潮白河流域徑流對(duì)降雨的多尺度響應(yīng)

劉佳凱，張振明，鄢郭馨，余新曉

(1.北京林業(yè)大學(xué)自然保護(hù)區(qū)學(xué)院，100083，北京； 2.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京)

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潮白河流域徑流對(duì)降雨的多尺度響應(yīng)

劉佳凱1，張振明1，鄢郭馨1，余新曉2?

(1.北京林業(yè)大學(xué)自然保護(hù)區(qū)學(xué)院，100083，北京； 2.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京)

為揭示不同空間尺度上，徑流對(duì)降雨的響應(yīng)以及降雨對(duì)不同時(shí)期徑流變化的影響程度，采用泰森多邊形法，計(jì)算潮白河流域及其各個(gè)子流域的平均年降水量，并應(yīng)用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)，計(jì)算潮白河流域1957—2001年的徑流突變點(diǎn)和變化趨勢(shì)，使用回歸分析來(lái)計(jì)算降水-徑流之間影響關(guān)系的強(qiáng)弱。結(jié)果表明：在于不同尺度的子流域年徑流變化在波動(dòng)的幅度和平穩(wěn)程度上具有差異，但差異并不明顯。從整體趨勢(shì)上看，徑流在1960—1970年之間，呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，而在1990年之后，則有所回升；而在1970—1980年期間，呈現(xiàn)一定的波動(dòng)性，變化趨勢(shì)不明顯。徑流對(duì)降雨的多尺度回歸結(jié)果顯示，隨著流域尺度的增大，降雨-徑流的關(guān)系逐漸減弱。在較小尺度的流域，降雨與徑流的聯(lián)系更加緊密，氣候因素在小尺度流域?qū)搅鞯挠绊懜鼮橥怀?；而在大尺度的流域中，影響徑流的因素則更為復(fù)雜，降雨量變化并不能很好的解釋徑流量的改變。此外，在不同時(shí)期降雨-徑流關(guān)系仍然存在一定的差異性。徑流變化處于平穩(wěn)期與上升期時(shí)，對(duì)降雨響應(yīng)更強(qiáng)，徑流的下降，則受雨量變化影響較小，受其他氣候因素與土地利用因素影響更多。一般認(rèn)為，人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化是影響徑流的兩個(gè)因素，綜合本文分析，在較大尺度流域和徑流下降的時(shí)期，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流的影響更加顯著。因此，為保證潮白河流域及其子流域的產(chǎn)流量，對(duì)人類(lèi)活動(dòng)的有效管理，如優(yōu)化土地利用，合理水資源配置等是必不可少的。

年降雨； 徑流響應(yīng)； 多尺度； 突變點(diǎn)檢驗(yàn)； 潮白河流域

氣候變化會(huì)改變水分循環(huán)，進(jìn)而影響水資源的時(shí)空分布，改變流域的徑流，導(dǎo)致水資源以及洪水分布改變[1-4]，從而更進(jìn)一步對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類(lèi)的生產(chǎn)生活造成影響；因此，氣候變化下的流域水文響應(yīng)，一直以來(lái)就是森林生態(tài)水文研究中的重點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題[5-7]。在水文模型的模擬研究中發(fā)現(xiàn)，降水是對(duì)徑流輸出影響最大的氣象因子[3,8-12]。降雨-徑流的相關(guān)關(guān)系研究，對(duì)了解流域生態(tài)系統(tǒng)的水文過(guò)程非常重要。近年來(lái)，隨著人口的增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，流域內(nèi)降雨-徑流關(guān)系逐年發(fā)生著動(dòng)態(tài)的變化；由于人類(lèi)活動(dòng)而出現(xiàn)的水土流失、植被破壞以及城鎮(zhèn)化，都是造成流域年徑流量減少的原因[13]。流域的水文變化是氣候變化以及人類(lèi)活動(dòng)等造成的結(jié)果，氣候變化中包括水循環(huán)過(guò)程、水量時(shí)空分布和洪澇災(zāi)害等條件的改變；人類(lèi)活動(dòng)則是通過(guò)改變下墊面，如水利工程、森林砍伐和水土保持措施等，引起水文要素的時(shí)空變化[14]。潮白河流域位于北京市東北部，是北京市主要供水來(lái)源——密云水庫(kù)的集水流域[15-18]，該流域的產(chǎn)流直接影響到北京地區(qū)的水源保障，一直受到相關(guān)部門(mén)和研究者的關(guān)注。

