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  中国水土保持科学   2018, Vol. 16 Issue (3): 41-49.  DOI: 10.16843/j.sswc.2018.03.006
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引用本文 

刘士余, 邓文平, 欧阳磊, 胡小丹. 彭冲涧小流域降水与植被恢复对径流的影响——经验统计分析法与水文模型模拟法比较[J]. 中国水土保持科学, 2018, 16(3): 41-49. DOI: 10.16843/j.sswc.2018.03.006.
LIU Shiyu, DENG Wenping, OUYANG Lei, HU Xiaodan. Contributions of precipitation and vegetation restoration to the runoff in Pengchongjian small watershed:Comparison of empirical statistics analysis method and hydrological modeling simulation method[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2018, 16(3): 41-49. DOI: 10.16843/j.sswc.2018.03.006.

项目名称

国家自然科学基金"赣西北小流域森林植被变化对径流影响的定量研究"(31460222)

第一作者简介

刘士余(1975-), 男, 博士, 教授。主要研究方向:水土保持与森林水文。E-mail:397013250@qq.com

文章历史

收稿日期:2017-07-27
修回日期:2018-03-25
彭冲涧小流域降水与植被恢复对径流的影响——经验统计分析法与水文模型模拟法比较
刘士余1, 邓文平2, 欧阳磊1, 胡小丹1     
1. 江西农业大学国土资源与环境学院, 江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室, 330045, 南昌;
2. 江西农业大学林学院, 330045, 南昌
摘要:降水变化与植被恢复对小流域径流变化的贡献率分析是当前研究的热点。运用Mann-Kendall检验法对江西省九江市都昌县彭冲涧小流域1983-2014年的降水、径流序列进行突变分析,采用经验统计法与水文模型模拟法计算降水变化与植被恢复对径流影响的贡献率。结果显示:2003年为降水与径流的一致突变点;因此,以1983-2003年为基准期,2004-2014年变化期的年降水量、年径流深分别减少8.7%和29.2%,年平均减少幅度分别为12.7和22.1 mm。相对于基准期,春季、夏季及年尺度上变化期的平均径流深分别减少100.2、105.8和243.0 mm。经验统计分析法的研究结果表明,降水变化和植被恢复对径流减少的贡献率分别为58.9%、41.1%,71.6%、28.4%和57.1%、42.9%;而水文模型模拟法的研究结果分别为61.0%、39.0%,81.6%、18.4%和70.0%、30.0%。可知,尺度不同,研究结果存在较大差异,且降水变化的贡献率均大于植被恢复。同时,2种方法的研究结果总体上较接近,说明均比较可信,能为从更深层次上认识植被对径流的影响程度提供科学依据。
关键词降水变化    植被恢复    经验统计分析法    水文模型模拟法    彭冲涧小流域    
Contributions of precipitation and vegetation restoration to the runoff in Pengchongjian small watershed:Comparison of empirical statistics analysis method and hydrological modeling simulation method
LIU Shiyu1, DENG Wenping2, OUYANG Lei1, HU Xiaodan1     
1. College of Land Resources and Environment/Key Laboratory of Poyang Lake Watershed Agricultural Resources and Ecology of Jiangxi Province, Jiangxi Agricultural University, 330045, Nanchang, China;
2. School of Forestry, Jiangxi Agricultural University, 330045, Nanchang, China
Abstract: [Background] Quantifying the impacts of precipitation variation and vegetation restoration on runoff is essential not only for understanding the mechanism of hydrological response in watershed, but also for local water resources management as well as preventing floods and droughts. The Pengchongjian small watershed has experienced forest deforestation by local inhabitants in early 1980s. Since then, its vegetation has been restoring without human disturbances, and it is a natural site for this study. This paper aims to calculate the exact contribution rates of precipitation variation and vegetation restoration to runoff. [Methods] Based on observed daily precipitation and runoff data at Pengchongjian hydrological station from 1983 to 2014, we applied Mann-Kendall test and trend analysis methods to detect the inflection points of annual precipitation and runoff. Then, after dividing baseline period and changing period from 1983 to 2014, we calculated the exact contribution rates of precipitation and vegetation restoration on different time scales by using comparative methods of empirical statistics and hydrological modeling simulation. [Results] 1) A consistent inflection point of 2003 was found both for annual precipitation and runoff. Thus taking 1983 to 2003 as baseline period, 2004 to 2014 as changing period, the linear relationship between annual precipitation and runoff in baseline period was fitted. 2) Compared to the baseline period, annual precipitation and runoff decreased by 8.7% and 29.2%, with average annual decrease of 12.7 and 22.1 mm. The average depth of runoff in Spring, in Summer and in whole year scale decreased by 100.2, 105.8 and 243.0 mm respectively. 3) The results of the empirical statistics suggested that the contribution rates of precipitation variation and vegetation restoration on runoff were 58.9%, 41.1% and 71.6%, 28.4% in Spring and in Summer respectively, while results from the hydrological model simulation were 61%, 39% and 81.6%, 18.4%. However, on annual scale, the contribution rates of precipitation variation and vegetation restoration were 57.1% and 42.9% by empirical statistics method while the rates were 70% and 30% by hydrological model simulation method. [Conclusions] The results of the two methods are generally similar, indicating that the results are more credible. It is also known that the results are different on different time scales, and the contribution rate of precipitation variation is greater than that of vegetation restoration. That is to say, both precipitation and vegetation influence the change of runoff, but the main driving factor of runoff change is precipitation, which determines the trend of runoff change.
Key words: precipitation variation    vegetation restoration    empirical statistics analysis method    hydrological modeling simulation method    Pengchongjian small watershed    

