沙潁河代表站徑流演變特征及歸因分析

王豪杰+左其亭+羅增良

摘要：徑流演變特征研究可為在變化環(huán)境下制定流域水資源規(guī)劃、建立流域水文響應(yīng)機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。以沙潁河流域代表水文站阜陽(yáng)站為例，運(yùn)用M-K檢驗(yàn)法和小波分析法分析了1956年-2011年徑流變化特征，并從氣候變化及人類活動(dòng)的角度分析了徑流變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。結(jié)果表明：沙潁河阜陽(yáng)站徑流總體呈下降趨勢(shì)，但下降趨勢(shì)不明顯，總體未達(dá)到95%顯著性水平；在1966年前后存在明顯的突變點(diǎn)；徑流存在13a、26 a兩類周期變化特性，周期演變過程受人類活動(dòng)影響顯著。就驅(qū)動(dòng)因素而言，人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率在65%以上，氣候變化對(duì)徑流變化的影響較弱，表現(xiàn)為從負(fù)向到正向的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：徑流演變；氣候變化；人類活動(dòng)；蒸發(fā)率函數(shù)；阜陽(yáng)站

中圖分類號(hào)：P333 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2017）05-0036-07

近幾十年來隨著工業(yè)社會(huì)的迅速發(fā)展和人類活動(dòng)的快速擴(kuò)張，自然環(huán)境受人類活動(dòng)的影響日益加深，全球氣候也隨之發(fā)生劇烈變化。全球性的氣候變化和人類對(duì)水資源利用程度的逐漸加深，對(duì)水文過程產(chǎn)生較大影響，尤其對(duì)水資源的形成和轉(zhuǎn)化產(chǎn)生直接影響，因此變化環(huán)境下的水文過程分析在國(guó)際水文研究中備受關(guān)注。氣候變化通過影響區(qū)域內(nèi)降水和溫度等氣象因素對(duì)水文過程產(chǎn)生影響，人類活動(dòng)對(duì)水文過程的影響則主要表現(xiàn)在下墊面性質(zhì)變化導(dǎo)致的蒸發(fā)、入滲及產(chǎn)匯流等過程的改變。在分析二者對(duì)徑流影響的過程中，常用的方法包括彈性分析、水熱平衡分析法、線性分析法、COPU LA函數(shù)法等。

淮河流域是我國(guó)人口密度最大的流域之一，沙潁河是淮河最大的支流。自20世紀(jì)60年代以來，人類在沙潁河流域的取用水活動(dòng)逐漸增強(qiáng)，并修建了大量水利工程設(shè)施以滿足社會(huì)發(fā)展，徑流過程受日益增長(zhǎng)的人類活動(dòng)的影響。此外，沙潁河徑流演變過程也受到氣候變化帶來的影響。但目前對(duì)沙潁河流域徑流的研究，主要集中在河流水質(zhì)污染及徑流特性方面，缺乏氣候變化及人類活動(dòng)對(duì)其演變特征影響機(jī)制的分析。本文選取沙潁河流域重要控制站點(diǎn)——阜陽(yáng)站為代表站，采用1956年-2011年流量數(shù)據(jù)，運(yùn)用M-K檢驗(yàn)、小波分析法，對(duì)阜陽(yáng)站徑流演變趨勢(shì)、徑流突變及周期變化特征進(jìn)行分析，并采用阜陽(yáng)氣象站氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合PLM公式，計(jì)算阜陽(yáng)站潛在蒸發(fā)量，從氣候變化及人類活動(dòng)的角度分析徑流演變過程及二者的貢獻(xiàn)率。

1研究區(qū)概況

沙潁河發(fā)源于河南嵩山地區(qū)，在阜陽(yáng)市沫河口流入淮河，以潁河為源全長(zhǎng)共545.21km，流域面積39 075.30 km²。降水量年際及年內(nèi)分布不均，年際降水量變化大，易呈現(xiàn)連澇或連旱現(xiàn)象。徑流形式主要為雨洪型。

