“降水—水土保持—径流”统计模型在辽宁大凌河流域水土保持效应分析中的应用研究

王 锁

水土保持行为、措施不仅会对区域河床径流量产生一定的影响，而且会导致区域土地利用与覆盖范围、水文过程效应发生明显变化。所以，做好区域“降水”、“水土保持”与“径流量”之间的关系变化分析工作，对于研究区水土保持规划决策具有重要意义[1]。国内相关学者目前主要采用水文法和水保法两种研究方法就区域流域尺度水土保持措施对年径流量的影响进行研究。前者主要以研究区降水、径流实测和历史资料(水土保持措施实施前)为依据。通过构建降水——径流经验关系模型，然后将降水、径流实测和历史资料(水土保持措施实施后)代入该统计模型。当河道下垫面条件不变时，对实际形成的水量进行分析并计算水量值之间的插值，最终的结果即可视为区域水土保持措施实施后所引起的水文效应[1]。早期在水文生态系统较为单一的情况下，这一方法具有一定的适用性，但是其弊端是只考虑了区域降水条件的变化，而缺乏对当地其它水文指标进行系统、科学考量。因此，最终计算结果数据会出现较大偏差，计算精度和可信度不高。而水保法主要是通过现场试验，以各项水土保持措施指标为数据观测资料，然后按各指标的重要性权重进行排序，根据不同指标在区域水土保持中所起的蓄水效应大小进行定量评估。这种方法即使具有一定的科学性，但其依然缺乏系统的指标来阐明区域降水、径流量产流过程中各要素之间的内在联系[2]。

1 流域概况

大凌河流域位于辽宁省西部区域，全长接近400 km，它是辽西地区最大的河流，总流域面积达2.35万 km2。流域内主脉贯穿辽西、大小支系纵横交错，东南汇入渤海，年降水量达450～600 mm，年均径流量为16. 67亿 m3。近年来，该区域水土流失现象严重，自然灾害频发。自从上世纪30年代以来，该区域先后已接连发生过8次较大洪水灾害[3]。该流域内广泛分布着阎王鼻子水库、宫山嘴水库、菩萨庙水库等中、小型水库等。国家和地方政府为了防治该区域出现的严重水土流失问题，同时为了全面保护水库中的水质，20世纪80年代以来，在大凌河流域开展了大规模的水土保持综合治理实践活动，主要以造林为主[4]。截止2016年底，大凌河流域通过实施水土保持措施，累计保存下来的区域面积约为2 735.69 km2。其中，修筑水平梯田5 620.68 hm2，造林255 940.80 hm2。

2 原始数据资料来源与处理

本研究主要通过对大凌河流域内14个雨量站的年降水量观测资料进行分析，从而选取了1972年-2016年的区域年平均降水量数据资料；区域径流量数据资料主要来自于大凌河流域出口控制站1972年-2016年的年径流量观测数据体系；此外，从辽宁省朝阳市水务局《水利综合统计年报》中获取该研究区水土保持数据农业、工业及生活用水量数据[5]。为了系统描述大凌河流域相关水土保持措施对区域年径流量产生的影响，本研究通过对该流域出口控制站1972年-2016年的历年实测数据进行还原，在消除工业、农业及生活用水量对区域实测径流量所产生的影响基础上，尽可能得到客观、真实的区域径流量数据。数据资料处理过程如下：

通过极差标准化处理，消除区域降水量、水土保持措施面积及径流量三大量纲之间的差异，确保不同指标之间的数据分布特征更加明显。具体公式如下：

式中：xij′表示任一变量；xj表示第j列中的值；其中，i=1，2，…，n；j=1，2，…，n。

3“降水—水土保持—径流”统计模型在流

域的具体应用分析

3.1 统计模型构建

基于数理统计学方法，本文以大凌河流域为研究对象，对该研究区1972-2016年45a的还原年降水量、径流量和逐年水土保持面积数据进行分析。通过综合区域降水、水土保持和径流之间的关系，发现大凌河流域水土保持面积(ASWC)、降水量(P)与还原径流量(R)之间的线性相关系数为-0.361和0.790，大凌河流域水土保持面积与区域年降水量之间的线性关联系数为-0.021。

