南渡江入海徑流量變化及其影響因素

李瑞嫻，李龍兵，李海朋，劉柏靜，葉長(zhǎng)青

(1.海南大學(xué)環(huán)境與植物保護(hù)學(xué)院，海南?？?70228；2.海南省水文水資源勘測(cè)局，海南?？?70203)

南渡江入海徑流量變化及其影響因素

李瑞嫻1，李龍兵2，李海朋1，劉柏靜1，葉長(zhǎng)青1

(1.海南大學(xué)環(huán)境與植物保護(hù)學(xué)院，海南?？?70228；2.海南省水文水資源勘測(cè)局，海南?？?70203)

以南渡江控制站龍?zhí)了恼?956年～2007年水文資料和流域內(nèi)降雨量為基礎(chǔ)，研究流域入海徑流量演變規(guī)律及其影響因素。結(jié)果表明，降雨量和徑流量均呈下降趨勢(shì)，徑流量下降幅度更明顯，徑流系數(shù)系列在2002年前后發(fā)生突變。將1956年～1969年做為基準(zhǔn)期，利用降雨-徑流關(guān)系，定量分析了人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流演變的影響，發(fā)現(xiàn)人類(lèi)活動(dòng)的直接影響是造成徑流下降的重要原因。1987年前人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域下墊面地間接影響加劇了徑流下降的趨勢(shì)，2000年后隨流域植被覆蓋率的提高，水土涵養(yǎng)能力增強(qiáng)，徑流下降趨勢(shì)有所減緩。

徑流變化；影響因素；植被；島嶼性河流；南渡江

0 引 言

在氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)影響下，眾多江河水文情勢(shì)已發(fā)生顯著變化，流域水循環(huán)及水量平衡發(fā)生了極大改變[1]；由此產(chǎn)生了一系列水資源、水災(zāi)害和水環(huán)境問(wèn)題[2]。其表現(xiàn)為河道萎縮、河口淤積、下游河道枯竭斷流、河流功能喪失等[3- 4]。目前，環(huán)境變化對(duì)流域水文過(guò)程的影響已成為國(guó)內(nèi)外研究的重要課題[5]。眾多學(xué)者對(duì)近幾十年來(lái)人類(lèi)活動(dòng)影響下徑流量演變規(guī)律作了大量研究，尤其是下墊面變化的徑流響應(yīng)[6- 9]。研究發(fā)現(xiàn)，土地利用/覆被變化，導(dǎo)致河川徑流量變化的規(guī)律因其地域空間的差異特性而不同，需要開(kāi)展大量典型流域的實(shí)例研究和不斷深入總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、理論探索。而現(xiàn)有研究主要側(cè)重北方河流，對(duì)熱帶地區(qū)海島性河流研究尚不多見(jiàn)[1，7]。海南島南渡江作為祖國(guó)最南端的島嶼性河流，水資源具有特殊的地域性和自然脆弱性。近幾十年來(lái)，海南天然熱帶雨林遭到破壞，下墊面土地利用方式改變， 植被結(jié)構(gòu)已發(fā)生明顯改變，下墊面變化下熱帶流域徑流量會(huì)發(fā)生怎樣的變化值得深入探討。本文重新認(rèn)識(shí)變化環(huán)境下熱帶島嶼性河流南渡江入海徑流演變規(guī)律和動(dòng)因，研究將有助于識(shí)別典型熱帶島嶼性河流土地利用變化的徑流效應(yīng)，有助于系統(tǒng)認(rèn)識(shí)和建立土地利用/覆被變化的水文過(guò)程影響理論體系，同時(shí)為島嶼水資源的合理開(kāi)發(fā)利用和流域生態(tài)安全提供依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來(lái)源

南渡江全長(zhǎng)314 km，流域面積7 176 km2，干流比降0.0716%。流域平均降水量達(dá)1 900 mm以上，河流平均年徑流量63.7×108m3，2004年水資源開(kāi)發(fā)利用率約為23.2%。雨季旱季極為明顯，雨季5月～10月，降水一般可占全年雨量的82%。流域年徑流系數(shù)約為0.4～0.5，年蒸發(fā)能力較小，僅為600 mm。

徑流數(shù)據(jù)為南渡江流域入?？谥饕恼君?zhí)琳?956年～2007年水文流量數(shù)據(jù)(源自海南省水文局)，其控制流域面積6 841 km2。目前，流域內(nèi)有1969年建成的大型水庫(kù)松濤水庫(kù)，總庫(kù)容及興利庫(kù)容分別為33.45×108m3和20.83×108m3。