從20世紀(jì)50年代以來(lái)，潮白河流域的徑流量與密云水庫(kù)的入庫(kù)流量呈現(xiàn)明顯的逐年下降趨勢(shì)[19-21]。相關(guān)研究表明，這一趨勢(shì)是由氣候變化和土地利用變化共同導(dǎo)致的結(jié)果，其中，流域氣候變化是導(dǎo)致流量減少最主要的因素[22-26]。潮白河流域的氣候變化，對(duì)潮河和白河流域徑流變化的貢獻(xiàn)率達(dá)到59.3%和93.5%[7]。自1951年以來(lái)，降雨減少是潮白河上游徑流量持續(xù)減少最主要的原因[20,27]。前人研究在一定程度上揭示了潮白河流域徑流變化的原因及徑流-降雨的關(guān)系；但是，其研究都僅局限于某一固定的空間尺度，缺乏不同空間尺度上徑流對(duì)降雨變化響應(yīng)的研究。而由于空間尺度的變化，在某一尺度流域上是影響生態(tài)水文的重要因子，在另一尺度上可能會(huì)變得微乎其微[8,28]；所以，對(duì)潮白河流域徑流-降雨關(guān)系的多尺度分析，有利于進(jìn)一步揭示徑流變化規(guī)律，對(duì)不同尺度上的河道治理和流域配置調(diào)整有著指導(dǎo)意義。

筆者對(duì)潮白河流域多個(gè)子流域，長(zhǎng)時(shí)間尺度上的徑流-降雨變化及其二者的關(guān)系進(jìn)行研究，揭示了在不同空間尺度上，徑流對(duì)降雨的響應(yīng)以及降雨對(duì)不同時(shí)期徑流變化的影響程度。

1　研究區(qū)概況

潮白河流域位于華北平原北部，地處E 115°25′～117°45′，N 39°10′～41°49′(圖1)，屬于溫帶半濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候。潮白河為流經(jīng)北京市北部、東部的重要河流，屬海河河系，北部、西部為燕山，東部、南部為平原。流域總面積1萬(wàn)9 354 km2，河道全長(zhǎng)458 km，北京市境內(nèi)長(zhǎng)118 km，相應(yīng)流域面積5 613 km2。潮白河上游分潮河、白河2大支流，其中潮河可分出戴營(yíng)、半城子等子流域，白河分三道營(yíng)、下堡等子流域。研究區(qū)域內(nèi)，有記載的大中型水庫(kù)，僅有密云水庫(kù)1座，位于流域下游出口處，總庫(kù)容達(dá)46億6 867萬(wàn)m3。

圖1　氣象水文站點(diǎn)位置示意圖Fig.1　Location of Chaobaihe Basin and meteorological and hydrometric stations

2　研究方法

2.1數(shù)據(jù)來(lái)源

研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集，站點(diǎn)包括張北、張家口、豐寧、懷來(lái)、密云、承德和遵化等氣象站(圖1)，數(shù)據(jù)包括平均氣溫、日降水量等指標(biāo)，年限為1957—2001年。采用泰森多邊形法，計(jì)算潮白河流域的平均降水量。先在潮白河上，根據(jù)各站點(diǎn)進(jìn)行泰森多邊形劃分，然后運(yùn)用劃分好的泰森多邊形放入各個(gè)子流域，用面積作為權(quán)重，計(jì)算氣象數(shù)據(jù)。徑流水文數(shù)據(jù)來(lái)自中華人民共和國(guó)水文年鑒《海河流域水文資料》第2冊(cè)。所選的站點(diǎn)包括潮河和白河的主要水文控制站，水文數(shù)據(jù)年限為1957—2001年。潮白河流域幾個(gè)水文站點(diǎn)，對(duì)徑流的觀測(cè)始于20世紀(jì)50年代，通過(guò)對(duì)1975年以來(lái)(1975年以后才有遙感影像資料記錄)的遙感影像分析?？偨Y(jié)前人的研究[29]發(fā)現(xiàn)：直到2000年，潮白河的土地利用類(lèi)型的變化差異并不大，主要體現(xiàn)在農(nóng)用地和建設(shè)用地的分布和數(shù)量并沒(méi)有明顯的增加；而在2000年以后，流域內(nèi)的農(nóng)田面積和建設(shè)用地面積，開(kāi)始出現(xiàn)比較明顯的增加；在2000年以后的徑流變化，更多的受到人類(lèi)活動(dòng)的影響。因此，為了更加準(zhǔn)確地表現(xiàn)徑流對(duì)降雨的影響，將研究的時(shí)間段定于1957—2001年。

