徑流系數(shù)影響因素分析

賴春羊， 鄭哲韜， 邱潔坤， 鮮 冰

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)， 四川 雅安 625014)

0 前 言

徑流系數(shù)是水文學(xué)中的概念，是指時(shí)段內(nèi)流域徑流量R與同期降水量P的比值，公式為：a=R/P[1]。由于流域特征變化以及不同時(shí)期降雨特征的差異，徑流系數(shù)在不同年份里有所不同，具有不確定性。但是多年平均的徑流系數(shù)則相對穩(wěn)定，可以很好地表征流域內(nèi)的水循環(huán)特點(diǎn)，以及水文特征的時(shí)空變化，因此，徑流系數(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，并成為國內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)。有學(xué)者認(rèn)為，徑流系數(shù)作為一種隨機(jī)變量，能較好地反映流域氣候物理機(jī)制[1-2]。目前，關(guān)于徑流系數(shù)的影響因素，國內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)論較為一致，即：徑流系數(shù)主要受流域地形地貌特征、下墊面狀況及氣候因素的影響。比如，郭華等注意到1995～2002年中，潘陽湖流域的徑流系數(shù)出現(xiàn)了顯著變化，且變化具有顯著的突變性和階段性。通過研究1955～2002年間潘陽湖流域的氣象資料，發(fā)現(xiàn)該時(shí)期內(nèi)的徑流系數(shù)變化趨勢以及突變點(diǎn)與氣候因子的變化吻合，從而得出氣候因素仍是影響流域降雨徑流系數(shù)的主要因素[1]。而劉健等對近50年潘陽湖流域徑流變化特征進(jìn)行研究，也得出了相同的結(jié)論[3]。宮愛璽等則選取了大清河水系并利用多元線性回歸分析方法，對大清河的四個(gè)子流域(紫荊關(guān)、城頭會、阜平和張坊)近50年的降雨資料進(jìn)行研究，結(jié)果指出降雨因素對于徑流系數(shù)的變化影響最大，同時(shí)下墊面變化也對年徑流系數(shù)產(chǎn)生一定的影響，尤其是草地、耕地和建設(shè)用地的變化對年徑流系數(shù)影響較為明顯[4]。

由此可見，氣候因素和流域特征因素是影響流域降雨徑流系數(shù)的主要方面，本文將從這兩個(gè)方面分別總結(jié)前人的研究，為進(jìn)一步分析徑流系數(shù)的影響因素提供參考。

1 氣候因素

大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為氣候因素對于流域降雨產(chǎn)流、流域降雨徑流系數(shù)起到主要的作用。比如Chen L等通過研究黃河發(fā)源地的氣候因素對徑流系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)降雨和溫度是影響徑流系數(shù)的主要因素[5]。郭華等[1]，劉健等[3]則通過對潘陽湖流域近50年的水文氣象資料研究分析發(fā)現(xiàn)了相同的結(jié)果。

