1950s以来挠力河流域径流特征变化及其影响因素
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摘要
气候变化与人类活动已经成为影响流域水文过程的主要驱动力，尤其是土地利用方式在区域尺度上对径流过程的影响能力已经远超过自然因素。本论文以三江平原挠力河流域为研究对象，利用挠力河长时间连续径流观测资料，结合GIS、遥感及景观生态学的方法与理论，研究了挠力河径流在过去50多年中的变化过程，阐明了其演变规律，明确了区域土地利用及景观格局变化对径流波动的驱动过程，初步评估了流域生态需水的供应能力。得到的主要结论如下：
1950s年以来挠力河四个水文站多年平均径流量呈减少趋势，但减少速度不同，红旗岭站减少的最慢。同1957年相比，保安站、宝清站和菜嘴子站2009年分别减少了64.1%、76.3%和84.3%。过去50多年中，保安、宝清和菜嘴子三个水文站春、夏、秋、冬四个季节径流量均呈现出下降趋势，其中春、夏、秋季减少尤为显著。挠力河流域径流变率不断降低。四个水文站K＜1的年份占有记录年份以来的51.7%~64.0%，且K＜1的年份主要集中在70年代之后。近50年来挠力河枯水年份要远多于丰水年份。挠力河丰枯水年循环周期发生了改变。丰水年出现频率减低，周期增长，而枯水年出现频率增加，枯水年出现的频率由25.0%~27.8%增加到83.9%~87.5%。近50年来挠力河径流量年际波动程度逐渐增大，发生洪旱灾害的风险增加。径流年内分配不均匀程度增加，水资源年内分布集中程度增加。近50年来挠力河保安站、宝清站和菜嘴子站径流演变呈现减少趋势，基本上突变点出现在上世纪60年代中后期，在70年代中后期和80年代初达到显著水平。
1954-2005年的50余年中挠力河流域土地利用变化的总体特征为：耕地和居民地与建设用地增加明显，而林地、草地、水域和未利用地面积都有不同程度减少，减少率分别为25%、70%、2%、82.9%，其中未利用地面积减少最多的为沼泽湿地，其中绝大部分转转化为耕地。1954-2005年间挠力河流域景观基质发生了很大改变。耕地成为挠力河流域主要的景观基质。1954-2005年间，挠力河流域景观格局复杂性降低，逐渐单一化和简单化。
随着垦殖时间的增加，挠力河径流量呈现出明显的减少趋势。挠力河流域湿地垦殖过程划分三个阶段：第Ⅰ阶段为1957-1977年间，第Ⅱ阶段为1977-1992年，第Ⅲ阶段为1992-2005年。不同垦殖阶段，保安、宝清和菜嘴子三个水文站径流量存在显著性差异。各个集水区中径流量变化与不同土地利用类型面积之间比例呈不同的关系。基本上，径流量的变化与耕地/林地、耕地/草地比例关系不大，而与耕地/未利用地比例关系密切。四个水文站集水区中，随着耕地/未利用地比例的增加，径流量均呈现出先增加后减少的趋势，径流减少的年份为1995年，这在菜嘴子站集水区尤为明显。沟渠数量的增加，将导致菜嘴子站春、夏、秋、冬季中流量变化明显。龙头桥水库的修建，减少了宝清站47%的径流量。降雨量与宝清站及菜嘴子径流量呈显著正相关关系。1950s以来，降雨量变化及人类活动对宝清站径流量减少的贡献为48.60%和51.40%，对菜嘴子站径流量减少的贡献分别为38.37%和61.63%。
2005年宝清站集水区中需水量为603.22mm，2005年降雨量为475.36mm，在不考虑其他用水份额的情况下，尚存在127.86mm的缺口，说明仅仅依靠自然降雨已经不能满足流域内生态用水和农业用水的需求。
Climate change and human activities have been the main driving forces forhydrological regime variations on local scale; especially the influences on land usechange on runoff fluctuation are greater than natural factors at basin level. In thepresent work, Naoli River Basin in Sanjiang Plain, Northeast China, were chosen asthe study area, and runoff variation in the past more50s years had been studied basedon long-time monitoring data of water flow and integrating GIS, remote sensing,theories and methods in Landscape Ecology. Runoff changing rules were revealed anddriving forces of land use change and landscape patterns on runoff were discussed.We also estimated preliminary the supplying abilities of eco-environmental water inNaoli River Basin. Some conclusions are gotten as followed:
In the recent50years, annual average runoff of four hydrological stations,bao’an (BA), baoqing (BQ), caizuizi (CZZ) and Hongqiling (HQL) station, showed andecreasing trends with different rate, of which the lowest rates was found in HQL.Compared with runoff in1957, runoff in2009of BA, BQ and CZZ had decreased by64.1%,76.3%and84.3%, respectively. In the past50years, seasonal runoff in BA,BQ and CZZ was in decreasing, of which was significant in spring, summer andautumn.
