渭河流域氣候變化與人類活動對徑流的影響

畢彩霞，穆興民，2?，趙廣舉，2，白樺

(1.中國科學(xué)院 水利部水土保持研究所，712100，陜西楊凌;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，712100，陜西楊凌;3.南昌工程學(xué)院水利與生態(tài)工程學(xué)院，330099，南昌)

近年來，由于水資源短缺、旱澇災(zāi)害頻發(fā)、水環(huán)境不斷惡化等問題日益突出，氣候變化和人類活動對徑流變化的影響研究已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界及政府部門的極大關(guān)注，并成為水文學(xué)與水資源研究的熱點之一。其中的關(guān)鍵問題是如何有效地分離和辨析氣候變化和人類活動作用的大?。?］。目前評估氣候變化對徑流影響的方法主要分為3類［2］，即流域?qū)Ρ确ār間序列分析法和水文模型法。流域?qū)Ρ确ㄊ切×饔蜓芯恐邢龤夂蜃兓绊戄^為有效的方法，但難以應(yīng)用到中大尺度的流域;時間序列法基于統(tǒng)計方法分析實測的水文氣象數(shù)據(jù)，目前被廣泛應(yīng)用，但是該方法在分析氣候變化對徑流的影響時，只考慮到降水因子的變化，而忽略了蒸散量對徑流的影響;水文模型法，尤其是分布式水文模型不僅對數(shù)據(jù)的要求高，而且本身存在大量難以獲取的參數(shù)。M.I.Budyko［3］認為，流域常年平均蒸散發(fā)量由降水量和潛在蒸散發(fā)量之間的平衡決定，并以此為基礎(chǔ)提出了流域水熱平衡方程。J.C.I.Dooge等［4］、P.C.D.Milly等［5］基于 Budyko假設(shè)，提出的描述降水及蒸散發(fā)變化對徑流的一階效應(yīng)的理論框架是研究氣候變化水文響應(yīng)的有效方法。水量平衡法計算簡單，并且同時考慮了降水與蒸散對徑流量的影響。渭河是黃河最大的一級支流，也是區(qū)域社會經(jīng)濟活動較為活躍的地區(qū)。近年來，在氣候變化和人類活動雙重因素的作用下，渭河入黃水量急劇減少［6］。徑流量銳減，使其挾沙、行洪能力降低，給渭河下游防洪帶來一系列影響。筆者采用水量平衡法分析渭河徑流量的變化趨勢與特征，定量評估氣候變化及人類活動對徑流量的影響，這對渭河水資源管理與防災(zāi)減災(zāi)有重要意義。

1 渭河流域概況

渭河發(fā)源于甘肅省渭源縣鳥鼠山，于陜西潼關(guān)匯入黃河。它是黃河流域的第一大支流，流經(jīng)甘肅、陜西和寧夏3省區(qū)。渭河流域(E 104°00′～110°20′，N 33°50′～37°18′)(圖 1)總面積 13.5 萬 km2，干流全長818 km。流域西高東低，北部為黃土高原，南部為秦嶺山脈。渭河兩岸支流眾多，其中涇河是渭河最大支流，河長455.1 km，流域面積4.54萬km2，占流域總面積的33.7%。北洛河為渭河第2大支流，河長680 km，流域面積2.69萬km2，占流域總面積20%。渭河流域地處干旱和濕潤地區(qū)過渡地帶，降水季節(jié)性變化十分明顯。冬季干燥寒冷、降水稀少，夏季炎熱多雨，降水集中在6—9月，占全年降水總量的60%左右。流域多年(1958—2011年)平均降水量548.2 mm，年徑流量(華縣站)68.4億m3，水面蒸散量989.8 mm。華縣水文站位于渭河下游，控制流域面積達10.65萬km2，占渭河流域(不包括北洛河流域)面積的97.16%，是渭河控制性水文站。

圖1 研究區(qū)域及水文站Fig．1 Location of the study area and the hydro-climatic stations

2 資料與方法

2.1 資料來源

根據(jù)流域內(nèi)氣象站點分布，選用資料較完整的11個氣象站1958—2011年的月平均最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、日照時間、風(fēng)速、降雨量資料數(shù)據(jù)(表1)，其中氣象資料來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。氣象資料較全的是環(huán)縣、西吉、平?jīng)?、西峰?zhèn)、長武、武功和華山站，其他氣象站的資料有不同程度的缺失。采用較全的氣象站資料，利用多元線性回歸方法插補得到其余氣象站的氣象資料。采用FAO推薦的Penman-Monteith公式計算潛在蒸散發(fā)量［7］。在獲取各站點相關(guān)數(shù)據(jù)后，利用泰森多邊形法進一步計算流域面平均年降水量及潛在蒸散發(fā)量。流域徑流量選用由黃河水利委員會提供的華縣水文觀測站1950—2009年日流量資料以及1958—2011年逐年實測徑流量資料。DEM數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，分辨率為30 m×30 m。土地利用數(shù)據(jù)分1980、1996及2005年3期，空間分辨率為1∶25萬，數(shù)據(jù)來源為國家科學(xué)數(shù)據(jù)共享工程——地球系統(tǒng)科學(xué)共享網(wǎng)。