流域径流的变化及其原因的研究,是一个重要的科学问题。导致流域径流变化的因素,可以概括为气候变化因素和人类活动因素。国内外关于流域气候变化和人类活动对径流影响的定量研究较多[1-7],其水文效应在不同时间尺度上存在一定差异[8],大部分研究[9-12]以年尺度来计算径流影响量,而对季节尺度上的研究较少。季节尺度影响量分析对年内水资源合理配置具有重要意义,尤其是存在季节性干旱的流域;因此,季节尺度下气候变化与人类活动对径流的影响值得深入研究。

气候因素主要有降水量和气温,降水量的变化直接导致流域产流量的变化,气温的变化可能会影响流域蒸发散从而导致径流的变化;但是,根据郭华等[13]在鄱阳湖流域的研究显示,径流系数与气温并无明显的线性相关关系。据此,笔者将影响流域径流变化的气候因素简化为降水量。人类活动因素包括引水、水库、水土保持措施的实施等,对无人居住及未修建水利、水土保持工程的同一小流域而言,人类活动因素主要是水土保持林草措施的实施(植被恢复)。

近年来,在气候变化、退耕还林(草)工程及城镇化(山区人口大量减少)的共同驱动下,流域的植被恢复状况较好,其径流也随之发生变化,为开展降水变化与植被恢复对流域径流影响的贡献率分析提供了天然场所。20世纪80年代,彭冲涧小流域的主要林种——杉木林被砍伐。之后,杉木次生林一直在恢复过程中,是开展本研究的理想流域。根据都昌县武山林场的森林调查资料,该小流域森林覆盖率由1985年的80%提高到2016年的98%,森林蓄积量由1985年的1.2万m3提高到2014年的2.5万m3

笔者以降水充沛的彭冲涧小流域为研究对象,通过经验统计分析和水文模型模拟2种方法,开展降水变化与植被恢复对小流域径流变化的贡献率分析,为从更深层次上认识植被对径流的影响程度,为植被恢复和生态建设提供科学依据。

1 研究区概况

彭冲涧小流域位于江西省九江市都昌县境内,E 116°25′48″ ~116°27′7″,N 29°31′44″ ~29°32′56″,流域集水面积2.90 km2(图 1)。小流域地形西北高东南低,地层出露以浅变质岩、花岗岩和灰岩为主。海拔高度80~560 m。植被类型丰富,林分类型主要为杉木(Cunninghamia lanceolata)林(70%)、栎(Quercus acutissima)类(28%)和毛竹(Phyllostachy heterocycla)(2%)。气候类型属亚热带湿润季风气候区,多年平均降水量1 560 mm。小流域四周闭合,属都昌县武山林场管辖,无人口居住,也未修建水利、水土保持工程。1981年江西省水文局于流域径流出口处设立彭冲涧水文站,并一直持续观测小流域的降雨、径流等数据至今。

图 1 彭冲涧小流域示意图 Figure 1 Schematic map of the Pengchongjian small watershed
2 材料与方法

为分析彭冲涧小流域30多年来的降水和径流变化,笔者从江西省水文局收集彭冲涧水文站自1983—2014年的逐日降水、流量、蒸发量和日平均气温等观测资料,计算得到季节、年降水量和径流深。