表1 南渡江流域平均降雨及徑流變化情況

2 流域內(nèi)降雨量及徑流量系列特征分析

2.1 降雨量變化

選取南渡江流域1956年～2007年有完整資料的4個(gè)雨量站統(tǒng)計(jì)得到流域面雨量。計(jì)算不同年段平均年降雨量和相對(duì)1956年～2007年長(zhǎng)系列均值的變化率，可以看出：南渡江流域降雨量基本比較穩(wěn)定，呈波動(dòng)態(tài)勢(shì)。其中，2001年～2007年下降18.61%(見(jiàn)表1)。

2.2 徑流量變化

根據(jù)龍?zhí)了恼?956年～2007年的實(shí)測(cè)資料，將不同年段平均年徑流深和相對(duì)長(zhǎng)系列均值的變化率列于表1。從表1可以看出，1988年后的徑流持續(xù)呈現(xiàn)出減少態(tài)勢(shì)，其中2001年后變化幅度較大，在±31.73%左右，且下降幅度大于降水。

2.3 降雨對(duì)徑流的影響

對(duì)南渡江年徑流序列進(jìn)行線性擬合，其結(jié)果呈下降趨勢(shì)。進(jìn)一步利用肯德?tīng)?Kendall)秩次相關(guān)法進(jìn)行趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)[10]，未能通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。由其降雨及徑流過(guò)程及其線性趨勢(shì)圖(見(jiàn)圖1)可以看出，降雨與徑流的相關(guān)性較好，但降雨序列變化幅度較小，基本呈緩慢下降趨勢(shì)；而徑流序列變化幅度較大，特別是2000年后下降趨勢(shì)明顯。由于蒸發(fā)量在2000年后也存在下降趨勢(shì)，根據(jù)水量平衡原理，說(shuō)明徑流量的減少除了受到降雨影響外，應(yīng)該還受到其他因素影響。

圖1 1956年～2007年年降雨和年徑流過(guò)程及其線性趨勢(shì)線

圖2 1956年～2007年徑流序列的階段性變化

采用有序聚類(lèi)分析法對(duì)徑流量序列的跳躍成分進(jìn)行了識(shí)別。有序聚類(lèi)分析法的實(shí)質(zhì)是推求一個(gè)最優(yōu)的分割點(diǎn)τ，使同類(lèi)之間的離差平方和較?。欢?lèi)與類(lèi)之間的離差平方和較大。經(jīng)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)分割點(diǎn)在2002年總離差平方和最小，對(duì)兩樣本的情況做Mann-WhitneyU檢驗(yàn)，P=0.007，小于0.05，因此2002年是個(gè)顯著的跳躍點(diǎn)。2002年以前，南渡江多年平均徑流深為985.71 mm，2002年后，多年平均徑流量為641.28 mm，前者是后者的1.54倍多(見(jiàn)圖2)。由降雨序列的跳躍分析發(fā)現(xiàn)，同樣在2002年發(fā)生了一次躍變(P=0.015)。徑流系數(shù)的變化在一定程度內(nèi)可反映流域內(nèi)下墊面的變化情況[7]。研究發(fā)現(xiàn)徑流系數(shù)2002年突變(見(jiàn)圖3)，Mann-WhitneyU檢驗(yàn)得P=0.012。這說(shuō)明，南渡江徑流量跳躍變化是由降雨引起的，而2002年后人類(lèi)活動(dòng)影響加劇了徑流量的下降趨勢(shì)。

圖3 1956年～2007年徑流系數(shù)的總離差平方和與分割點(diǎn)關(guān)系

3 人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流情勢(shì)的分析

3.1 影響量估算

分析得出，南渡江流域?qū)崪y(cè)徑流序列發(fā)生了變異。即，存在下降趨勢(shì)和一次躍變。影響徑流變異主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)因素：一是氣候因子的變化；二是人類(lèi)活動(dòng)的影響。人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一，隨河道外引用消耗的水量不斷增加，直接造成徑流量的減少；二，由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等活動(dòng)改變了流域的下墊面條件，造成徑流量的減少或增加[7]。

采用分項(xiàng)調(diào)查還原法對(duì)南渡江流域?qū)崪y(cè)徑流序列進(jìn)行還原。還原后的天然徑流是還原了取水和水利工程影響后的“天然徑流”；而植被改變、水土流失、城鎮(zhèn)化等下墊面條件變化造成的徑流變化則未被還原，這里稱(chēng)之為修正前的天然徑流[7]。分析發(fā)現(xiàn)其與實(shí)測(cè)徑流有一定差異，2004年流域總用水量為8.46×108m3，水資源開(kāi)發(fā)利用率為23.2%。這說(shuō)明人類(lèi)活動(dòng)的直接河道外引用消耗水量是造成實(shí)測(cè)徑流序列下降的重要原因。而人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域下墊面的影響，是否對(duì)徑流下降有作用，可以通過(guò)對(duì)徑流系數(shù)的分析來(lái)考察這種影響。