表1 渭河流域部分氣象站地理位置及其氣象資料Tab．1 Climate data description in the Wei River basin

2.2 研究方法

1)徑流量年際變化趨勢分析。用Mann—Kendall［8］非參數(shù)趨勢檢驗法檢測徑流序列變化趨勢。該統(tǒng)計檢驗方法的優(yōu)點是不需樣本服從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用于水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)。文中采用Z.W.Kundzewicz等［9］開發(fā)的Hydrospect(Version 2.0)軟件進行徑流量年際變化趨勢分析。

2)徑流量躍變時間分析。在有序數(shù)據(jù)系列存在趨勢性變化的前提下，采用Pettitt非參數(shù)統(tǒng)計法［10］檢驗其躍變時間，該檢驗使用 Mann-Whitney統(tǒng)計量Ut，N來檢驗同一個總體的2個樣本x1，…，xt和 xt+1，…，xN。統(tǒng)計量 Ut，N的計算公式為:

式中:xt、xj分別為 t、j年相應(yīng)的徑流量的測量值，m3;N為資料系列長度，即樣本數(shù)。

Pettitt檢驗的零假設(shè)為數(shù)據(jù)序列不存在突變點。統(tǒng)計量Kt代表最顯著的突變點t處|Ut，N|的最大值，Kt的計算公式及相應(yīng)的概率P的顯著性檢驗公式為:

3)估算徑流變化影響貢獻率。采用多年平均水量平衡法，假設(shè)前后時段年均徑流變化量可由下式計算:

作為一階近似結(jié)果，前后時段年均徑流變化量可由下式確定:

ΔQclim通過P.C.D.Milly等［5］提出的方法計算:

式中:ΔQt為年均徑流變化量，mm;Q1為前一時段年均徑流量，mm;Q2為后一時段年均徑流量，mm;ΔQclim為由于氣候變化引起的前后時段徑流變化量，mm;ΔQLUCC為由土地利用/覆被變化不同等人類活動引起的徑流變化量，mm;ΔP、ΔE0為前后時段降雨量(P)和潛在蒸發(fā)量(E0)的變化量，mm;β和r為徑流對降雨及蒸發(fā)的敏感系數(shù)，決定于區(qū)域氣候環(huán)境特征，可由Li Lijuan等［11］提供的公式確定:

式中:x為干燥指數(shù)(E0/P)，量綱為1;ω為反映流域植被變化的參數(shù)，量綱為1。

Zhang Lu等［12］對世界257條流域?qū)崪y資料進行最小二乘方擬合得出ω適用值:森林流域(林地面積超過流域面積的75%)ω適用值為2.0，草地流域ω適用值為0.5。筆者根據(jù)土地利用信息，利用面積加權(quán)法最終將ω設(shè)定為0.75。公式為

式中:ω1和ω2分別為森林和草地流域植被變化參數(shù);f為該流域林地面積所占的比例，%。對于文中ω的設(shè)定，需要在將來的工作中進一步完善。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流量變化趨勢和突變分析

渭河流域華縣水文站實測徑流量(y)及其隨時間(x)的變化如圖2所示?？芍?，1958—2011年年均徑流量為68.4億m3，徑流量在20世紀(jì)60年代最大，平均為96.2億m3，到21世紀(jì)初，已經(jīng)減少到46.3億 m3，減少了51.8%。徑流量時序變化的Mann-Kendall檢驗統(tǒng)計量值為-3.21，達到極顯著水平，表明近54年來渭河徑流量有顯著的減小趨勢，年均減少量為0.86 mm。

采用Pettitt檢驗和雙累積曲線法［13］識別徑流量序列發(fā)生突變的臨界年份。由圖3(a)可見，在0.05顯著水平下，統(tǒng)計檢驗指標(biāo)在1994年出現(xiàn)最低點并超出臨界水平線，說明徑流量從此年份開始發(fā)生明顯變化。同樣，由圖3(b)可知，雙累積曲線在1994年明顯向右偏轉(zhuǎn)，以1994年為分界點，曲線斜率由0.135 1降低為0.086 1，臨界年份前后2個時段平均徑流量分別為79.7億和43.6億m3。

由2種方法判定的突變發(fā)生在1994年。據(jù)此，以1994年為臨界點，將徑流序列劃分為2個時段:基準(zhǔn)期為1958—1994年，代表徑流處于近似天然狀態(tài)，人類活動影響相對較小;變化期為1995—2011年，代表在氣候變化與人類活動影響下的徑流。