Runoff variation ratios (K) of Naoli River had been decreasing during1955-2009.in the four hydrological stations, numbers of years of K<1accounted for about51.7%~64.0%, and yeas of K<1mostly concentrated after1970s. Numbers of wetyears were much less than dry years. Circulation periods of wet to dry years hadchanged and frequencies of wet years decreased while appearing periods appeared,and frequencies of dry years rise greatly, from25.0%~27.8%to83.9%~87.5%.Annual runoff variation amplitudes were increasing and showing that risks of thearidity and flood disaster increased. Asymmetry of runoff in a year increased andwater resources concentrated in special month more and more. M-K test indicated thatrunoff trend was in decreasing in the past50years, while the revulsion occurred in themiddle and late1960s and reached to significant levels in middle-late of1970s andthe early1980s.
During1954-2005, Characteristics of land use in Naoli River were farmland andconstructed areas increasing inverse forestland, grassland, water areas and unusedland decreasing in different scopes with the decreasing rate of25%,70%,2%, and82.9%, respectively, of which the most decreased among unused land was marsh andmost of them were converted into farmland. During1954-2005, landscape matrixes ofNaoli River basin had changed greatly, and farmland had been the main landscape.Landscape complexities in Naoli River basin decreased, have been becoming singleand simple.
Runoff of Naoli River basin showed a remarkable decreasing trends withreclamation time, which could be divided into three stages. The first was1957-1977,the secondary was1977-1992and the third was1992-2005. Runoff of BA, BQ andCZZ stations differed in different in different reclamation time. In the sub-watershed,relationships between runoff variations with rations between different land types weredifferent. On the whole, ratios between farmland and forest, between farmland andgrassland were not significantly related to runoff variations, while ratios betweenfarmland and unused land were closely with runoff. In the four hydrological stations,runoff firstly increased and then decreased with the increasing of ratios betweenfarmland and unused land. Besides the land use change, increasing of channels inNaoli River basin had resulted in the seasonal runoff changing significantly in CZZstation. The construction of Longtouqiao reservoir had decreased the runoff in BQ by47%. Since1950s, contributions of runoff change and human activities on runoffdecreasing were48.60%and51.40%in BQ station, and38.37%and61.63%in CZZstation
In2005, the total eco-environmental water requirement amount was603.22mm,and the precipitation was275.36mm. There was about127.86mm water gap if otherwater requirement was not considered. This indicated that water requirement was notmet only depending on natural precipitation in Naoli River.
1950s年以来挠力河四个水文站多年平均径流量呈减少趋势，但减少速度不同，红旗岭站减少的最慢。同1957年相比，保安站、宝清站和菜嘴子站2009年分别减少了64.1%、76.3%和84.3%。过去50多年中，保安、宝清和菜嘴子三个水文站春、夏、秋、冬四个季节径流量均呈现出下降趋势，其中春、夏、秋季减少尤为显著。挠力河流域径流变率不断降低。四个水文站K＜1的年份占有记录年份以来的51.7%~64.0%，且K＜1的年份主要集中在70年代之后。近50年来挠力河枯水年份要远多于丰水年份。挠力河丰枯水年循环周期发生了改变。丰水年出现频率减低，周期增长，而枯水年出现频率增加，枯水年出现的频率由25.0%~27.8%增加到83.9%~87.5%。近50年来挠力河径流量年际波动程度逐渐增大，发生洪旱灾害的风险增加。径流年内分配不均匀程度增加，水资源年内分布集中程度增加。近50年来挠力河保安站、宝清站和菜嘴子站径流演变呈现减少趋势，基本上突变点出现在上世纪60年代中后期，在70年代中后期和80年代初达到显著水平。
1954-2005年的50余年中挠力河流域土地利用变化的总体特征为：耕地和居民地与建设用地增加明显，而林地、草地、水域和未利用地面积都有不同程度减少，减少率分别为25%、70%、2%、82.9%，其中未利用地面积减少最多的为沼泽湿地，其中绝大部分转转化为耕地。1954-2005年间挠力河流域景观基质发生了很大改变。耕地成为挠力河流域主要的景观基质。1954-2005年间，挠力河流域景观格局复杂性降低，逐渐单一化和简单化。
随着垦殖时间的增加，挠力河径流量呈现出明显的减少趋势。挠力河流域湿地垦殖过程划分三个阶段：第Ⅰ阶段为1957-1977年间，第Ⅱ阶段为1977-1992年，第Ⅲ阶段为1992-2005年。不同垦殖阶段，保安、宝清和菜嘴子三个水文站径流量存在显著性差异。各个集水区中径流量变化与不同土地利用类型面积之间比例呈不同的关系。基本上，径流量的变化与耕地/林地、耕地/草地比例关系不大，而与耕地/未利用地比例关系密切。四个水文站集水区中，随着耕地/未利用地比例的增加，径流量均呈现出先增加后减少的趋势，径流减少的年份为1995年，这在菜嘴子站集水区尤为明显。沟渠数量的增加，将导致菜嘴子站春、夏、秋、冬季中流量变化明显。龙头桥水库的修建，减少了宝清站47%的径流量。降雨量与宝清站及菜嘴子径流量呈显著正相关关系。1950s以来，降雨量变化及人类活动对宝清站径流量减少的贡献为48.60%和51.40%，对菜嘴子站径流量减少的贡献分别为38.37%和61.63%。