北京市順義區(qū)內(nèi)的密云水庫(kù)，位于所有水文站點(diǎn)下游流域出口處，“潮白河五閘”也均位于水庫(kù)下游。此外，為了保證研究數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將本次所用徑流數(shù)據(jù)與中國(guó)科學(xué)院還原的海河流域各子流域的多年年徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域內(nèi)的年徑流量數(shù)據(jù)并無(wú)差異，所采用數(shù)據(jù)可以真實(shí)反映徑流情況。

2.2趨勢(shì)檢驗(yàn)

Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)[30]可以有效地檢測(cè)出水文氣象數(shù)據(jù)的時(shí)間序列變化趨勢(shì)[31-33]，是基于后續(xù)觀測(cè)超過(guò)一個(gè)特定值的比例數(shù)等級(jí)為基礎(chǔ)的檢驗(yàn)方法[34]，也是應(yīng)用最廣泛的一種非參數(shù)檢驗(yàn)。與參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)相比，非參數(shù)檢驗(yàn)不是正態(tài)分布，被認(rèn)為更適合于水文時(shí)間序列數(shù)據(jù)[35]。

Mann-Kendall的統(tǒng)計(jì)可以表述如下：

(1)

式中：xi=(i=1,2,…,n-1)和xj=(i+1,…,n)為連續(xù)的數(shù)據(jù)值，n為數(shù)據(jù)序列的長(zhǎng)度。

標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)ZC統(tǒng)計(jì)可用下式計(jì)算：

(2)

正態(tài)分布的方差值由下式給出：

(3)

在一個(gè)雙側(cè)檢驗(yàn)中，當(dāng)|ZC|≤Z1-α/2，α是顯著性水平，Z1-α/2是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分位數(shù)(在概率水平1-α/2下)。ZCZ1-α/2表示增加趨勢(shì)。在α的特定顯著性水平，標(biāo)準(zhǔn)Z1-α/2值可以從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表獲得。在這項(xiàng)研究中，α被設(shè)定在0.05的顯著水平上，Z1-α/2=1.96。

2.3突變點(diǎn)分析

Mann-Kendall檢驗(yàn)序列版本[36]被用來(lái)檢測(cè)突變與趨勢(shì)。其中，時(shí)間序列被認(rèn)為是固定的，而各元素之間是隨機(jī)和獨(dú)立的[37]。零假設(shè)指出，受調(diào)查的樣本沒(méi)有顯示一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)的開(kāi)始。檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Sk測(cè)定如下：

(4)

式中：ri為xi>xj(1≤j≤i)的樣本積累數(shù)；k為樣本總數(shù)。

檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的Sk均值為0，Sk的方差值可用下式計(jì)算：

(5)

減小的變量被稱(chēng)為統(tǒng)計(jì)ufk，用于計(jì)算每個(gè)測(cè)試統(tǒng)計(jì)變量Sk，公式如下：

(6)

式中：ufk為正向序列，ubk為逆向序列。ubk可以使用函數(shù)(3)～(5)來(lái)計(jì)算，但使用相反的數(shù)據(jù)系列。ufk的點(diǎn)構(gòu)成正向序列uf，同樣，由ufk組成的反向序列ub可使用函數(shù)(3)～(5)，從原來(lái)的時(shí)間序列末尾來(lái)計(jì)算。在一個(gè)雙向趨勢(shì)檢驗(yàn)中，當(dāng)|(ufk)|≤Z1-α/2時(shí)，不能拒絕零假設(shè)，即沒(méi)有顯著的趨勢(shì)進(jìn)行檢測(cè)。在uf所有的點(diǎn)都在置信區(qū)間內(nèi)，且序列uf和ub重疊數(shù)次，而至少1個(gè)k值的|(ufk)|>Z1-α/2，零假設(shè)被拒絕，且原始時(shí)間序列內(nèi)，顯示出統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著趨勢(shì)(增加或減少)。曲線uf的ub交叉點(diǎn)，提供了發(fā)展趨勢(shì)的起始時(shí)間點(diǎn)[31,38-39]。