阜陽(yáng)水文站位于阜陽(yáng)市三里灣，控制面積35246 km²，是沙潁河流域重要的控制性站點(diǎn)，能直觀反映流域徑流的演變趨勢(shì)，此外，水文站位于沙潁河下游平原區(qū)，所控制流域是人類活動(dòng)較強(qiáng)的區(qū)域之一，徑流過程同時(shí)受氣候變化和人類活動(dòng)的影響。基于上述考慮，選取阜陽(yáng)站作為沙潁河流域代表站，研究其徑流演變特征，并從人類活動(dòng)和氣候變化的角度對(duì)其驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行分析。

2方法與數(shù)據(jù)

2.1研究思路

運(yùn)用M—K檢驗(yàn)以及小波分析法對(duì)阜陽(yáng)站徑流演變特征進(jìn)行分析；在此基礎(chǔ)上，確定徑流受人類活動(dòng)影響較弱的時(shí)期作為基準(zhǔn)期，根據(jù)水量平衡原理和P-M公式計(jì)算阜陽(yáng)站基準(zhǔn)期的實(shí)際蒸發(fā)量和潛在蒸發(fā)量，通過蒸發(fā)率函數(shù)確定地區(qū)特征參數(shù)ω、β、γ；將基準(zhǔn)期之后的研究期以10年為單位劃分時(shí)段，根據(jù)阜陽(yáng)站氣象資料，分別計(jì)算各時(shí)段的潛在蒸發(fā)量，分析降水、潛在蒸發(fā)量變化情況及對(duì)徑流的影響；計(jì)算氣候變化和人類活動(dòng)分別引起的徑流變化量，并分析二者對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)。

2.2研究方法

（1）徑流演變特征分析。

Mann-Kendall檢驗(yàn)。在水文序列的時(shí)變性分析過程中，M-K檢驗(yàn)是一項(xiàng)被普遍應(yīng)用的非參數(shù)檢驗(yàn)工具。該方法對(duì)水文序列數(shù)據(jù)的要求較低，計(jì)算較簡(jiǎn)便，可適用于降水、徑流、氣溫等水文要素的長(zhǎng)序列趨勢(shì)分析。通過M-K檢驗(yàn)，可以分析水文序列的長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)，得出水文序列的突變性以及突變時(shí)間。

小波分析。在水文分析中，小波分析主要應(yīng)用于水文過程的多時(shí)間尺度和周期變化分析，能客觀定量地得出數(shù)據(jù)序列中隱藏的多種周期性變化，并可以對(duì)數(shù)據(jù)序列局部進(jìn)行細(xì)化分析，以得出長(zhǎng)序列內(nèi)部的周期變化規(guī)律。

（2）徑流影響因素識(shí)別。

氣候變化可引起降水、氣溫、風(fēng)速等氣象因素的變化，導(dǎo)致水文循環(huán)過程發(fā)生變化，通過影響降水和蒸發(fā)情況，進(jìn)而影響地區(qū)的水量平衡狀態(tài)。對(duì)阜陽(yáng)地區(qū)而言，水量平衡可以表示為：

R=P-E+ΔS （1）

式中：R為徑流量；P為降水量；E為阜陽(yáng)實(shí)際蒸發(fā)量；ΔS為區(qū)域水量變化量。在長(zhǎng)期自然計(jì)算條件下，ΔS可近似為0。

在水量收支平衡的基礎(chǔ)上，Zhang等認(rèn)為，在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，區(qū)域多年平均實(shí)際蒸散發(fā)量與年平均降水量、流域潛在蒸發(fā)量和植被水分利用能力有密切的關(guān)系，并基于全球超過250個(gè)地區(qū)的分析結(jié)果，提出了如下蒸發(fā)率函數(shù)：