Mann-Kendall检验法是检验水文时间序列变化趋势的良好方法[14-15]。应用Mann-Kendall法开展降水、径流的变化趋势研究和突变性检验逐渐增多[16-17];因此,笔者采用Mann-Kendall检验法对彭冲涧小流域的降水、径流等要素进行突变性检验,确定该小流域1983—2014年年降水量和年径流深变化趋势的一致突变点为2003年,然后将研究时段划分为1983—2003年(基准期)和2004—2014年(变化期)2个时段,为分析不同时段径流变化与降水变化和植被恢复的关系奠定基础。

开展降水变化与植被恢复对小流域径流影响的贡献率分析常用方法有经验统计分析法、水文模型模拟法及累积量斜率变化率比较法等。笔者为比较不同方法的定量区分结果,并相互验证结果的可信度,采用经验统计分析法和水文模型模拟法进行分析。

2.1 经验统计分析法

即对植被恢复前期(基准期)的降水、径流实测资料进行回归分析,建立基准期的径流深与降水量之间的经验统计方程,将植被恢复后期(变化期)的平均降水量代入上述方程,得到的径流深即为变化期的降水在基准期植被条件下的平均径流深,即模拟平均径流深。将其减去变化期实测平均径流深,即为小流域植被恢复导致的径流变化。由基准期的实测平均径流深减去模拟平均径流深,求得降水变化导致的径流变化[18]

2.2 水文模型模拟法

水文模型是对自然界中复杂水循环过程的近似描述,是水文科学研究的一种常用手段和方法。IHACRES集总式水文模型在国内外广泛应用于径流模拟[19]。刘贵花等[20]的研究表明,IHACRES模型能较好地模拟赣江流域的径流,适用于中亚热带湿润季风气候区;因此,笔者采用由Jakeman等提出,以单位线原理为基础的水文模型——IHACRES模型[21],以基准期的降水、径流等实测资料率定、验证模型,在模型评价指标满足模拟精度的基础上,将变化期的降水资料输入模型进行模拟,得到的径流模拟值即为变化期的降水在基准期植被条件下的径流值,经计算,得到模拟平均径流深。将其减去变化期实测平均径流深,即为小流域植被恢复导致的径流变化。由基准期的实测平均径流深减去模拟平均径流深,求得降水变化导致的径流变化[18]

3 结果与分析 3.1 降水量与径流深的季节分配

通过对彭冲涧水文站1983—2014年逐日降水、径流资料的整理,得到该小流域月、季节(春季为3—5月,夏季为6—8月,秋季为9—11月,冬季为12月—翌年2月)、年等时间尺度上的降水、径流资料,为分析小流域降水、径流的年内、年际分配规律及降水变化与植被恢复对径流的影响奠定基础。

表 1可知,彭冲涧小流域秋季、冬季的降水量、径流深占全年的比例均很小,因此笔者仅对春季、夏季及年尺度上的资料进行分析。

表 1 彭冲涧小流域降水量与径流深的季节分配 Table 1 Seasonal distribution of precipitation and depth of runoff in Pengchongjian small watershed
3.2 降水量与径流深的变化趋势

根据Mann-Kendall检验,1983—2014年彭冲涧小流域年降水量的变化趋势为:1)小流域降水总体呈波动下降趋势(图 2a)。1983—1986年年降水量显著下降,1986年为该时期降水最低值,超过α=0.05的显著性水平;1987—2003年降水波动上升,1998年为该时期降水最高值;2004—2009年,降水呈下降趋势,2010年始分别出现1个降水峰值(2011)和谷值(2012),之后逐渐上升。2)根据UF和UB曲线的交点位置,采用T检验法,确定小流域降水在2003年发生突变(图 2b)。

图 2 1983—2014年彭冲涧小流域降水量年际变化(a)及其Mann-Kendall突变检验结果(b) Figure 2 Inter-annual variation of observed precipitation (a) and its Mann-Kendall results (b) in Pengchongjian small watershed in 1983—2014

根据Mann-Kendall检验,1983—2014年彭冲涧小流域年径流深的变化趋势为:1)小流域年径流深呈波动下降趋势(图 3a)。1983—1986年年径流深显著下降,并超过α=0.05显著性水平;1987—2003年径流深逐渐上升,且在1999年达到最大值;除2010年外,2004年始径流深均较小。2)由图 3b可以看出,UF和UB曲线有多个交点,为了去除无效突变点,采用t检验法,确定年径流深的突变年份为2003年,这与彭冲涧小流域年降水量的突变年份一致,说明径流的增加与降水有直接关系。