2.4回歸分析

回歸分析來(lái)測(cè)量氣候，即降雨-徑流之間關(guān)系的強(qiáng)度。首先對(duì)每一個(gè)子流域，年徑流量與年降水量進(jìn)行線性回歸，運(yùn)用Pearson相關(guān)系數(shù)(R)，分析不同尺度上，徑流對(duì)降雨的響應(yīng)(R<0.3 弱響應(yīng)，0.3

3　結(jié)果與分析

圖2　降水量-徑流量年際變化圖Fig.2　Interannual variations of precipitation and runoff in Chaobaihe Basin and its sub-watersheds

如圖2所示，潮白河流域徑流變化與白河大致相同，在1960年之后明顯下降，之后處于不斷起伏波動(dòng)中，并出現(xiàn)多個(gè)波峰；而降雨的變化也是頗為相似的，在1960年之前，一直增加，1959年達(dá)到最高值，之后開(kāi)始減少，并在上下波動(dòng)中變化，但降雨與徑流的變化波動(dòng)并沒(méi)有太明顯的一致性。潮河流域徑流-降雨的變化則與潮白河稍有不同，徑流在1957—1960年間，出現(xiàn)一個(gè)波峰后，在1975—1980年間，也有一個(gè)較為明顯的波峰，并出現(xiàn)徑流的最高值，其余年份則不斷波動(dòng)變化，而在1957—1960年間，潮河的降雨增加后處于較為平穩(wěn)的狀態(tài)，1964年有所增加后開(kāi)始波動(dòng)變化，降雨與徑流變化的一致性開(kāi)始有所表現(xiàn)。白河流域的子流域三道營(yíng)與下堡的徑流、降雨變化也有很大差異，三道營(yíng)徑流的變化波動(dòng)與白河有些相似；而下堡流域在1959年，徑流達(dá)到最大值后處于下降的趨勢(shì)，1972年回升后，處于平穩(wěn)波動(dòng)之中。不難發(fā)現(xiàn)，下堡的徑流、降雨的變化比較一致，而三道營(yíng)則是非常一致，波峰與波峰相對(duì)，波谷與波谷相對(duì)。不僅三道營(yíng)如此，潮河流域的子流域戴營(yíng)和半城子也是如此，2個(gè)流域之間的變化趨勢(shì)有很大差異，但各自的徑流、降雨變化卻頗為一致。戴營(yíng)流域徑流變化與三道營(yíng)有相似之處，在1957—1960年出現(xiàn)一個(gè)波峰之后，處于穩(wěn)定的波動(dòng)變化之中，1970—1975年也出現(xiàn)一個(gè)較高的峰值，之后仍不斷波動(dòng)；而半城子則在1960年以后，一直處于十分平穩(wěn)的狀態(tài)，在1975—1980年間出現(xiàn)明顯的波峰后，開(kāi)始不斷波動(dòng)變化。

綜上所述，各流域的降雨徑流變化大體上的趨勢(shì)是類(lèi)似的，但具體到各尺度的子流域上是各不相同、略有差異的，出現(xiàn)某些明顯的波峰的時(shí)間比較一致，而波動(dòng)的幅度大小、平穩(wěn)程度卻不盡相同。降雨-徑流的變化，也能體現(xiàn)出徑流、降雨的一些一致性；但隨著流域尺度變化，這些一致性的明顯程度也出現(xiàn)很大差異。

3.2徑流趨勢(shì)檢驗(yàn)

1957—2001年，潮白河流域與其各個(gè)子流域的年際徑流變化及各個(gè)子流域之間的年際徑流變化存在著一定差異。通過(guò)Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)(圖3)，潮白河流域的徑流從20世紀(jì)60年代初期開(kāi)始，一直呈下降趨勢(shì)，尤其在1963年以及1967—1973年之間，徑流減少尤為明顯(P<0.05)；但在此之后，徑流減少的趨勢(shì)有所減緩，并于1992年出現(xiàn)突變點(diǎn)，在此之后，潮白河的年徑流量處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

