基于多元統(tǒng)計分析的喀斯特流域枯季最小日流量預(yù)測

基于多元統(tǒng)計分析的喀斯特流域枯季最小日流量預(yù)測

1枯季徑流規(guī)律授粉盆地是指由特殊的水處理介質(zhì)（可溶巖的雙重水處理介質(zhì)）和特殊的流域邊界（地表和地下的雙重水處理通道）組成的區(qū)域綜合體。獨特的地形、水系結(jié)構(gòu)和水文動態(tài)過程與地域一體化。因此,喀斯特流域與正常流域特別是濕潤地區(qū)常態(tài)流域相比,其流域空間的結(jié)構(gòu)、水系的發(fā)育、地貌景觀的形成和水文動態(tài)規(guī)律都有鮮明的差別。這種差異正是由于喀斯特流域獨特的結(jié)構(gòu)及由它所產(chǎn)生的功能效應(yīng)所致,其中之一就表現(xiàn)在喀斯特流域的枯季徑流規(guī)律上。對喀斯特地區(qū)的枯水規(guī)律,前人曾做過不少研究?？菁緩搅鞯挠绊懸蛩爻龤夂蛞酝?下墊面因素也是其中重要因素之一。本文擬借助于GIS軟件,從下墊面因素入手,分析空間尺度、巖性、地貌類型、森林植被等自然因素對喀斯特流域枯季徑流的影響,以揭示出喀斯特流域的特殊介質(zhì)結(jié)構(gòu)及地貌類型對枯季徑流影響的規(guī)律,為喀斯特地區(qū)水資源的評價利用等提供依據(jù)。2方法和數(shù)據(jù)的來源2.1基于arcwell軟件的地質(zhì)測量數(shù)據(jù)庫的建立方法地理信息系統(tǒng)(GIS)是近幾十年發(fā)展起來的地理研究的新技術(shù),是一種收集、存儲、處理和顯示地理空間數(shù)據(jù)及其非空間屬性的計算機工具,其核心是由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、圖像處理和空間分析工具三個基本部分構(gòu)成,具有地域綜合、空間分析、動態(tài)預(yù)測、圖形處理等多項功能,目前已在許多領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用。地理信息系統(tǒng)軟件Arcview是一種功能較為先進的軟件,該軟件可以進行空間分析、地址匹配、可生成和編輯屬性數(shù)據(jù)以及提供專題制圖等功能。本文正是利用了Arcview的空間分析功能來建立所需要的數(shù)據(jù)庫。具體方法是:把1∶20萬的貴州省綜合水文地質(zhì)圖掃描并經(jīng)Photoshop圖像處理,再利用Arcview軟件確定各流域的面積數(shù)據(jù)、流域內(nèi)的各巖組面積數(shù)據(jù),最后根據(jù)1∶10萬的貴州省地形圖,確定各流域的地貌類型及其所占的比例,建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。通過對流域下墊面各組成要素的定量分析,使下墊面類型的劃分更具有科學(xué)性和真實性,從而直觀形象地展現(xiàn)研究區(qū)下墊面的基本特征,達到定量分析之目的。2.2水文斷面和流域根據(jù)貴州省水文總站整編的《貴州省歷年水文特征值統(tǒng)計資料》,選用了其中觀測年數(shù)在10年以上的水文斷面共30個。流域面積一般以中小流域為主。森林植被覆蓋率資料來源于《貴州省森林資源地域分布情況》(屠玉麟等),其余資料利用Arcview軟件在貴州省綜合水文地質(zhì)圖上獲取。3復(fù)雜多樣的植被、土壤、復(fù)雜的植被、土壤等復(fù)雜的土壤喀斯特流域的下墊面因素,如巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地貌類型、植被土壤等復(fù)雜多樣,即使是在一個很小的流域內(nèi)下墊面的因素很難單一。在眾多的影響因素中,地質(zhì)、地貌等對喀斯特流域枯季徑流的影響特別明顯。