式中：E₀為潛在蒸發(fā)量；ω為植被水分利用能力，表示區(qū)域森林覆蓋狀況對(duì)函數(shù)的影響程度。

自20世紀(jì)60年代以來，隨著人類活動(dòng)的擴(kuò)張，阜陽(yáng)市水資源的消耗也隨之大幅增長(zhǎng)。選取阜陽(yáng)站受人類活動(dòng)影響較小的時(shí)期，通過水量平衡方程推導(dǎo)該時(shí)期的實(shí)際蒸發(fā)量，并通過PLM公式推求逐日潛在蒸發(fā)量，累加得到年潛在蒸發(fā)量。使用蒸發(fā)率函數(shù)確定區(qū)域植被水分利用能力ω。

P-M公式計(jì)算形式如下：

氣象數(shù)據(jù)同樣采用1956年-2011年阜陽(yáng)氣象站每日記錄資料，包括風(fēng)速、氣溫（最低、最高、平均）、日降水量、大氣壓以及平均水汽壓等。另外，由于阜陽(yáng)氣象站缺少太陽(yáng)凈輻射數(shù)據(jù)，考慮到阜陽(yáng)與合肥經(jīng)緯度相近，因此采用合肥市太陽(yáng)凈輻射數(shù)據(jù)代替計(jì)算。endprint

3阜陽(yáng)站徑流演變特征

3.1徑流趨勢(shì)變化

根據(jù)沙潁河流域阜陽(yáng)站1956年-2011年徑流序列數(shù)據(jù)，運(yùn)用趨勢(shì)線分析和M-K秩次相關(guān)檢驗(yàn)法分析阜陽(yáng)站徑流的變化情況，見圖1。

由圖1可知，沙潁河阜陽(yáng)站年徑流量在研究期內(nèi)呈下降趨勢(shì)，徑流平均線性遞減率為1.34 mm/year。徑流年際分布不均勻，年平均徑流量最大值為414.0 mm，最小值僅18.3 mm，徑流極端值出現(xiàn)頻繁。1956年-1965年徑流量較大，時(shí)段內(nèi)年平均徑流量為204.1 mm，且存在明顯的豐枯交替現(xiàn)象。1965年以后年徑流量明顯減小，豐枯交替現(xiàn)象減弱，與從該時(shí)期起人類活動(dòng)逐漸增強(qiáng)和流域內(nèi)各類水利工程調(diào)度運(yùn)行影響一致。根據(jù)M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)值Z=-1.42，同樣表明阜陽(yáng)站徑流序列呈下降趨勢(shì)，滿足90%置信水平，但未達(dá)到95%顯著性水平。

3.2徑流突變特征

在分析沙潁河阜陽(yáng)站徑流趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用M-K檢驗(yàn)法分析其突變特征，如圖2。

由UF曲線可知，沙潁河阜陽(yáng)站徑流量呈下降趨勢(shì)，UF和UB兩條曲線在1957年-1966年產(chǎn)生了多個(gè)交點(diǎn)，這是由于沙潁河流域在該時(shí)期內(nèi)大量修建水利工程，其截流和取水過程使流域內(nèi)徑流發(fā)生劇烈的變化，進(jìn)而影響阜陽(yáng)站徑流也發(fā)生相應(yīng)的變化。其中，白龜山水庫(kù)1966年全面建成，總庫(kù)容9.22億m³；昭平臺(tái)水庫(kù)總庫(kù)容7.13億m³，1959年建成部分土建工程，1964年由于河道嚴(yán)重沖刷，造成沙河改道，嚴(yán)重影響了沙潁河下游阜陽(yáng)站徑流過程。因此，確定徑流序列在1966年發(fā)生突變，1993年-2004年下降趨勢(shì)達(dá)到95%顯著性水平?？傮w下降趨勢(shì)與M-K秩次相關(guān)檢驗(yàn)分析一致，未達(dá)到95%顯著性水平。

3.3徑流周期變化

采用小波分析方法對(duì)沙潁河阜陽(yáng)站徑流周期變化特性進(jìn)行分析，并使用M atlab工具繪制小波變換系數(shù)實(shí)部分布圖和方差圖，見圖3、圖4。