氣候因素對徑流系數(shù)的影響，國內(nèi)外學(xué)者研究較多，基本上是通過對已有水文氣象資料的分析或人工模擬的方法進(jìn)行分析研究。其中對于氣候因素中的降雨量、雨強(qiáng)、降雨歷時(shí)、蒸發(fā)量等的研究較多。郭華等基于1955～2002年潘陽湖流域的資料，利用奇異譜分析方法(SSA，Singular Spectrum Analysis)，以10 a為嵌入維數(shù)，并通過重建序列趨勢項(xiàng)消除數(shù)據(jù)噪音的方法，研究了資料中數(shù)據(jù)突變的原因，并利用CUSUM統(tǒng)計(jì)量和“解靴”算法進(jìn)行了顯著性水平檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)降水量與流域內(nèi)各小流域徑流系數(shù)的相關(guān)性均達(dá)到了顯著相關(guān)的水平，蒸發(fā)量對于徑流系數(shù)也具有一定的影響，但明顯較降水量弱[1]。鄧珺麗等則利用1967～2006年太子河流域的氣象水文資料分析了太子河流域6個(gè)主要支流中，氣候因素對流域與徑流系數(shù)的影響，結(jié)果顯示年降水量對年徑流系數(shù)影響極為顯著[6]。宮愛璽等選取大清河水系的4個(gè)典型子流域，運(yùn)用滑動平均和M-K檢驗(yàn)分析了大清河流域的年徑流系數(shù)變化趨勢和突變特點(diǎn)，結(jié)果顯示降雨因素是徑流系數(shù)變化的主導(dǎo)因素[4]。魏小燕等通過人工模擬降雨的方法，研究了高羊茅草地地表徑流系數(shù)的影響因素，結(jié)果指出雨強(qiáng)與徑流系數(shù)相關(guān)[7]。李廣等同樣用人工降雨模擬器，定量研究了黃土丘陵區(qū)降雨雨強(qiáng)對徑流系數(shù)的影響，結(jié)果表明雨強(qiáng)與徑流系數(shù)呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系[8]。孫明等則利用太谷均衡實(shí)驗(yàn)站的資料分析得出降雨極值強(qiáng)度與徑流系數(shù)呈顯著的線性相關(guān)，且徑流量的大小主要取決于降雨極值強(qiáng)度[9]。王兆禮等則通過分析東江流域1956～2005年的水文氣象資料指出降水和蒸發(fā)是影響流域徑流系數(shù)的主要?dú)夂蛞蛩豙10]。許申來等研究岷江上游黑水河流域相關(guān)資料后得出了相同的結(jié)論[11]?？梢妼τ跉夂蛞蛩貙τ趶搅飨禂?shù)的影響，目前研究較多而且結(jié)果也較為一致[12-14]。鑒于流域徑流系數(shù)與氣候因素存在緊密聯(lián)系，徑流系數(shù)在流域水文預(yù)報(bào)中得到廣泛運(yùn)用，如田永宏等分析黃丘一區(qū)的暴雨洪水資料后指出降雨量、雨強(qiáng)、降雨過程是決定流域產(chǎn)流的主要因素，并建立了小流域一次降雨條件下的產(chǎn)流計(jì)算式：M=B0IB1PB2。其中，M為一次降雨流域產(chǎn)流模數(shù)，P為一次降雨的雨量，I為一次降雨的權(quán)重降雨強(qiáng)度，B是與下墊面條件有關(guān)的小流域產(chǎn)流系數(shù)[15]。

2 流域特征因素

流域特征對產(chǎn)流過程具有較大的影響，從而影響到流域徑流系數(shù)。武晟等利用模擬降雨系統(tǒng)，研究了城市中幾種典型下墊面對徑流系數(shù)的影響，結(jié)果指出在相同降雨條件下，3種弱透水性下墊面按徑流系數(shù)由大到小依次為：不透水磚、SBS、水泥路面[16]。宮愛璽等通過對大清河水系典型子流域的研究也表明草地、耕地和建設(shè)用地的面積變化對徑流系數(shù)具有一定的影響[4]。對于流域特征因素，國內(nèi)外學(xué)者研究較多的有植被覆蓋率、植被類型、土地利用類型、坡度、溝道密度等。其中對植被的影響研究最多，相關(guān)文獻(xiàn)豐富，主要涉及植被覆蓋率、植被類型等對產(chǎn)流的影響。Kang S等研究了裸土及不同植被覆蓋率和耕作方式下各種坡度坡長上的降雨徑流關(guān)系[17]。李文華等[18]、石培禮等[19]也對植被覆蓋率對產(chǎn)流的影響進(jìn)行了研究。吳希媛等通過模擬降雨實(shí)驗(yàn)，研究得出植被覆蓋率隨植被類型和植被生長階段的不同而變化，而不同的植被覆蓋率對入滲和徑流產(chǎn)生影響的途徑不同[13]。魏小燕等則通過研究高羊茅草地在不同覆蓋率下的徑流系數(shù)并與裸地作對照，得出覆蓋率對流域產(chǎn)流有影響，且高羊茅草地地表徑流系數(shù)隨著覆蓋率的增加而降低[7]。王兆禮等在對東江流域的研究中也指出植被覆蓋率對徑流系數(shù)起到間接影響的作用[10]。張喜等則采用了固定樣地定位監(jiān)測的方法，對黔中喀斯特山地不同森林類型對地表徑流的影響進(jìn)行了研究，得出不同森林類型與覆蓋度對徑流系數(shù)均有影響，且因降雨量的原因與季節(jié)變化有關(guān)系[20]。時(shí)忠杰等則利用GIS技術(shù)對寧夏六盤山區(qū)香水河小流域的資料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)受植被類型的影響，徑流系數(shù)以人工林最大, 灌叢次之, 亞高山草甸最小[21]。張洪江等為了探討植被類型的影響，通過灰色理論對重慶縉云山不同植被類型的草本層蓋度、枯落物厚度、灌木層蓋度和郁閉度影響地表徑流的因素進(jìn)行了灰關(guān)聯(lián)分析[22]。許申來等通過GIS技術(shù)，對岷江上游的黑水河流域進(jìn)行了研究，探討了不同景觀結(jié)構(gòu)小流域的多年平均徑流系數(shù)，得出不同土地利用類型組合下徑流系數(shù)的大小關(guān)系[11]。楊新兵等[23]、張發(fā)會等[24]更是從動態(tài)角度研究了植被變化對徑流系數(shù)的影響。除了對植被的影響進(jìn)行了大量研究外，國內(nèi)外學(xué)者還對其他流域特征因素的影響進(jìn)行了研究。如李廣等利用人工降雨模擬器設(shè)計(jì)不同土地利用方式的區(qū)組實(shí)驗(yàn)，研究了土地利用對產(chǎn)流的影響[8]。Basic F等分析了不同耕作方式下的徑流情況和土壤流失狀況[25]。許翼等研究指出，坡長和坡度對徑流系數(shù)有影響[12]。吳希媛等也得出了相同的結(jié)論[13]。