白河流域徑流量變化相對(duì)簡(jiǎn)單，變化趨勢(shì)也和整個(gè)潮白河流域的徑流趨勢(shì)較為接近。從1957年開(kāi)始，徑流量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，但除1972年和1973年以外，下降趨勢(shì)并不明顯。1990年之后，下降趨勢(shì)逐年減少，在1992年出現(xiàn)突變點(diǎn)，此后的年凈流量變化并不明顯。白河流域的子流域三道營(yíng)和下堡的年徑流量變化趨勢(shì)也大為不同。1957—1984年，三道營(yíng)流域的年徑流量變化并不明顯，在1985年出現(xiàn)突變點(diǎn)，此后的徑流量變化呈現(xiàn)逐年略微上升的趨勢(shì)。下堡流域年徑流量在經(jīng)過(guò)1957—1961年的徑流增加后，在1962年發(fā)生突變，此后徑流量呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)。尤其在1968—1975年及1988—1996年間，徑流量呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。

潮白河的2大子流域潮河流域和白河流域在1957—2001年之間的徑流變化大相徑庭。潮河流域徑流量變化趨勢(shì)相對(duì)更加復(fù)雜，在經(jīng)歷了從1957—1960年短暫的上升之后開(kāi)始減少，1968—1969年及1971—1972年間，徑流減少尤為明顯(P<0.05)，此后徑流減少的趨勢(shì)有所緩解，徑流變化也趨于平穩(wěn)，徑流量變化波動(dòng)不大，直到1985年出現(xiàn)一個(gè)明顯的突變點(diǎn)，在此之后，潮河流域徑流量一直處于穩(wěn)中有升的狀態(tài)。潮河流域的2個(gè)子流域戴營(yíng)流域和半城子流域的徑流量變化趨勢(shì)仍然有所差別。戴營(yíng)流域從1961年開(kāi)始，年徑流量逐漸減少，并在1990年發(fā)生突變，此后年徑流量趨于平穩(wěn)。半城子流域的年徑流量，同樣在1961年之后，出現(xiàn)逐年減少的趨勢(shì)；但是，在1979年之后，年凈流量出現(xiàn)了逐年緩慢上升的趨勢(shì)。

綜上所述，雖然研究區(qū)域均為潮白河流域，但是，不同尺度的年徑流變化趨勢(shì)存在差異。

3.3徑流對(duì)降雨的空間多尺度回歸

不同流域?qū)搅鞯捻憫?yīng)如表1所示(按照R由大到小排列)，潮白河和白河流域徑流對(duì)降雨的響應(yīng)并不敏感(R<0.3)，下堡和潮河流域徑流對(duì)降雨響應(yīng)較為敏感(0.3

圖3　潮白河及其子流域徑流M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)Fig.3　Mann-Kendall test of runoff in Chaobaihe Basin and its sub-basins

分類(lèi)Category流域名稱(chēng)Basinname線性一次回歸Regression相關(guān)系數(shù)R流域面積Basinarea/km2平均徑流系數(shù)Runoffcoefficient半城子Banchengziy=0.068x+35.540.802965.4540.179組AGroupA戴營(yíng)Daiyingy=0.121x-1.3390.75844243.6200.120三道營(yíng)Sandaoyingy=0.001x+59.790.61301700.6310.136組BGroupB下堡Xiabaoy=0.289x-77.390.46574160.5650.126潮河Chaohey=0.269x-60.300.38606140.2290.137組CGroupC潮白河Chaobaihey=0.092x+1.3680.167915380.0780.097白河Baihey=0.570x-269.50.03169239.8500.138

注：y為年徑流量 (mm)，x為年降雨量(mm)。Note:y stands for annual runoff (mm) and x stands for annual precipitation (mm); Group A stands for the regression equations with R2> 0.6; Group B stands for the regression equations with 0.3

圖4　流域面積與降雨-徑流關(guān)系系數(shù)回歸圖Fig.4　Regression analysis of area and Pearson correlation coefficient square of precipitation-runoff