根據(jù)實(shí)部分布圖和方差圖，可知阜陽(yáng)站徑流呈現(xiàn)出明顯的多時(shí)間變化特征，存在13 a、26 a兩類周期變化特征，13 a周期變化對(duì)徑流序列的方差貢獻(xiàn)最大，是徑流演變的第一主周期，26 a周期變化為第二周期。

繪制小波系數(shù)模方分布圖，如圖5。對(duì)徑流序列中各存在周期的能量大小進(jìn)行分析可知，13 a周期的能量最強(qiáng)，周期最顯著，但在時(shí)間尺度上從20世紀(jì)60年代后期開始發(fā)生衰減，并在1980年前基本消失，轉(zhuǎn)為26 a的周期特性；26 a徑流變化周期在13 a周期發(fā)生衰減的同時(shí)開始出現(xiàn)，周期顯著性較弱，但分布時(shí)間均勻，一直持續(xù)到研究期結(jié)束，表現(xiàn)為穩(wěn)定發(fā)生趨勢(shì)。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)一方面是由于從該時(shí)期開始，阜陽(yáng)地區(qū)人類活動(dòng)逐漸增強(qiáng)，對(duì)徑流周期演變的影響逐漸加深；另一方面是由于該時(shí)期沙潁河流域大量修建水利工程，對(duì)流域內(nèi)水文過程造成了較大的影響，使沙潁河阜陽(yáng)站徑流特性發(fā)生了較大改變。

4阜陽(yáng)站徑流演變驅(qū)動(dòng)因素貢獻(xiàn)分析

徑流演變驅(qū)動(dòng)因素分為自然因素和人為因素。其中自然因素包括降水、氣溫、水汽壓、太陽(yáng)輻射等要素的影響，而潛在蒸發(fā)量是對(duì)區(qū)域內(nèi)除降水外各氣象要素的綜合反映。徑流演變過程中，降水量增加可通過產(chǎn)匯流過程引起徑流量增加，而潛在蒸發(fā)量的上升可增加實(shí)際蒸散發(fā)量，進(jìn)而引起徑流量減少。

本文分析的人為因素主要表現(xiàn)為人類的取用水活動(dòng)和水利工程對(duì)徑流產(chǎn)生的影響作用，是阜陽(yáng)地區(qū)人類生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水以及流域內(nèi)各類水利工程建設(shè)運(yùn)行影響的綜合體現(xiàn)。

4.1降水及潛在蒸發(fā)量變化分析

（1）降水變化分析。

根據(jù)阜陽(yáng)氣象站降水?dāng)?shù)據(jù)繪制年降水量趨勢(shì)分析圖，見圖6。可知阜陽(yáng)站降水量在20世紀(jì)60和70年代相對(duì)較少，80年代之后降水量相對(duì)上升，在長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)呈現(xiàn)輕微上升趨勢(shì)。另外，90年代后，降水極值出現(xiàn)頻率與前期相比有增大的趨勢(shì)?？傮w而言，沙潁河阜陽(yáng)站降水量受氣候影響呈輕微上升趨勢(shì)，90年代之后受全球氣候變暖影響，降水量年際波動(dòng)變大。

（2）潛在蒸發(fā)量變化分析。

根據(jù)阜陽(yáng)氣象站1956年-2011年數(shù)據(jù)，計(jì)算逐日潛在蒸發(fā)量，進(jìn)行累加計(jì)算得阜陽(yáng)站歷年潛在蒸發(fā)量，繪制趨勢(shì)分析圖，如圖7。并結(jié)合M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)值Z=-2.65，可知阜陽(yáng)站潛在蒸發(fā)量總體有顯著下降趨勢(shì)，滿足99%顯著性水平。對(duì)潛在蒸發(fā)量序列做M-K突變分析，并繪制潛在蒸發(fā)量突變趨勢(shì)如圖8?？芍碀}河阜陽(yáng)站潛在蒸發(fā)量在1974年發(fā)生突變，突變前UFr后）>0，潛在蒸發(fā)量呈上升趨勢(shì)。突變點(diǎn)后的UF（k）<0，潛在蒸發(fā)量開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并在1983年之后達(dá)到95%顯著性水平。