2005年宝清站集水区中需水量为603.22mm，2005年降雨量为475.36mm，在不考虑其他用水份额的情况下，尚存在127.86mm的缺口，说明仅仅依靠自然降雨已经不能满足流域内生态用水和农业用水的需求。
Climate change and human activities have been the main driving forces forhydrological regime variations on local scale; especially the influences on land usechange on runoff fluctuation are greater than natural factors at basin level. In thepresent work, Naoli River Basin in Sanjiang Plain, Northeast China, were chosen asthe study area, and runoff variation in the past more50s years had been studied basedon long-time monitoring data of water flow and integrating GIS, remote sensing,theories and methods in Landscape Ecology. Runoff changing rules were revealed anddriving forces of land use change and landscape patterns on runoff were discussed.We also estimated preliminary the supplying abilities of eco-environmental water inNaoli River Basin. Some conclusions are gotten as followed:
In the recent50years, annual average runoff of four hydrological stations,bao’an (BA), baoqing (BQ), caizuizi (CZZ) and Hongqiling (HQL) station, showed andecreasing trends with different rate, of which the lowest rates was found in HQL.Compared with runoff in1957, runoff in2009of BA, BQ and CZZ had decreased by64.1%,76.3%and84.3%, respectively. In the past50years, seasonal runoff in BA,BQ and CZZ was in decreasing, of which was significant in spring, summer andautumn.
Runoff variation ratios (K) of Naoli River had been decreasing during1955-2009.in the four hydrological stations, numbers of years of K<1accounted for about51.7%~64.0%, and yeas of K<1mostly concentrated after1970s. Numbers of wetyears were much less than dry years. Circulation periods of wet to dry years hadchanged and frequencies of wet years decreased while appearing periods appeared,and frequencies of dry years rise greatly, from25.0%~27.8%to83.9%~87.5%.Annual runoff variation amplitudes were increasing and showing that risks of thearidity and flood disaster increased. Asymmetry of runoff in a year increased andwater resources concentrated in special month more and more. M-K test indicated thatrunoff trend was in decreasing in the past50years, while the revulsion occurred in themiddle and late1960s and reached to significant levels in middle-late of1970s andthe early1980s.
During1954-2005, Characteristics of land use in Naoli River were farmland andconstructed areas increasing inverse forestland, grassland, water areas and unusedland decreasing in different scopes with the decreasing rate of25%,70%,2%, and82.9%, respectively, of which the most decreased among unused land was marsh andmost of them were converted into farmland. During1954-2005, landscape matrixes ofNaoli River basin had changed greatly, and farmland had been the main landscape.Landscape complexities in Naoli River basin decreased, have been becoming singleand simple.
Runoff of Naoli River basin showed a remarkable decreasing trends withreclamation time, which could be divided into three stages. The first was1957-1977,the secondary was1977-1992and the third was1992-2005. Runoff of BA, BQ andCZZ stations differed in different in different reclamation time. In the sub-watershed,relationships between runoff variations with rations between different land types weredifferent. On the whole, ratios between farmland and forest, between farmland andgrassland were not significantly related to runoff variations, while ratios betweenfarmland and unused land were closely with runoff. In the four hydrological stations,runoff firstly increased and then decreased with the increasing of ratios betweenfarmland and unused land. Besides the land use change, increasing of channels inNaoli River basin had resulted in the seasonal runoff changing significantly in CZZstation. The construction of Longtouqiao reservoir had decreased the runoff in BQ by47%. Since1950s, contributions of runoff change and human activities on runoffdecreasing were48.60%and51.40%in BQ station, and38.37%and61.63%in CZZstation
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引文
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