氣候變化與人類活動對渭河源區(qū)近30年徑流量影響研究

賈 杰，姜麗紅

(甘肅省定西水文水資源勘測局，甘肅 定西 743000)

氣候變化與人類活動對渭河源區(qū)近30年徑流量影響研究

賈 杰，姜麗紅

(甘肅省定西水文水資源勘測局，甘肅 定西 743000)

利用渭河源區(qū)渭源水文站和氣象站1981—2010年氣溫、降水、蒸發(fā)以及徑流實(shí)測資料,運(yùn)用坎德爾秩次相關(guān)、斯波曼秩次相關(guān)、線性趨勢回歸檢驗(yàn)法對水文氣象要素變化趨勢進(jìn)行檢驗(yàn)，利用雙累積曲線以及累積距平曲線找出年徑流量突變年份，運(yùn)用定量分析法計(jì)算氣候變化與人類活動對徑流量變異的貢獻(xiàn)程度。結(jié)果顯示：渭河源區(qū)年均降水量與年徑流量均呈減少趨勢,年均氣溫與年蒸發(fā)量呈顯著上升趨勢；渭河源區(qū)年均氣溫、年均降水量、年蒸發(fā)量、年徑流量均發(fā)生顯著性突變；年均降水量與年徑流量相關(guān)性最高，降水量是影響渭河源區(qū)年徑流量衰減主要?dú)庀笠蛩兀粴夂蜃兓c人類活動對徑流量變化的貢獻(xiàn)率分別為23.2%和76.8%。人類活動是渭河源區(qū)流域徑流量變異的關(guān)鍵驅(qū)動因素，對徑流量變化的影響遠(yuǎn)大于氣候變化影響程度。

渭河源區(qū)；徑流量；氣候變化；人類活動

近年來，氣候變化和人類活動對徑流量變化的影響分析，已成為國內(nèi)外水文學(xué)者們研究的熱點(diǎn)問題之一。定量分析和分離氣候變化和人類活動對徑流量變化的影響，對于新形勢下的水資源管理具有重要的科學(xué)意義。近30年來，渭河源區(qū)徑流量呈明顯減少趨勢，這主要是由于受到降水量減少和水利工程建設(shè)等人類活動增加的雙重影響。因此，隨著氣候變化和人類活動的雙重影響，致使渭河源區(qū)徑流量發(fā)生減少，加之峽口水庫運(yùn)行加劇其徑流量變化，引起了渭河源區(qū)的流域水資源供需矛盾，氣候變化和人類活動對徑流量變化程度如何，其各自貢獻(xiàn)率多少，目前尚沒有進(jìn)行定量分析?；诮y(tǒng)計(jì)分析理論，運(yùn)用定量分析法分析了氣候變化和人類活動對渭河源區(qū)徑流量變化的貢獻(xiàn)率，旨在深入了解渭河源區(qū)徑流量變化過程和峽口水庫運(yùn)行管理提供決策依據(jù)和參考，對渭河源區(qū)流域水資源管理與水資源優(yōu)化配置提供科學(xué)依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

清源河系渭河源頭河流，發(fā)源于甘肅省渭源縣南部的豁豁山，地形特征南部高，北部低，流域內(nèi)有天然林分布，下墊面條件較好。流域地處內(nèi)陸，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，流域多年平均氣溫約6.1℃。清源河上游現(xiàn)已建成峽口水庫，總庫容745萬 m3，控制流域面積34.7 km2，是渭河第一庫[1]。

