所述直接影响包括农业灌溉、工业用水、城镇生活用水、人工引水及库蓄水量；所述间接影响包括土地利用变化、植被覆盖变化、修建梯田、建设淤地坝。
3.如权利要求1所述的一种河流径流量的研究方法，其特征在于，所述步骤(2)中以固定时段为基准期，以至少一个时段为变化期。
4.如权利要求1所述的一种河流径流量的研究方法，其特征在于，所述步骤(3)中模拟情境路线包括：
模拟情景1：用于确定降水变化对河川径流量的影响；
模拟情境2：用于确定气温变化对河川径流量的影响；
模拟情景3：用于确定土地利用变化对河川径流量的影响；
模拟情景4：用于确定植被覆盖变化对河川径流量的影响；
模拟情景5：用于确定梯田对河川径流量的影响；
模拟情景6：用于确定淤地坝对河川径流量的影响；
所述水文模型的输入为所述影响因子，输出为相应研究时期的多年平均径流量，记为：W基准期、WS1、WS2、WS3、WS4、WS5WS6。
5.如权利要求1所述的一种河流径流量的研究方法，其特征在于，所述步骤(4)中确定所述影响因子对所述河川径流的影响量是根据公式1-公式9得到；
公式1：ΔW实测＝ΔW气候变化+ΔW人类活动＝(ΔW降水+ΔW气温)+(ΔW直接+ΔW间接)；
其中，ΔW实测为实测径流量的变化值；ΔW气候变化和ΔW人类活动为气候变化和人类活动对径流量的影响值；ΔW降雨和ΔW气温为降雨和气温变化对径流量的影响值；ΔW直接和ΔW间接为直接和间接人类活动造成的径流量变化值；
公式2：ΔW直接＝ΔW农灌+ΔW工业+ΔW城镇生活+ΔW引水+ΔW库蓄；
其中，ΔW农灌、ΔW工业、ΔW城镇生活、ΔW引水和ΔW库蓄分别为业农业灌溉、工业用水、城镇生活用水、人工引水、库蓄水量对河川径流的影响量；
公式3：ΔW间接＝ΔW土地利用+ΔW植被覆盖+ΔW梯田+ΔW淤地坝；
其中，ΔW土地利用、ΔW植被覆盖、ΔW梯田、ΔW淤地坝分别为土地利用变化、植被覆盖变化、梯田修建、淤地坝修建对河川径流的影响量；
公式4：ΔW降水＝WS1-W基准期；
公式5：ΔW气温＝WS1-WS2；
公式6：ΔW土地利用＝WS3-WS2；
公式7：ΔW植被覆盖＝WS4-WS3；
公式8：ΔW梯田＝WS5-WS4；
公式:9：ΔW淤地坝＝WS6-WS4；
其中，ΔW降水、ΔW气温、ΔW土地利用、ΔW植被覆盖、ΔW梯田、ΔW淤地坝分别为降水、气温、土地利用和植被覆盖变化及梯田和淤地坝的修筑对河川径流的影响量。
6.如权利要求5所述的一种河流径流量的研究方法，其特征在于，所述步骤(5)中的贡献率是根据公式1-公式10得到；
公式10：
Figure FDA0001866044360000021
7.如权利要求1所述的一种河流径流量的研究方法，其特征在于，所述河川的流域为中国黄土高原中部的泾河，地理位置为106°20′～108°42′E，34°46′～37°19′N。
8.如权利要求7所述的一种河流径流量的研究方法，其特征在于，所述基准期为1961年-1970年，所述变化期为1971年-2015年，将每十年作为一个变化时期，共4个变化期。
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