图 3 1983—2014年彭冲涧小流域径流深年际变化(a)及其Mann-Kendall突变检验结果(b) Figure 3 Inter-annual variation of observed depth of runoff (a) and its Mann-Kendall results (b) in Pengchongjian small watershed in 1983—2014

根据降水和径流的突变检验结果,将研究时段划分为1983—2003年和2004—2014年2个时段。1983—2003年的年平均降水量、年平均径流深分别为1 608.2和831.9 mm,2004—2014年的年平均降水量、年平均径流深分别为1 468.9和588.9 mm。相对于基准期,变化期的年平均降水量和年平均径流深分别减少8.7%和29.2%,年平均减少幅度分别为12.7和22.1 mm。年平均径流深的减少比例(量)大于年平均降水量的减少比例(量)。由此可知,除降水外,还存在着使径流减少的植被恢复因素。如何定量区分降水变化与植被恢复对小流域径流减少的贡献率,是一个需要研究的科学问题。

3.3 经验统计分析法分析降水变化与植被恢复对小流域径流减少的贡献率

通过对1983—2003年(基准期)春季、夏季及年的平均降水量和平均径流深的线性回归分析,得到的线性方程分别为y=0.980 9x-193.01(R2=0.880 3)、y=0.996 1x-259.47(R2=0.915 5)及y=0.995 3x-768.8(R2=0.858 8),拟合效果较好,线性拟合曲线详见图 4

图 4 彭冲涧小流域1983—2003年春季(a)、夏季(b)及年(c)的平均降水量和平均径流深回归关系曲线 Figure 4 Relationship curve of observed precipitation and depth of runoff in Spring(a), in Summer(b)and in whole year scale (c) in Pengchongjian small watershed in 1983—2003

将2004—2014年(变化期)春季、夏季及年的平均降水量分别代入相应方程,得到模拟平均径流深。降水变化与植被恢复对径流减少的贡献率计算结果详见表 2

表 2 彭冲涧小流域降水变化与植被恢复对径流减少的贡献率计算结果 Table 2 Calculated results of impacts of precipitation variation and vegetation restoration on runoff decrease in Pengchongjian small watershed

表 2可知,相对于基准期,春季、夏季及年尺度上变化期的平均径流深分别减少100.2、105.8和243.0 mm,其中,因降水变化导致的径流深减少分别为59.0、75.7和138.7 mm,因植被恢复导致的径流深减少分别为41.2、30.1和104.3 mm,降水变化和植被恢复对径流减少的贡献率分别为58.9%、41.1%,71.6%、28.4%和57.1%、42.9%。

3.4 水文模型模拟法分析降水变化与植被恢复对小流域径流减少的贡献率 3.4.1 IHACRES模型的径流模拟评价

决定系数(R2)、Nash-Sutcliffe效率系数(NS)和相对误差(PBIAS)被用来评价模型基准期和变化期的模拟效果[22]

R2为模拟值与实测值的拟合效果,范围为0~1,其值越大表示拟合效果越好。

NS计算公式如下:

$ {\rm{NS}} = 1 - \frac{{{{\sum\limits_{i = 1}^n {\left( {{Q_{{\rm{obs}}}} - {Q_{{\mathop{\rm sim}\nolimits} }}} \right)} }^2}}}{{{{\sum\limits_{i = 1}^n {\left( {{Q_{{\rm{obs}}}} - {\rm{mean}}\left( {{Q_{{\rm{obs}}}}} \right)} \right)} }^2}}}。$ (1)

式中:QobsQsim和mean(Qobs)分别为实测值、模拟值和实测值均值;n代表数据个数。NS最优值=1.0,NS值越接近于1.0,表示模拟效果越好,当NS<0时,表示模拟效果不佳。

PBIAS计算公式如下:

$ {P_{{\rm{BIAS}}}} = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {\left( {{Q_{{\rm{obs}}}} - {Q_{{\mathop{\rm sim}\nolimits} }}} \right) \times 100} }}{{\sum\limits_{i = 1}^n {{Q_{{\rm{obs}}}}} }}。$ (2)

式中:QobsQsim为实测值和模拟值。当|PBIAS|小于10,模拟效果非常好;当|PBIAS|介于10~15之间,模拟效果较好;当|PBIAS|介于15~25之间,模型模拟效果令人满意。

将1983—2014年彭冲涧小流域日降水、日径流、日气温和流域面积数据输入模型,采用月尺度进行模拟,选取基准期降水、气温和径流数据率定参数。参数取值分别为:δ=0,f=1.1,w=2,tr=21,c=0.004,(δ为产流的延迟时间系数,f为温度调节因子,w为小流域干时常数,tr为参考温度,c为保证在整个率定期模拟的有效降雨总量等于观测总径流量的一个非自由参数)。