源區(qū)設(shè)渭源水文站在甘肅省渭源縣張家灣村，地理坐標(biāo)為東經(jīng)104°11′、北緯35°06′，集水面積100 km2，至河口距離6 km；布設(shè)雨量站3處，分別為池溝、年家寨、渭源雨量站。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本次研究數(shù)據(jù)來源于1981～2010年渭河源區(qū)渭源水文站以及渭源氣象站月年氣溫、降水、蒸發(fā)以及徑流實(shí)測資料。主要應(yīng)用坎德爾秩次相關(guān)、斯波曼秩次相關(guān)、線性趨勢回歸檢驗(yàn)法[2]對渭河源區(qū)水文氣象要素變化趨勢進(jìn)行檢驗(yàn)；坎德爾秩次相關(guān)、斯波曼秩次相關(guān)、線性趨勢回歸檢驗(yàn)法等統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法是分析水文氣象數(shù)據(jù)的有效方法，當(dāng)給定顯著水平α后，查得相應(yīng)的臨界值，當(dāng)統(tǒng)計(jì)值大于臨界值時，水文序列變化趨勢顯著，當(dāng)統(tǒng)計(jì)值小于臨界值時，則趨勢不顯著。利用雙累積曲線以及累積距平曲線找出年徑流量突變年份；雙累積曲線主要用來分析不同變量之間的一致性及其變化，被廣泛用于檢驗(yàn)水文氣象要素的趨勢性變化。繪制的降水-徑流雙累積曲線，若為一條直線，則認(rèn)為沒有人類活動影響，若直線斜率發(fā)生突變，則意味存在人類活動的影響，且斜率突變點(diǎn)即為區(qū)分徑流有無人類活動影響的時間[3]。通過繪制累積距平曲線觀察距平值的變化趨勢，若在某一年份前是增加(或減少)趨勢，在這一年份后是減少(或增加)趨勢，則該年份就是序列的突變點(diǎn)[4]。通過多個突變檢驗(yàn)方法對序列進(jìn)行檢驗(yàn)，可以使突變點(diǎn)的選取更為全面合理。最后運(yùn)用定量分析法計(jì)算了氣候變化與人類活動對渭河源區(qū)徑流量變化的貢獻(xiàn)程度[5]。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流量的年內(nèi)變化分析

本文通過年內(nèi)分配百分比、不均勻系數(shù)及集中程度[6]等來反映徑流量的年內(nèi)變化。渭河源區(qū)多年平均月徑流量呈高度集中分布，集中于5—10月，其中5—10月多年平均徑流量占全年徑流量的78.5%。

利用渭河源區(qū)渭源水文站實(shí)測徑流量資料，計(jì)算不同年代徑流量的不均勻系數(shù)、集中度、集中期，結(jié)果列于表1。從表1可以看出，各年代不均勻系數(shù)在2.62～3.46之間，集中度在0.369～0.512之間，集中日期均出現(xiàn)在7月上旬。說明渭河源區(qū)徑流量年內(nèi)分布極不均勻，月最大徑流量出現(xiàn)在7月上旬，集中期徑流量占全年徑流量的14.8%。

表1 渭河源區(qū)徑流量年內(nèi)分配指標(biāo)統(tǒng)計(jì) 萬 m3

3.2 徑流量變化趨勢及突變分析

3.2.1 徑流量的年際、年代際變化規(guī)律及趨勢分析

繪制渭河源區(qū)渭源水文站年徑流量過程線圖(見圖1)所示，渭河源區(qū)渭源水文站多年平均徑流量為2 081萬 m3，從20世紀(jì)80年代開始到21世紀(jì)最初10 a，年徑流量存在減少趨勢，趨勢線具有513.0萬 m3/10a負(fù)傾向率。20世紀(jì)80年代多年平均徑流量為2 708萬 m3，90年代多年平均徑流量為1 820萬 m3，21世紀(jì)最初10年多年平均徑流量為1 715萬 m3，20世紀(jì)80年代多年平均徑流量大于多年平均值，從90年代開始徑流量小于多年平均值，呈明顯遞減趨勢。趨勢變化分析情況[7](見表2)。從表2可以看出，渭河源區(qū)渭源水文站年徑流量呈顯著減少趨勢。

圖1 渭河源區(qū)渭源水文站年徑流量過程線

站名趨勢項(xiàng)檢驗(yàn)方法(α=0．05)坎德爾秩次相關(guān)斯波曼秩次相關(guān)線性趨勢相關(guān)U(α/2)=1．96T(α/2)=2．01T(α/2)=2．01趨勢程度渭源3．3373．753．42減少、顯著