A1,A2 and A3 shows the precipitation-runoff relations in decrease,stable and increase period of group A respectively; B1,B2 and B3 shows the precipitation-runoff relations in decrease,stable and increase period of group B respectively; C1 and C2 shows the precipitation-runoff relations in stable and increase period of group C respectively.圖5　徑流量對(duì)降水量的時(shí)間多尺度響應(yīng)Fig.5　Regression analysis of precipitation and runoff in multi-time scales

潮白河流域內(nèi)，影響年徑流的因素主要有氣候和土地利用因素，其貢獻(xiàn)率分別為59.3%和40.7%，而白河流域氣候變化影響的貢獻(xiàn)率為93.5%[7]。說(shuō)明某一程度上，不同尺度的流域受到各個(gè)因素的響應(yīng)是大不相同的。不同尺度流域?qū)涤甑捻憫?yīng)分為敏感、較為敏感與不敏感3個(gè)類(lèi)別，響應(yīng)不敏感的為較大尺度的潮白河流域與白河流域，而較小尺度的3個(gè)子流域則響應(yīng)明顯。徑流和降雨的Pearson相關(guān)系數(shù)的平方(R2)與流域面積呈顯著負(fù)相關(guān)的結(jié)果也說(shuō)明了氣候因素在小尺度的流域中影響更加突出。在整個(gè)尺度上，除了氣候因素影響降雨外，土地利用因素等也對(duì)徑流產(chǎn)生一定影響。

3.4徑流對(duì)降雨的時(shí)間多尺度響應(yīng)

根據(jù)徑流對(duì)降雨響應(yīng)的強(qiáng)弱，將潮白河流域及其子流域分為A、B、C 3類(lèi)，然后根據(jù)不同類(lèi)別流域的Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果，在徑流變化的不同時(shí)期(下降期、平穩(wěn)期和上升期)，對(duì)徑流與降雨做回歸分析，結(jié)果見(jiàn)圖5。圖中A1～A3，B1～B3分別表示強(qiáng)響應(yīng)和較強(qiáng)響應(yīng)流域的徑流下降期、平穩(wěn)期和上升期徑流與降雨的回歸，C1和C2表示弱響應(yīng)流域在徑流下降期和平穩(wěn)期(無(wú)徑流上升期)徑流與降雨的回歸。在徑流的平穩(wěn)期和上升期(尤其是徑流上升期)，徑流對(duì)降雨的響應(yīng)強(qiáng)于徑流的下降期。這說(shuō)明潮白河流域徑流量的增加來(lái)自于雨量的增加，然而徑流量的減少，更多的受到其他因素的影響。前人對(duì)渾太流域的研究結(jié)果顯示：徑流發(fā)生突變的前后時(shí)期，降雨與徑流的關(guān)系是有很大差異的——在突變點(diǎn)之前，降雨對(duì)徑流的響應(yīng)較大，而突變之后響應(yīng)降低，即受到氣候因素的影響減弱，受其他人為因素影響更多，如土地利用、覆被變化的影響，又如水庫(kù)等造成的結(jié)構(gòu)變化等[12]。而上述發(fā)生突變之前的徑流趨勢(shì)，處于較為平穩(wěn)狀態(tài)，而突變之后為明顯下降的趨勢(shì)。即在平穩(wěn)期時(shí)，徑流對(duì)降雨的響應(yīng)強(qiáng)于下降期。這與本研究中，徑流的平穩(wěn)期、上升期徑流對(duì)降雨的響應(yīng)強(qiáng)于徑流的下降期有相似之處。

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)潮白河流域徑流的趨勢(shì)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：不同尺度下的各流域年徑流變化存在差異，潮白河流域在20世紀(jì)60年代后期70年代初期，徑流減少較為明顯，之后減少趨勢(shì)開(kāi)始減緩，突變點(diǎn)出現(xiàn)在1990年；2大子流域之一的白河流域變化趨勢(shì)與潮白河大致相似，而潮河流域則大不相同，并在1985年出現(xiàn)突變點(diǎn)，之后徑流量在穩(wěn)中有升地變化；白河的子流域三道營(yíng)流域與下堡流域變化趨勢(shì)也不盡相同，分別在突變之后呈上升及下降趨勢(shì)，而潮河流域的2個(gè)子流域(戴營(yíng)和半城子)也分別在突變之后呈平穩(wěn)上升趨勢(shì)。