小流域基准期的模拟径流深与实测径流深比较及拟合状况见图 5

图 5 彭冲涧小流域1983—2003年(基准期)模拟径流深与实测径流深比较及拟合状况 Figure 5 Comparison and fitting between simulated and observed runoff in Pengchongjian small watershed in 1983—2003

经计算,R2=0.95,NS=0.94,PBIAS=-5.19,可见基准期模型月径流模拟效果较好,可用于彭冲涧小流域的径流变化研究。

3.4.2 小流域径流模拟

小流域变化期的模拟径流深与实测径流深比较及拟合状况见图 6

图 6 彭冲涧小流域2004—2014年(变化期)模拟径流深与实测径流深比较及拟合状况 Figure 6 Comparison and fitting between simulated and observed runoff in Pengchongjian small watershed in 2004—2014

经计算,R2=0.92,NS=0.88,PBIAS=-21.7,基本可以满足要求;但相对误差增大,表明变化期植被恢复对小流域径流的影响增强。降水变化与植被恢复对径流减少的贡献率计算结果详见表 3

表 3 彭冲涧小流域降水变化与植被恢复对径流减少的贡献率计算结果 Table 3 Calculated results of impacts of precipitation variation and vegetation restoration on runoff decrease in Pengchongjian small watershed

表 3可知,相对于基准期,春季、夏季及年尺度上变化期的平均径流深分别减少100.2、105.8和243.0 mm,其中,因降水变化导致的径流深减少分别为61.1、86.3和170.2 mm,因植被恢复导致的径流深减少分别为39.1、19.5和72.8 mm,降水变化和植被恢复对径流减少的贡献率分别为61.0%、39.0%,81.6%、18.4%和70.0%、30.0%。

从以上分析可知,2种方法的研究结果总体上比较接近,说明研究结果均比较可信;但无论是经验统计分析法,还是水文模型模拟法,尺度不同,研究结果存在较大差异,且降水变化的贡献率均大于植被恢复。其中,夏季降水变化的贡献率最大,这可能与该季节的雨量、降雨强度大和雨日数多有关。年尺度上,研究结果与刘剑宇等[4]在饶河流域、WU Jingwen等[23]在延河流域求得的贡献率较接近,但与许炯心等[24]在嘉陵江流域、ZHANG Qiang等[25]在鄱阳湖流域的研究结果差异较大。这可能与不同流域的降水、植被、面积大小及地形地貌等不同有关。

4 结论与讨论

1) Mann-Kendall检验法的分析结果显示,彭冲涧小流域的降水与径流呈减小趋势,其一致突变点为2003年。1983—2003年(基准期)的年降水量、年径流深分别为1 608.2、831.9 mm,2004—2014年(变化期)的年降水量、年径流深分别为1 468.9和588.9 mm。相对于基准期,变化期的年降水量、年径流深分别减少8.7%、29.2%,年平均减少幅度分别为12.7和22.1 mm。

2) 经验统计分析法分析降水变化与植被恢复对小流域径流减少的贡献率研究表明:相对于基准期,变化期春季、夏季及年的径流深分别减少100.2和105.8和243.0 mm,其中降水变化的贡献率分别为58.9%、71.6%和57.1%,植被恢复的贡献率分别为41.1%、28.4%和42.9%。

3) 水文模型模拟法分析降水变化与植被恢复对小流域径流减少的贡献率研究表明:相对于基准期,变化期春季、夏季及年的径流深分别减少100.2、105.8和243.0 mm,其中降水变化的贡献率分别为61.0%、81.6%和70.0%,植被恢复的贡献率分别为39.0%、18.4%和30.0%。

4) 无论是经验统计分析法,还是水文模型模拟法,尺度不同,研究结果存在较大差异,且降水变化的贡献率均大于植被恢复。其中,夏季降水变化的贡献率最大,这可能与该季节的雨量、降雨强度大和雨日数多有关。年尺度上,与有些学者的研究结果较接近,而与另一些学者的研究结果差异较大。这可能与不同流域的降水、植被、面积大小及地形地貌等不同有关。

可以看出,降水变化与植被恢复对径流的影响,同一流域不同尺度上贡献率不同,不同流域相同尺度上贡献率也不同。各流域的研究结果只能代表自身的特点,不能外推到其他流域,更不能代表普遍情况,普遍规律仍在探索之中。

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