3.1枯水退水規(guī)律流域面積是枯水徑流預(yù)測的最有效的因素,流域的空間尺度與枯水流量的相關(guān)程度(取對數(shù)后的線性相關(guān))很高(R=0.9128);在巖性方面,以灰?guī)r為主的流域的各相應(yīng)計算時段的枯季徑流模數(shù)最小,以白云巖為主的流域枯季徑流模數(shù)最大,以灰?guī)r和白云巖混合的流域枯季徑流模數(shù)居中。巖性對枯水退水過程有較大的影響,致使喀斯特地下水的衰減近似地表現(xiàn)出三個亞區(qū):第Ⅰ亞區(qū)代表管道級別的地下水,退水系數(shù)較大,第Ⅱ、Ⅲ亞區(qū)分別反映了裂隙級和孔隙級的衰減過程,退水系數(shù)較小。由于前人對空間尺度、巖性對枯季徑流影響已做過較多的研究,下面著重分析喀斯特流域的地貌類型對枯季徑流的影響。3.2水文效應(yīng)機制由于喀斯特流域巖性不同,其所發(fā)育的地貌類型也不同。流域不同喀斯特地貌結(jié)構(gòu)對水文的產(chǎn)、匯流和徑流過程將會產(chǎn)生不同的效應(yīng),這已被國內(nèi)外許多研究所解釋。而喀斯特流域地貌的水文效應(yīng)實質(zhì)是水文形成和徑流過程對流域地貌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的導(dǎo)、滯、蓄的狀態(tài)響應(yīng)。從這一點出發(fā),地貌類型的差異也將導(dǎo)致不同流域枯水特性,現(xiàn)從以下兩個方面進行探討。3.2.1枯季徑流特征選擇兩個流域荔波站(喀斯特地貌)和寨蒿站(非喀斯特地貌)。這兩個流域位于貴州省東南部,氣候條件基本相同,且森林覆蓋率也相差不大。利用Arcview軟件在貴州省綜合水文地質(zhì)圖上提取所需的信息,即流域內(nèi)的各地貌類型,生成專題地圖,由Layout進行圖像顯示,如圖1所示。荔波站所控制的流域,以喀斯特地貌類型為主,有峰叢洼地、峰叢谷地、峰林溶原、半喀斯特低、中山,其中以峰叢谷地為主,面積占42.62%。而寨蒿站流域,基本以非喀斯特地貌淺切低山為主。兩者所產(chǎn)生的枯季徑流特征如表1所示。從表1中可以看出:喀斯特流域所控制的流域枯季最小日、旬、月徑流量和徑流模數(shù)較非喀斯特流域小,而枯季最小日、旬、月徑流變差系數(shù)比非喀斯特流域大。3.2.2半喀斯特地貌類型在流域中所占面積的統(tǒng)計結(jié)果由于喀斯特地區(qū)有峰叢洼地、峰叢谷地、峰林溶原(盆地)、峰林谷地、以及半喀斯特等多種地貌類型,這些喀斯特地貌類型的差異性也會影響枯季徑流的特征值。在30個樣區(qū)中選擇織金、荔波等四個流域分別代表典型的峰叢洼地、峰叢谷地、峰林溶原(盆地)、和半喀斯特地貌類型,對其地貌類型在流域中所占的面積進行統(tǒng)計,并與其枯水特征值對比,結(jié)果如表2所示。從統(tǒng)計結(jié)果來看,第一,在喀斯特地貌類型中,以峰叢洼地為主的流域,各響應(yīng)計算時段的枯季徑流模數(shù)最小,以峰林溶源(盆地)為主的流域,枯季徑流模數(shù)相對較大;第二,當(dāng)流域中具有較多的不純的碳酸鹽巖或碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖相互交錯在一起時(即半喀斯特類型),有時反而具有較大的枯季徑流模數(shù);第三,各計算時段的枯季徑流變差系數(shù)在峰叢地貌地區(qū)較大,而在峰林溶原地區(qū)較小。顯然如果僅僅依靠以上四個流域尚不能說明這些規(guī)律的普遍性,但是作者通過對30個樣區(qū),利用Arcview軟件計算流域中各地貌類型的面積及其百分比,再通過多元統(tǒng)計進行聚類分析,發(fā)現(xiàn)各地貌類型與其枯水徑流特征值的關(guān)系規(guī)律與上述也是一致的。3.4森林植被對河流徑流的影響森林植被影響水文過程、促進降雨再分配、影響土壤水分運動、改變產(chǎn)流匯流條件,進而在一定程度上起到削減洪峰、增加枯水徑流,控制土壤侵蝕,改善河流水質(zhì)的作用。