按照不同流域徑流對(duì)降雨響應(yīng)的敏感程度分為敏感、較為敏感與不敏感3類(lèi)后，從徑流系數(shù)的比較中發(fā)現(xiàn)，各子流域產(chǎn)流受其他自然地理要素影響不大，而徑流和降雨的Pearson相關(guān)系數(shù)的平方(R2)與面積呈顯著負(fù)相關(guān)，流域面積越大，徑流對(duì)降雨的響應(yīng)越弱——在小尺度的流域中，氣候因素影響更加突出，而隨著尺度增大，徑流減少，更多地受到其他因素的影響。

由Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，徑流變化的上升期、平穩(wěn)期徑流對(duì)降雨的響應(yīng)明顯強(qiáng)于徑流下降期，即徑流量增加來(lái)源于雨量增加，而徑流量下降受氣候因素和土地利用因素影響更多；因而，進(jìn)一步的研究，應(yīng)該集中在下墊面變化和其他氣候條件變化對(duì)多尺度徑流變化的影響上。

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Multi-scale analysis on precipitation-runoff relationship in Chaobaihe Basin

Liu Jiakai1,Zhang Zhenming1,Yan Guoxin1,Yu Xinxiao2

(1.School of Nature Conservation,Beijing Forestry University,100083,Beijing,China；2.School of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,100083,Beijing,China)

[Background] Climate variations,especially the changes of precipitation are considered as a main factor of runoff decrease.However,previous studies reported that the feedback of runoff to the precipitation varied in different areas and time periods.It might be also influenced by the basins’ scales.This work is to reveal the relationship between runoff and precipitation in different spatial-temporal scales in Chaobaihe Basin,the major water resource area for Beijing,from 1957 to 2001.[Methods] The climate data was from meteorological stations of China Meteorological Administration while the runoff data was from hydrological stations of Chaobaihe Basin.The precipitation series of each sub-basin were calculated by Thiessen polygon method,and Mann-Kendall trend test was used to identify the change trends and abrupt change points.At last,the relationship between precipitation-runoff were analyzed using regression analysis.[Results] The runoff change trend in each sub-basin was slightly different from each other,differing in the extent of fluctuations and degree of stability,however,the difference was not significant.According to the analysis of abrupt change points,the 44 years was divided into 3 periods:runoff increase period,decline period and stable period.The results suggested that the runoff decreased sharply from 1960 to 1970 and after 1990 the runoff increased slightly,while from 1970 to 1990,the runoff fluctuated greatly and did not show obvious rules.On the other hand,based on the Pearson correlation coefficient from regression analysis between precipitation and runoff,the value became smaller as the sub-basin scale increased.This meant that precipitation affected the small basins more significantly,and the affecting factors in the large basins were more complex.The larger the basin area was,the weaker the correlation between runoff and precipitation was.In addition,the relations also showed differences in different period.The Pearson correlation coefficients in increase and stable period were larger than that in the decrease period.This difference indicated that the responses of runoff to the precipitation in increase and stable period were much stronger than in decline period.Increase of runoff was deeply influenced by precipitation while the decrease of runoff was affected more by other factors.[Conclusions] Human activities and climate changes are two factors that influence the runoff.In Chaobaihe Basin and its sub-basins,increasing precipitation leads to the increase of runoff while human activities should be responsible for the runoff decreasing.Besides,in small-scale basins,precipitation variation could explain the change of runoff very well,however in large-scale basins,human activities might be the main reason causing the changes of runoff.Thus,in order to guarantee the water yield,management of human activities such as optimization the land use and reasonable utilization of water resources is crucially important.

precipitation; runoff; multi-scale; change point; Chaobaihe Basin

2015-07-01

2015-08-28

項(xiàng)目名稱(chēng)：北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目“北京山區(qū)低效水源保護(hù)林多功能定向改造技術(shù)研究與示范”(Z151100002115007)

劉佳凱(1991—)，男，碩士研究生。主要研究方向：森林生態(tài)水文，水土保持與荒漠化防治。E-mail：timberfield1991@163.com

簡(jiǎn)介：余新曉(1961—)，男，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：森林生態(tài)水文，水土保持與荒漠化防治。E-mail：yuxinxiaoyxx@163.com

S715

A

1672-3007(2016)04-0050-10

10.16843/j.sswc.2016.04.007