3.2.2 徑流量突變分析

繪制渭河源區(qū)年均降水量-年徑流量雙累積曲線圖和年徑流量累積距平圖，如圖2、圖3所示，從圖2可以看出，年均降水量和年徑流量雙累積曲線(直線)斜率在1993年發(fā)生了突變。從圖3可以看出，年徑流量的突變點(diǎn)也發(fā)生在1993年。姚玉璧[8]等通過M-K法對渭河源區(qū)徑流量年際變化序列進(jìn)行了突變檢測，發(fā)現(xiàn)突變點(diǎn)也在1993年，因此，將1993年視為渭河源區(qū)年徑流量變化的突變點(diǎn)是合理的。將1993年之前作為不受人類活動影響的基準(zhǔn)期，1993年之后作為受人類活動影響的時期。

圖2 渭河源區(qū)年均降水量-年徑流量雙累積曲線圖

圖3 渭河源區(qū)年徑流量累積距平曲線圖

對渭河源區(qū)渭源水文站年徑流量進(jìn)行突變統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，綜合判斷系列資料的突變情況，若統(tǒng)計(jì)量大于臨界值T(a/2)，則表明a=0.05的顯著水平下突變顯著[9]。以突變點(diǎn)為界，分別計(jì)算突變前后的均值及跳躍量，計(jì)算結(jié)果見表3。從表3得出，基準(zhǔn)期年均徑流量為2 671萬 m3，影響期的年均徑流量為1 630萬 m3，跳躍點(diǎn)前后年均徑流量減少了1 041萬 m3，減少了39%。

表3 渭河源區(qū)渭源水文站徑流量均值跳躍性趨勢檢驗(yàn) 萬 m3

3.3 徑流量對氣候變化與人類活動響應(yīng)

流域氣候變化特征最直接的反映表現(xiàn)為氣溫的變化。氣溫變化導(dǎo)致流域水循環(huán)條件的改變，影響到降水特性的改變，最終體現(xiàn)在流域徑流量變化，所以對流域水文環(huán)境的影響主要體現(xiàn)為徑流量的變化。氣候變化和人類活動是影響河川徑流的主要因素。

3.3.1 氣溫、降水量、蒸發(fā)量變化特征

繪制渭河源區(qū)年均氣溫距平圖(見圖4)，可以看出20世紀(jì)80年代～90年代中期多為負(fù)距平，年均氣溫低于多年平均值，20世紀(jì)90年代中期以后年均氣溫多為正距平，高于多年平均值。1996年以后年均氣溫出現(xiàn)明顯的升高趨勢。渭河源區(qū)多年平均氣溫為6.1℃，年均最高氣溫為7.1℃，出現(xiàn)在2006年，年均最低氣溫為4.8℃，出現(xiàn)在1984年。年均氣溫的總體變化趨勢呈上升趨勢，具有0.4℃/10a傾向率。

圖4 渭河源區(qū)年均氣溫距平圖

圖5 渭河源區(qū)年均降水量距平圖

繪制渭河源區(qū)年均降水量距平圖(見圖5)，可以看出20世紀(jì)80年代～90年代中期多為正距平，年均降水量高于多年平均值，20世紀(jì)90年代中期以后年均降水量多為負(fù)距平，低于多年平均值。1993年以后年均降水量出現(xiàn)明顯的減少趨勢。渭河源區(qū)多年平均降水量為651.5 mm，年均最大降水量為841.7 mm，出現(xiàn)在2003年，年均最小降水量為415.0 mm，出現(xiàn)在1997年。年均降水量的總體變化趨勢呈減少趨勢，具有33.7 mm/10a負(fù)傾向率。