從國內(nèi)外研究來看,森林植被對河流徑流的影響存在著不同的結(jié)論,張福義認為植被率大的流域,其枯季徑流一般較大而穩(wěn)定;而Hornbeck.J.W(1970)在新英格蘭進行了實驗結(jié)果表明,當(dāng)流域的植被被清除或阻止植被生長時,流域的年徑流量會增加,而且所增加的量主要發(fā)生在枯季。在喀斯特流域,森林植被的變化如何影響枯季的徑流量,至今還未見研究。由于喀斯特流域的下墊面因素較復(fù)雜,從單一的植被因素分析其對枯季徑流的影響,誤差將會較大,因此,本文在考慮各因素對枯季徑流的影響時,也考慮了植被的作用。4上地殼下低水勢梯度模型從以上單因素對枯季徑流的影響分析結(jié)果可以看出,各因素對枯季徑流量并不是呈明顯的線性關(guān)系。由于各因素之間相互影響,相互制約,共同影響著枯季徑流量,因此一些研究者曾定性地描述了影響枯季徑流的各自然因素,或分別以地貌、地質(zhì)、氣候和地形等作為參數(shù)建立枯系徑流流域水文模型,而RichardMVegel(1992)則從地質(zhì)水文的角度建立如下的數(shù)學(xué)模型:Qd,T=b0X1b1X2b2X3b3(1)Qd,T—T年中d天的最小枯季徑流量;Xi-流域的特征值;bi—參數(shù)該模型反映了在各因素共同對枯季徑流量的影響。利用該模型可以對枯季經(jīng)流進行枯水預(yù)測?；谏鲜瞿Ｐ?本文選擇流域面積(X1)、碳酸巖面積在流域中的百分比(X2)、主要地貌類型在流域中的百分比(X3)和森林覆蓋率(X4)四個特征值來計算流域多年平均最小日流量(Qo),其數(shù)學(xué)模型如下:Q0=b0X1b1X2b2X3b3X4b4(2)對方程(2)兩邊取對數(shù),轉(zhuǎn)化為多元線性回歸方程:LnQ0=Lnb0+b1LnX1+b2LnX2+b3LnX3+b4LnX4(3)利用最小二乘法原理進行參數(shù)bi估計。原始數(shù)據(jù)主要利用Arcview軟件從水文地質(zhì)圖上獲取,建立數(shù)據(jù)庫(如表3中的第5～7欄),根據(jù)樣本的特性,現(xiàn)將流域分為峰叢和峰林兩大地貌類型區(qū)來建立數(shù)學(xué)模型。把表3的數(shù)據(jù)按方程(3)進行轉(zhuǎn)化,再利用SPSS軟件進行多元統(tǒng)計,計算結(jié)果如下:峰叢地區(qū):LnQ0=1.075LnX1+0.859LnX2-0.431LnX3-0.191LnX4-0.961Q0=0.383X11.075X20.859X3-0.431X4-0.191(4)峰林地區(qū):LnQ0=1.357LnX1-1.219LnX2+1.041LnX3-0.167LnX4-0.0177Q0=0.982X11.357X2-1.219X31.041X4-0.167(5)為了判定回歸方程(4)和(5)所有的自變量對因變量的影響的顯著性,本文采用F檢驗,由SPSS計算的F值與對于給定置信度α(α=0.05)所查出的臨界值進行比較:F峰叢=6.8>f(4,6)=4.5F峰林=20.23>f(4,3)=9.12由此可以看出,上述兩方程中個各自變量X對Q0的影響是顯著的,而且它們的多元相關(guān)系數(shù)R2分別為0.82和0.96。這說明在喀斯特地區(qū),各下墊面因素對枯季最小日流量有著顯著性影響。當(dāng)然,在不同的流域,由于地質(zhì)、地形、地貌等因素的不同,其對枯季徑流影響的程度不同。從檢驗的結(jié)果和多元相關(guān)系數(shù)來看,方程(5)要比方程(4)的可靠性更高,由此可以認為在峰叢地區(qū)影響枯季最小日徑流量的因素要比峰林地區(qū)復(fù)雜得多。另外,利用方程(4)和(5)可以對無觀測站地區(qū)進行枯季最小日流量估計或預(yù)測。5墊面及地貌(1)喀斯特流域內(nèi)的空間尺度、巖性和地貌類型等各自然因素對枯