所以，结合线性回归分析结果可知，大凌河流域水土保持面积(ASWC)变量与降水量(P)之间相互独立，且与大凌河流域还原径流量(R)这一变量之间具有较强的关联性，由此可构建大凌河基于降水、水土保持和径流三个变量之间的线性回规统计模型，详细如下：

R=0.790-0.361P-0.021ASWC(r2=0.370)

式中：R为大凌河流域还原年径流量，亿m3；p为大凌河流域年降水量，mm；ASWC为大凌河流域年水土保持面积，hm2；

另外，通过线性回归分析，该统计模型的负相关系数和F值以及线性关联性水平分别为0.901、50.121及0.0009。

3.2 统计结果评价分析

(1) 上述线性回规模型表明，大凌河流域年径流量随着区域降水量不断减少而减少，随着区域植树造林等水土保持措施不断增多而增加[6]。为了进一步简化计算结果，令大凌河流域水土保持面积ASWC=0,则通过比较该研究区只受降水影响的径流量模拟值与还原值可知，1972年-2016年这45年中，1982年-2006年该区域模拟径流量过程曲线基本处于区域还原径流量过程曲线之上，由此说明，大凌河流域径流量的变化不仅仅受区域降水量这一单一因素影响[7]。

(2) 在上述模型中引入水土保持面积ASWC这一变量后，即当ASWC≠0时，再次对大凌河流域还原径流量过程曲线与模拟径流量过程曲线之间的波动变化差异进行分析对比，发现二者存在很大差异，由此进一步表明大凌河流域通过实施水土保持措施，对当地径流量调节变化起到了积极作用。其中，在1972-2016年这45年中，1972-1991年还原径流量与计算模拟径流量之间的过程波动变化曲线差异较小，而1992-2016年上述两条曲线的波动变化幅度较大。由此说明，随着生态环保政策的实施，当地政府及人民对大凌河流域水土保持措施实施的重视程度日益加强，由此使水土保持行为对当地径流量变化带来的调节作用也越来越大[8]。

4 水土保持措施的减水效应研究

为了进一步理清流域年径流量变化对区域降水量因素的影响程度，本文假设大凌河流域逐年林地和梯田等水土保持面积不变[9]。通过分析可知，年降水量每下降1个单位，流域径流量则随之下降0.361个单位；假设大凌河流域内的年降水量保持不变，则通过分析可知，当地水土保持中逐年增加的林地和梯田面积每增加1个单位，则流域年径流量也随之减少0.021个单位。由此表明，大凌河流域内降水量因素受当地径流量变化的影响更为明显。结合大凌河流域1972-2016年45年间的相关降水、径流和水土保持等水文历史数据资料，采用如下区域水土保持措施减水效应计算公式进行计算：

式中：RP为模拟的天然降水产流量，亿m3；RO为经部分还原的河川径流量，亿m3；ESWC为水土保持减水效应系数。

通过计算，分别可以得到大凌河流域1972-2016年各个时段的水土保持减水效应系数。其中，1972-1981年、1982-1991年、1993-2002年、2003-2007年、2008-2016年几个时段的ESWC值分别为2.63、3.40、29.02、6.72和50.03。从上述几组数据对比结果中不难看出，1972年-2016年各个时段大凌河流域水土保持减水效应非常显著。由此说明，通过大规模的水土保持措施可改善区域生态环境状况，合理调节径流，增加流域内的产水量[10]。

5 结语

综上可知，目前业内关于不同时段、不同区域水土保持措施对河床径流量的影响研究，焦点主要集中于区域流域生态建设与下游水资源供给之间的矛盾方面。通过对该问题进行系统、深入研究，能够进一步帮助区域进行水资源合理调度和分配，同时有助于构建研究区水资源变化与水流域综合治理之间的相互协调机制。在此过程中，基于科学的水文模型对区域水土保持措施的积极效应进行定性描述定量评估，是该研究领域的重点也是难点。所以在此背景下，本文基于“降水—水土保持—径流”模型，通过对辽宁省大凌河流域水土保持措施效应进行分析，以期为区域水资源管理与保护提供有益参考。

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