繪制渭河源區(qū)年蒸發(fā)量距平圖(見圖6)，可以看出20世紀(jì)80年代～90年代中期多為負(fù)距平，年蒸發(fā)量低于多年平均值，20世紀(jì)90年代中期以后年蒸發(fā)量多為正距平，高于多年平均值。渭河源區(qū)多年平均年蒸發(fā)量為1 076.1 mm，年最大蒸發(fā)量為1 267.4 mm，出現(xiàn)在2010年，年最小蒸發(fā)為915.1 mm，出現(xiàn)在1984年。1994年以后年蒸發(fā)量出現(xiàn)明顯的升高趨勢。年蒸發(fā)量總體變化趨勢呈上升趨勢，具有58.0 mm/10a傾向率。

圖6 渭河源區(qū)年蒸發(fā)量距平圖

渭河源區(qū)年均氣溫、年均降水量、年蒸發(fā)量趨勢變化分析檢驗(yàn)情況(見表4)。從表4可以看出，渭河源區(qū)年均氣溫、年蒸發(fā)量均呈顯著增加趨勢，年均降水量呈減少趨勢，但不顯著。

渭河源區(qū)年均氣溫、年均降水量、年蒸發(fā)量均值跳躍性趨勢檢驗(yàn)情況(見表5)。從表5可以看出，渭河源區(qū)年均氣溫、年均降水量、年蒸發(fā)量均發(fā)生顯著性跳躍，年均氣溫跳躍點(diǎn)為1996年，跳躍點(diǎn)前后均值增加0.8℃，增加了14%，年均降水量跳躍點(diǎn)為1993年，跳躍點(diǎn)前后均值減少了76.3 mm，減少了11%，年蒸發(fā)量跳躍點(diǎn)為1994年，跳躍點(diǎn)前后均值增加了111.0 mm，增加了11%。

3.3.2 氣溫、降水量、蒸發(fā)量變化對徑流量的影響

對30年渭河源區(qū)年徑流量和年均氣溫資料作相關(guān)分析，得出兩者之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.608，經(jīng)檢驗(yàn)，在a=0.05時達(dá)到顯著水平，表明渭河源區(qū)年徑流量隨年均氣溫的升高呈顯著減少趨勢。

對30年渭河源區(qū)年徑流量和年蒸發(fā)量資料作相關(guān)分析，得出兩者之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.837，經(jīng)檢驗(yàn)，在a=0.05時達(dá)到顯著水平，表明渭河源區(qū)年徑流量隨年蒸發(fā)量的增加呈顯著減少趨勢，年蒸發(fā)量與年徑流量的相關(guān)性高于年均氣溫與年徑流量的相關(guān)性。

對30年來渭河源區(qū)年徑流量和年均降水量進(jìn)行相關(guān)分析，得出兩者之間呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.877，經(jīng)檢驗(yàn)，在a=0.05時達(dá)到顯著水平，表明渭河源區(qū)年徑流量隨年均降水量的減少呈顯著減少趨勢。點(diǎn)繪年徑流量和年均降水量變化曲線圖(見圖7)，從圖中可以看出，年徑流量和年均降水量都存在減少趨勢，但年徑流量的減少趨勢大于年均降水量的減少趨勢。年徑流量和年均降水量的年際變化在20世紀(jì)90年代中期以前一致性很好，20世紀(jì)90年代中后期年徑流量和年均降水量變化曲線發(fā)生了偏離，這應(yīng)該與流域內(nèi)人類活動影響(上游修建峽口水庫)有關(guān)?？傮w而言，降水量是影響渭河源區(qū)徑流量衰減的主要?dú)庀笠蛩亍?/p>

表4 渭河源區(qū)水文氣象因子趨勢檢驗(yàn)

表5 渭河源區(qū)水文氣象因子均值跳躍性趨勢檢驗(yàn)

圖7 渭河源區(qū)徑流量和降水量變化曲線圖

3.4 定量分析氣候變化與人類活動對徑流量影響

以降水量為氣候變化影響代表因素，建立數(shù)學(xué)模型，定量分析氣候變化與人類活動對徑流量變化的影響，人類活動對徑流量變化的貢獻(xiàn)率與氣候變化對徑流量變化的貢獻(xiàn)率之和為1。