圖2 渭河華縣站徑流量變化趨勢Fig．2 Average annual streamflow trend about Wei River at Huaxian station

3.2 徑流量差異分析

在趨勢分析和突變分析的基礎(chǔ)上，采用流量歷時曲線 FDC(flow duration curve)［14］分析臨界年份前后2個時期的徑流量頻率分布差異，結(jié)果見圖4?？梢?，在同一頻率下，曲線均向下平移，說明變化期的徑流量明顯低于基準(zhǔn)期。

定義每一個徑流量值Q對應(yīng)一個超過該流量的頻率:高流量(豐水年)為頻率5%所對應(yīng)的流量Q5，低流量(枯水年)為頻率95%所對應(yīng)的流量Q95，常流量(平水年)為頻率50%所對應(yīng)的流量Q50。用(Q2–Q1)/Q1來計算突變點前后2段時期的相對變化率。不同時期典型頻率下徑流量及其相對變化率見表2?？梢?，與基準(zhǔn)期相比，徑流量整體表現(xiàn)減少趨勢，但在不同頻率下降低程度有所差異。低流量(枯水年)Q95相對變化率為-64.6%，常流量(平水年)Q50相對變化率為-41.3%，高流量(豐水年)Q5相對變化率為-45.5%，即枯水年流量比豐水年流量有更為明顯的下降趨勢。

圖3 渭河華縣站徑流突變分析結(jié)果Fig．3 Abrupt changes of streamflow at Huaxian station in the Wei River basin

圖4 基準(zhǔn)期和變化期日徑流量的累計頻率曲線Fig．4 Accumulated frequency distribution curve of baseline period and changed period

表2 華縣站不同時期FDC的流量變化Tab．2 Changes of daily streamflow from FDC in different periods at Huaxian Station

3.3 氣候變化和人類活動對徑流量的影響

渭河流域基準(zhǔn)期年均徑流深為74.9 mm，變化期較基準(zhǔn)期減少了33.9 mm。采用水量平衡法估算變化期氣候變化及人類活動對徑流量的影響，結(jié)果見表3?？梢钥闯?氣候變化的貢獻率占49.0%，人類活動的貢獻率占51.0%;降水量和蒸散量變化對徑流量減少的貢獻率分別為37.1%和11.9%。可知，降水量的減少是徑流量減少的主要氣候因子。

表3 氣候變化及人類活動對年均徑流量的影響Tab．3 Effects of climate variability and human activities on streamflow

為明確人類活動引起的徑流量的變化，采用降雨—徑流關(guān)系模型計算流域還原水量。由于1970年以前，渭河流域人類活動影響較小［15］，可以認為，1970年以前降雨與徑流的關(guān)系是天然降雨產(chǎn)流關(guān)系，根據(jù)1958—1969年降雨和徑流數(shù)據(jù)序列建立的回歸方程如下:

通過上述方法建立的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停瑪M合度R2達0.83，基本能反映降水—徑流之間的關(guān)系。利用流域模型模擬出天然條件下的徑流過程系列，這個系列就是還原以后的資料，它與實測資料的差別就是還原水量。還原水量主要包括農(nóng)田灌溉、工業(yè)、生活用水、水庫蓄變量等耗水量。

不同年代還原的徑流量見圖5?？梢钥闯觯己恿饔蛉A縣站徑流還原水量20世紀(jì)60年代最少，僅為5.2億m3，70年代還原水量增加到33.3億m3，至2000年，增長到近9倍，達到45.0億m3。還原水量占天然徑流量的比例從60年代的5.2%增加到21世紀(jì)初的50.0%，可知，人類活動對渭河流域徑流量的影響加劇。

渭河流域徑流變化主要由氣候變化和人類活動引起。氣候變化對徑流的影響主要表現(xiàn)為降水減少和潛在蒸散的增加，變化期降水量減少45.9 mm，由氣候變化如溫度升高等引起的潛在蒸散量增加35.0 mm。人類活動對流域徑流的影響主要表現(xiàn)為20世紀(jì)70年代以后流域內(nèi)大規(guī)模的水利工程、水土保持措施和工農(nóng)業(yè)用水的增加［16］。截至2000年底，流域內(nèi)修建大、中及小(Ⅰ)型水庫302座，總庫容達27.3億m3，興利庫容15.5億m3。蓄、引、提工程有效灌溉面積121萬hm2，其中大型灌區(qū)9處［16］，如寶雞峽引渭工程，年均引渭水量5.99億m3，馮家山水庫和石頭河水庫等一批大型水庫以及數(shù)萬眼工農(nóng)業(yè)用井的建設(shè)，它們對徑流量的減少都是以數(shù)億m3計量?？芍?，工程措施和工農(nóng)業(yè)耗水量不斷上升，人類活動對渭河徑流的影響越來越劇烈，導(dǎo)致徑流量不斷減少。