有序聚類(lèi)法分析徑流系數(shù)序列的變化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在2002年曲線達(dá)到了最低點(diǎn)(見(jiàn)圖3)。這說(shuō)明2002年以后，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域下墊面有重大影響。一個(gè)流域若下墊面條件不變，則在一定的降水條件下，將會(huì)產(chǎn)生一定的水量；如果下墊面條件變動(dòng)，在同樣的降水條件下，將會(huì)產(chǎn)生不同的水量。根據(jù)此原理，利用無(wú)人類(lèi)活動(dòng)影響時(shí)期的水文資料，建立降雨徑流相關(guān)關(guān)系，以有人類(lèi)活動(dòng)影響時(shí)期的降雨資料代入降雨-徑流關(guān)系式，求得無(wú)人類(lèi)活動(dòng)情況下可能產(chǎn)生的徑流量，并與有人類(lèi)活動(dòng)影響時(shí)期的實(shí)際徑流量進(jìn)行比較，其差值即為徑流受人類(lèi)活動(dòng)影響量[7]。

1969年建成的松濤水庫(kù)會(huì)對(duì)徑流變化規(guī)律產(chǎn)生一定影響。結(jié)合對(duì)徑流系數(shù)的分析，可以認(rèn)為流域1969年以前基本處于無(wú)人類(lèi)活動(dòng)影響狀態(tài)，可作為基準(zhǔn)期定量分析1969年以后人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域產(chǎn)匯流的影響。將龍?zhí)了恼?956年～1969年流域降雨量和天然徑流系列資料作為基準(zhǔn)期進(jìn)行回歸分析，建立降雨-徑流相關(guān)關(guān)系(見(jiàn)圖4)，回歸公式為R=0.921 2P-813.66，利用此關(guān)系式，將1970年～2007年的降雨數(shù)據(jù)帶入，得到1970年～2007年的徑流量序列，記為R回歸。不難看出，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域徑流的直接影響量為1970 年后實(shí)測(cè)徑流量R實(shí)測(cè)與修正前的天然徑流量R天然的差值；人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域徑流的間接影響量為1970年后修正前的天然徑流量R天然與回歸推算的天然徑流量R回歸的差值；人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域徑流的綜合影響量為1970年后實(shí)測(cè)徑流量R實(shí)測(cè)與回歸推算的天然徑流量R回歸的差值。

圖4 1956年～1969年降雨量與天然徑流量相關(guān)

根據(jù)徑流變化過(guò)程劃分不同時(shí)段的分析結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可看出：1970年～2000年以來(lái)，人類(lèi)活動(dòng)直接影響促使徑流減小且有上升趨勢(shì)，而人類(lèi)活動(dòng)間接影響也使徑流減小，但2000年前影響程度穩(wěn)定，徑流量變化量穩(wěn)定在80 mm左右。2001年以后人類(lèi)活動(dòng)直接影響和間接影響都促使徑流減小，而間接影響程度有顯著下降；不同時(shí)段總的徑流變化量分別為-151.26、-166.57、-206.30 mm和-152.54 mm。隨著人類(lèi)活動(dòng)規(guī)模的加大，人類(lèi)活動(dòng)的直接影響基本上是近40年來(lái)徑流量減小量逐漸增大；而人類(lèi)活動(dòng)的間接影響表現(xiàn)為近7年來(lái)徑流量減小量顯著減小。

3.2 原因分析

隨社會(huì)的發(fā)展、人類(lèi)活動(dòng)的增強(qiáng)，南渡江流域徑流發(fā)生了一定程度的變異，主要表現(xiàn)為：在氣候條件沒(méi)有明顯變化情況下，徑流量呈現(xiàn)明顯的減少趨勢(shì)。究其原因，水資源的開(kāi)發(fā)利用程度加大是一個(gè)重要因素；另一個(gè)與流域植被變化有關(guān)，1987年前流域內(nèi)水土流失嚴(yán)重。南渡江附近廣大農(nóng)村人民生活能源主要是薪柴、草稈，隨著人口的增長(zhǎng)，生活能源矛盾日益尖銳，造成過(guò)量樵采砍伐植被；同時(shí)，1969年左右流域上游興建松濤水庫(kù)，也造成流域植被的破壞；不合理的墾殖土地，粗放的坡地耕種，以及水資源的不合理利用，都加劇了水土流失；導(dǎo)致南渡江的下墊面條件發(fā)生了較大的變化，從而導(dǎo)致南渡江徑流量減小且發(fā)生較大的波動(dòng)，表現(xiàn)出階段性變化。但是，自2000年后，流域內(nèi)大面積造林運(yùn)動(dòng)，流域水土涵養(yǎng)能力有所上升，徑流減小趨勢(shì)得到制止。