令R=W/P

式中：R為徑流率，W為徑流量，P為降水量。令突變前平均徑流量為W1、降水量為P1、徑流率為R1，突變后平均徑流量為W2、降水量為P2、徑流率為R2。對徑流量W=R*P取全微分，并以差分形式表示為

4 結(jié)語

綜上所述，近30年來渭河源區(qū)氣候變化與人類活動對徑流量的影響研究結(jié)果表明：

(1)渭河源區(qū)年均降水量與年徑流量均呈減少趨勢，年徑流量的減少趨勢大于年均降水量的減少趨勢，年徑流量呈顯著減少趨勢，具有513.0萬 m3/10a負(fù)傾向率,年均降水量減少趨勢不顯著, 具有33.7 mm/10a負(fù)傾向率；年均氣溫與年蒸發(fā)量均呈顯著上升趨勢,分別具有0.4℃/10a傾向率和58.0 mm/10a傾向率。

(2)渭河源區(qū)年均氣溫、年均降水量、年蒸發(fā)量、年徑流量均發(fā)生顯著性突變，突變年份分別為1996年、1993年、1994年、1993年，年均氣溫跳躍點(diǎn)前后均值增加0.8℃，增加了14%，年均降水量跳躍點(diǎn)前后均值減少了76.3 mm，減少了11%，年蒸發(fā)量跳躍點(diǎn)前后均值增加了111.0 mm，增加了11%，年徑流量跳躍點(diǎn)前后均值減少了1 041萬 m3，減少了39%。

(3)渭河源區(qū)年徑流量隨年均氣溫、年蒸發(fā)量的升高均呈顯著減少趨勢，隨年均降水量的減少呈顯著減少趨勢，經(jīng)相關(guān)分析，年均降水量與年徑流量相關(guān)性最高，可見降水量是影響渭河源區(qū)年徑流量衰減的主要?dú)庀笠蛩亍?/p>

(4)20世紀(jì)90年代中期以前氣候變化對徑流量的變化起主導(dǎo)作用，20世紀(jì)90年代中期以后人類活動對徑流量的變化起主導(dǎo)作用。氣候變化與人類活動對徑流量變化的貢獻(xiàn)率分別為23.2%和76.8%，人類活動對徑流量變化的影響要遠(yuǎn)大于氣候變化的影響程度。

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Climate change and human activities have studied the effects of nearly 30 years of runoff on Wei River Source Region

JIA Jie，JIANG Li-hong

(Dingxi Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Gansu Province,Gansu Dingxi 743000)

From 1981 to 2010 temperature, precipitation, evaporation and runoff data on Weiyuan hydrological station and meteorological station of Wei River Source Region, to test the change trend of hydrological and meteorological elements regression test method using Kandel rank correlation and Spomann rank correlation, linear trend, by using double cumulative curve and cumulative anomaly curve, the annual variation of annual runoff was found, and the contribution degree of climate change and human activities to runoff variation was calculated by quantitative analysis method. The results showed that the average annual rainfall and annual runoff are decreasing on Wei River Source Region, and annual temperature and annual evaporation are significantly increasing; the annual average temperature, annual precipitation, annual evaporation and annual runoff on Wei River Source Region have significant mutation; annual precipitation is the most correlated with annual runoff, and precipitation is the main meteorological factor affecting the annual runoff on Wei River Source Region; climate change and human activity contributed 23.2 percent and 76.8 percent respectively. Human activities are the key drivers for the variation of runoff on Wei River Source Region, and the impact on runoff is much greater than that of climate change.

Wei River Source Region; runoff; climate change; human activities

2017-03-16

賈杰(1987-)，男，甘肅定西人，工程師，主要從事水文水資源監(jiān)測、評價和研究工作。

P332.4

A

1004-1184(2017)04-0130-04