4 結(jié)論與討論

1)渭河流域華縣站1958—2011年年徑流量有明顯的減少趨勢，年均減少量為0.86 mm。與20世紀(jì)60年代相比，21世紀(jì)初徑流量減少了49.8億m3，減少程度達51.8%。

圖5 渭河流域華縣站不同年代還原水量變化過程Fig．5 Reconstructed streamflow during different periods in the Wei River Basin at Huaxian station

2)渭河流域徑流突變時間為1994年，變化期(1995—2011)年均徑流量相對基準(zhǔn)期(1958—1994)減少33.9 mm。變化期的徑流量在枯水年、平水年和豐水年分別下降64.6%、41.3%和45.5%，枯水年流量下降趨勢最為明顯。

3)渭河流域徑流變化主要由氣候變化和人類活動引起，變化期相對基準(zhǔn)期的年平均徑流變化量中，氣候因素貢獻率為49.0%，人類活動貢獻率占51.0%。氣候變化對徑流的影響主要表現(xiàn)為變化期降水減少45.9 mm，潛在蒸散增加35.0 mm。同時20世紀(jì)70年代以后大規(guī)模的水利工程、水土保持措施以及工農(nóng)業(yè)耗水的迅速增加，導(dǎo)致人類活動對渭河流域徑流量影響加劇。

從降水與蒸散2種氣候因子出發(fā)，采用水量平衡法分析人類活動對流域水文過程的影響，可以明確渭河流域徑流量的演變過程，增進對渭河流域水文水資源的認識。而氣候因素對流域水文的影響是一個復(fù)雜過程，地理和氣象要素眾多，筆者通過簡化方法僅對其主要因素進行了簡要分析，渭河流域徑流演變機制仍急需更深層次的研究。

［1］ Chen Junfeng，Li Xiubin，Zhang Ming.Simulating the impacts of climate variation and land-cover changes on basin hydrology:A case study of the Suomo basin［J］.Science in China(Series D:Earth Sciences)，2005，48(9):1501-1508

［2］ 李志，劉文兆，鄭粉莉，等.黃土塬區(qū)氣候變化和人類活動對徑流的影響［J］.生態(tài)學(xué)報，2010，30(9):2379-2386

［3］ Budyko M I.Climate and Life［M］.New York:Academic Press，1974:508

［4］ Dooge J C I，Bruen M，Parmentier B.A simple model for estimating the sensitivity of runoff to long-term changes in precipitation without a change in vegetation ［J］.Advance in Water Resources，1999，23(2):153-163

［5］ Milly P C D，Dunne K A.Macroscale water fluxes 2.Water and energy supply control of their interannual variability［J］.Water Resource Research，2002，38(10):241-249

［6］ 劉燕，胡安焱.渭河流域近50年降水特征變化及其對水資源的影響［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2006，20(1):85-87

［7］ Allen R G，Pereira L S，Raes D，et al.Crop evapotranspiration-Guidelines for computing crop water requirements［M］.Rome:FAO，1998:4-7

［8］ Zhao Guangju，Hormann G，F(xiàn)ohrer N，et al.Streamflow trends and climate variability impacts in Poyang Lake Basin，China［J］.Water Resources Management，2010，24(4):689-706

［9］ Kundzewicz Z W，Robson A J.Change detection in hydrological records-a review of the methodology［J］.Hydrological Sciences Journal，2004，49(1):7-19

［10］ Pettitt A N.A nonparametric approach to the changepoint problem ［J］.Applied statistics，1979，28(2):126-135

［11］ Li Lijuan，Zhang Lu，Wang Hao，et al.Assessing the impact of climate variability and human activities on streamflow from the Wuding River basin in China ［J］.Hydrological Process，2007，21(25):3485-3491

［12］ Zhang Lu，Hickel K，Dawes W R，et al.A rational function approach for estimating mean annual evapotranspiration［J］.Water Resources Research，2004，40(1):701-708

［13］穆興民，張秀勤，高鵬，等.雙累積曲線方法理論及在水文氣象領(lǐng)域應(yīng)用中應(yīng)注意的問題［J］.水文，2010，30(4):47-51

［14］ Vogel R M，F(xiàn)ennessey N M.Flow-duration curves I:New interpretation and confidence intervals［J］.Journal of Water Resources Planning and Management，1994，120(4):485-504

［15］冉大川，劉斌，王宏，等.黃河中游典型支流水土保持措施減洪減沙作用研究［M］.鄭州:黃河水利出版社，2006:213-215

［16］水利部黃河水利委員會勘測規(guī)劃設(shè)計研究院.渭河流域水資源規(guī)劃［R］.鄭州:水利部黃河水利委員會勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，2003:32-35