表2 人類(lèi)活動(dòng)對(duì)南渡江流域徑流量影響的大小

注：1956年～1969年天然徑流量基準(zhǔn)值為896.6 mm；表中負(fù)值表示徑流減小。

NDVI(Normalized Difference Vegetation Index，歸一化植被指數(shù))是反映植被所吸收的光合有效輻射比例的一個(gè)重要指數(shù)。為了考察南渡江流域內(nèi)植被變化的情況，利用美國(guó)國(guó)家航天航空局最新的全球植被指數(shù)變化研究數(shù)據(jù)(GIMMS)，使用GIS提取了南渡江流域1982年～2006年逐年地表植被指數(shù)，計(jì)算了南渡江流域1982年～2006年間的地表植被覆蓋變化率(見(jiàn)圖5)。各像元NDVI變化率=直線斜率/均值×25×100。式中，直線斜率表示對(duì)25年(1982年～2006年)的年平均或月NDVI值與年份之間求回歸，得到的回歸直線的斜率；均值為25年的平均年或月NDVI值。

從圖5可以看出，南渡江流域大部分地區(qū)NDVI變化率為正值。南渡江全流域年平均NDVI變化率為2.67，呈不顯著上升趨勢(shì)。這說(shuō)明，近25年來(lái)，流域內(nèi)的植被變化呈上升趨勢(shì)，植被增加提高了流域水土涵養(yǎng)能力，增加了流域的徑流量。

圖5 25年來(lái)南渡江流域NDVI變化率與變化過(guò)程

綜上所述，南渡江流域2000年前，水利工程、農(nóng)業(yè)和其他人類(lèi)活動(dòng)造成水土流失、下墊面變化造成流域內(nèi)徑流量減??；而2000年后，植被覆蓋率的提高使徑流量減小趨勢(shì)變緩。

4 結(jié) 論

(1)近52年來(lái)，南渡江流域內(nèi)降雨量和徑流量均呈下降趨勢(shì)，徑流量下降幅度更明顯。

(2)降雨量和徑流量在2002年左右發(fā)生了一次躍變，降雨量躍變是導(dǎo)致徑流量躍變的直接原因。

(3)人類(lèi)活動(dòng)的影響使徑流量呈下降趨勢(shì)，不同時(shí)段總的減小量分別為-151.26、-166.57、-206.30、-152.54 mm。人類(lèi)活動(dòng)的直接影響使徑流量減少，2000年前人類(lèi)活動(dòng)的間接影響加劇徑流量顯著減小，而2000年后植被覆蓋率提高使徑流量減小趨勢(shì)變緩。

(4)2000年后隨流域山區(qū)的大面積造林，流域植被覆蓋率提高，水土涵養(yǎng)能力增強(qiáng)，徑流下降趨勢(shì)有所減緩。

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(責(zé)任編輯 陳 萍)

Study on Variation and Influencing Factors of Discharge into the Sea from Nandu River

LI Ruixian1， LI Longbing2， LI Haipeng1， LIU Baijing1， YE Changqing1

(1. College of Environment and Plant Protection， Hainan University， Haikou 570228， Hainan， China;2. Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Hainan Province， Haikou 570203， Hainan， China)

The characteristics of discharge into the sea and its influencing factors of Nandu River basin in 1956—2007 are analyzed based on measured data of precipitation and hydrological data at Longtang Hydrological Station. The research finds that the precipitation and runoff series exhibit a declining tendency， the runoff decrease obviously， and the runoff coefficient series shows a drop change point around 2002. A regression equation based on the data of precipitation and runoff in 1956—1969 is obtained for quantifying the impact of human activities on runoff. The calculation results show that the direct impact of human activity is the important cause of runoff decrease. The destruction of human activities on the land surface vegetation exacerbates the downward trend of runoff before 1987. The increase of vegetation coverage enhances soil and the water conservation capacity and runoff decline has slowed down after 2000．

runoff variation; influencing factor; vegetation; island river; Nandu River

2014- 12- 10

國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(51210013，51479216)；水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201401048)；海南省自然科學(xué)基金(414192)；海南省中西部高校提升綜合實(shí)力工作資金項(xiàng)目(ZXBJH-XK004，ZXBJH-XK005)；海南大學(xué)科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(kyqd1417)；2013年中西部高校提升綜合實(shí)力工作資金“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃基金項(xiàng)目”

李瑞嫻(1994—)，女，湖南常德人，從事水資源與環(huán)境研究；葉長(zhǎng)青(通訊作者)．

P333(266)

A

0559- 9342(2015)08- 0013- 04