基于降雨径流资料对黄土高原高塬沟壑区径流系数的模拟研究

李胜曙，鲜 冰，李明达

(四川农业大学， 四川 雅安 625014)

0 前 言

径流系数是指时段内流域径流量R与同期降水量P的比值，公式为a=R/P[1]，它能综合反映流域地理环境对降雨径流形成的影响，以及流域内水循环的程度，较好地检测水循环随时间的变化，并在一定程度上反映人类活动的影响[1]。因此，有学者认为，可以把径流系数当成一个随机变量，它的变化是对流域气候物理机制的一种反映[2]。可见，径流系数对研究流域情况有着重要的意义，国内外学者也做了大量的研究。

宫爱玺等以大清河水系的四个典型子流域为研究对象，分析了 1956～2005 年的年径流系数变化趋势和突变特点。结果表明，降雨因素是径流系数变化的主导因素[3]。王兆礼等分析了东江流域径流系数年际变化特征及其对气候变化与植被覆盖变化的响应。结果表明，降水与蒸发是影响流域径流系数的主要气候要素[4]。郭华等通过研究鄱阳湖流域近50年的径流系数得出降水量、气温和蒸发量是影响径流系数的主要因素。Chen等研究了黄河发源地的气候因子对径流系数的影响。结果表明，降雨和温度是影响径流系数的主要因素[5]。孙明等的研究也得出降雨极值强度与径流系数呈线性关系[6]。有研究指出，降雨量的时空分布也对径流系数产生了影响[7]。由此可见，国内外的研究均表明，气候因子对流域的径流系数有着较为显著的相关性[1，8-9]。

除了气候因素的研究外，国内外对流域特征因素的影响研究也较多。李广等利用人工降雨模拟器，通过不同的土地利用方式的区组实验，研究得出不同的植被覆盖对径流系数的影响显著[9]。张洪江等利用灰色理论对重庆缙云山不同植被类型的草本层盖度、枯落物厚度、灌木层盖度和郁闭度影响地表径流的因素进行了灰关联分析，得出不同植被覆盖对径流系数的影响大小不同。武晟等通过研究城市三种不同的下垫面条件下径流系数的变化，分析得出不同下垫面在相同降雨条件下的径流系数不同[10]。宫爱玺等对大清河水系的四个典型子流域的研究也表明，下垫面要素中的草地、耕地和建设用地对径流系数的变化具有一定的影响[3]。Basic等则研究分析了不同耕作方式下的径流状况和土壤流失情况[11]。许翼等基于人工降雨模拟方法，得出小区尺度下坡长、坡度等因素对径流系数均有影响[8]。由此可见，植被覆盖、流域形状、流域下垫面等因素均对径流系数有影响，国内外的众多学者得出的结论也较为一致[4，12]。

由此可见，产流过程是一个比较复杂的问题，径流系数的大小与降雨量、植被、前期土壤湿度、土壤理化性质、地形地貌等因素密切相关[3]。还有研究指出，人类活动等因素也对径流系数有影响[13-14]。

研究径流系数的影响因素并建立计算模型，对黄土高原流域的水土保持工作、区域水资源、水循环以及洪涝灾害的分析有着重要的意义[13，15]。本文拟从收集的流域特征和降雨特征因素中，选取合适的因子进行相关性分析，并建立回归方程。

1 研究区域概况

黄土高原位于中国中部偏北，面积约62.68×104km2，属于典型的大陆性季风气候，冬季寒冷，夏季温暖潮湿，雨热同步，年均气温3.6 ℃～14.3 ℃，年降水量150～750 mm，降水集中在7～9月，且降水强度大。由于长期的开发利用，加之植被覆盖率较低，黄土高原水土流失面积达43×104km2、水土流失严重的面积为28×104km2、特别严重面积为10×104km2，水土流失现象十分严重[16-17]。

2 数据与方法

2.1 数据来源

降雨径流资料从山西省、陕西省、甘肃省及黄河水利委员会水土保持实验站公开出版的径流实测资料中获取，共收集到17个小流域608场降雨径流资料，以及各小流域的流域面积、主沟长度、沟道比降、流域形状系数等因子。

2.2 试验方法

通过收集到的608场降雨径流资料和各小流域的特征因子，并利用SPSS软件分析各因子与径流系数的相关性，并选取相关性较大的因子建立回归模型。

3 结果分析

3.1 相关性分析

利用SPSS软件将黄土高原高塬沟壑区所收集到的8个影响因子与对应径流系数的相关性进行分析，结果见表1。

表1 黄土高原高塬沟壑区径流系数与影响因子的相关性

注：**表示P<0.01(极显著相关)，*表示P<0.05(显著相关)。

根据软件分析的结果看出，根据收集到的数据来看，在黄土高原沟壑区，流域的径流系数与平均雨强、径流总量和洪峰流量呈显著相关，最大达到了0.45的水平。但是与其余的影响因子特别是流域特征因素的因子相关性较差，这与部分前人的研究结果有所出入。经过对比相关文献发现，一次强降雨时，雨水的冲击力能直接搬运土粒，导致土壤表面结构破坏、土壤孔隙堵塞、入渗减少，从而加剧径流冲刷侵蚀作用，在引起土粒直接飞溅的同时，也会改变土壤抗蚀强度，影响地面产流[18]，径流系数与雨强、洪峰流量等呈极显著相关，则与前人研究一致[14-15，19-20]。因此根据相关性分析结果，本文将选择平均雨强、径流总量与洪峰流量作为参数，建立预测模型。

3.2 黄土高原高塬沟壑区径流系数预测模型

利用SPSS软件，基于608场降雨资料通过非线性回归方法建立径流系数的预测模型，结果如下：

a=0.007I0.46W0.113Q0.322(R2=0.289)

式中，a为径流系数；I为平均雨强，mm/h；W为径流总量，m3；Q为洪峰流量，m3/s。将原数据带入模型中，求得模拟值，并用模拟值和实际值绘制散点图以检验模拟效果(见图1)。根据图1可以看出，模型模拟效果较好，特别是在径流系数小于0.2时，散点分布在1:1线左右较为均匀，当径流系数大于0.2时，模拟值偏小。

图1 径流系数实际值与模拟值比较

4 结 论

流域产流是一个复杂的过程，受到多方面因素的影响，本次实验收集到的9个影响因子与径流系数的相关性分析中，仅有3个呈极显著相关且随其增大而增大，而与其余因子相关性较差，特别是与流域特征因素相关性较差，这与部分前人的研究成果有所出入。经查阅文献分析得出，这是因为雨水的冲击力影响了流域的产流过程，说明除了流域特征因素与气候因素外，可能还有其他因素影响着流域的径流系数；也说明了对于不同流域的径流系数的影响因素要进行具体分析，找出具体的影响因子，才能准确地预报流域径流系数，从而方便人们的生产生活。