有學(xué)者就氣候因素和流域特征因素對徑流系數(shù)的影響進(jìn)行了綜合的研究。宮愛璽等的研究指出產(chǎn)流過程是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，徑流系數(shù)的大小與降雨量、植被、前期土壤濕度、土壤理化性質(zhì)、地形地貌等因素密切相關(guān)[4]。王浩等則收集了黃土高原小流域有關(guān)資料，將流域面積、流域主溝道長度、主溝道比降、降雨量、降雨歷時(shí)、平均降雨強(qiáng)度、流量等因素與流域徑流系數(shù)進(jìn)行了相關(guān)性分析，得出流域面積、流域狹長度、降雨量及平均雨強(qiáng)是影響小流域次降雨徑流深的主要因素，并用回歸分析的方法建立了徑流深預(yù)報(bào)模型。

除了氣候因素和流域特征因素外，還有學(xué)者指出流域徑流系數(shù)與人類的活動有關(guān)[6，15]。

3 結(jié) 語

徑流系數(shù)因?yàn)槠渲匾纳a(chǎn)實(shí)踐意義，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，也進(jìn)行了大量的研究。通過本文的分析，目前研究結(jié)果大致可分為氣候因素和流域特征因素兩大類，其中主要研究的有氣候因素中的雨量、雨強(qiáng)、降雨歷時(shí)、蒸發(fā)，流域特征因素中的植被覆蓋、植被類型、坡度、坡長、流域形狀等。但由于受到多方面因素的影響，流域的產(chǎn)流過程十分復(fù)雜，單純從氣候因素或者流域特征因素，甚至是從其中的個(gè)別因子進(jìn)行研究，無法準(zhǔn)確地對流域徑流系數(shù)進(jìn)行研究與預(yù)報(bào)，從而影響流域的水土保持、水資源管理等工作。放眼國內(nèi)外的研究可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)者們大多基于少數(shù)幾個(gè)因子對徑流系數(shù)進(jìn)行研究，鮮有從多方面、多角度對流域降雨徑流系數(shù)進(jìn)行研究的。因此本文列舉出目前研究較多的影響因素，以供下一步更加全面地對流域降雨徑流系數(shù)影響因素的研究。此外，流域徑流系數(shù)受流域各種因素影響，地域性極強(qiáng)，后續(xù)研究中，應(yīng)著重關(guān)注各重點(diǎn)流域徑流系數(shù)相關(guān)研究，建立徑流系數(shù)預(yù)報(bào)模型，為流域水文預(yù)報(bào)、水資源管理等工作提供科學(xué)依據(jù)。