4.2徑流演變驅(qū)動(dòng)因素貢獻(xiàn)率

沙潁河阜陽(yáng)站徑流量在1966年發(fā)生突變，在突變年發(fā)生之前，人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響較弱，因此采用1956年-1965年為基準(zhǔn)年，以10年為單位劃分研究時(shí)段，分析基準(zhǔn)期之后各時(shí)段徑流變化情況。采用基準(zhǔn)期阜陽(yáng)站實(shí)測(cè)水文氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)蒸發(fā)率函數(shù)率定參數(shù)。率定得植被水分利用能力ω=1.478。并計(jì)算得出阜陽(yáng)地區(qū)徑流敏感性參數(shù)β=0.451，γ=-0.235。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)公式（41計(jì)算二者對(duì)沙潁河阜陽(yáng)站各時(shí)段徑流變化的影響分量和貢獻(xiàn)率η_c和η_h，結(jié)果見表1。

由表1計(jì)算結(jié)果可以看出，人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率在各時(shí)期均在65%以上，在2006年-2011年達(dá)到95%以上，是沙潁河阜陽(yáng)站徑流量變化的主要影響因素。從對(duì)徑流量的影響大小來看，在1986年-1995年達(dá)到最大，相比基準(zhǔn)期，徑流量降低了167.5 mm，貢獻(xiàn)率為88.08%；1995年以后人類活動(dòng)影響大小逐漸減弱，但由于氣候變化對(duì)徑流的影響也同時(shí)減弱，人類活動(dòng)貢獻(xiàn)率反而增加，并于2006年-2011年達(dá)到95%的最大貢獻(xiàn)率。氣候變化對(duì)徑流量的貢獻(xiàn)率則逐漸減弱，1976年-1985年最大為34.14%，2006年-2011年最小，僅為4.3%。影響模式則表現(xiàn)為從負(fù)向到正向的趨勢(shì)，這種模式與阜陽(yáng)當(dāng)?shù)貧夂虻淖兓闆r密切相關(guān)。根據(jù)對(duì)沙潁河阜陽(yáng)站降水量和潛在蒸發(fā)量的趨勢(shì)分析可以看出，和基準(zhǔn)期相比，降水量在1966年-1985年相對(duì)較低，1985年后逐漸上升，對(duì)徑流量影響表現(xiàn)為從減少作用向增加作用轉(zhuǎn)變。潛在蒸發(fā)量在1974年左右產(chǎn)生突變，突變前呈上升趨勢(shì)，之后逐漸下降，并在1983年之后達(dá)到95%顯著性水平。而潛在蒸發(fā)量與徑流量變化呈負(fù)相關(guān)。因此，根據(jù)降水和潛在蒸發(fā)量的綜合分析結(jié)果，阜陽(yáng)站氣候變化在1966年-1985年對(duì)徑流影響表現(xiàn)為減少作用，在1985年之后表現(xiàn)為增大作用。

5結(jié)論

本文以沙潁河阜陽(yáng)站為代表站，基于M-K檢驗(yàn)方法和小波分析法，分析沙潁河阜陽(yáng)站徑流演變特性，并根據(jù)蒸發(fā)率函數(shù)，從氣候變化及人類活動(dòng)的角度，分析阜陽(yáng)站徑流變化情況，主要結(jié)論如下。

（1）沙潁河阜陽(yáng)站徑流總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但下降趨勢(shì)不明顯，M-K檢驗(yàn)結(jié)果顯示，徑流在1993年-2004年下降趨勢(shì)達(dá)到顯著性水平，總體下降趨勢(shì)則未達(dá)到統(tǒng)計(jì)意義顯著水平；徑流序列在1966年前后存在明顯突變點(diǎn)；存在13 a、26 a兩類演變周期，且周期演變進(jìn)程受人類活動(dòng)尤其是水利工程修建影響顯著。

（2）在徑流變化過程中，人類活動(dòng)始終起著負(fù)向減流作用，對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率在65%以上。影響量大小呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)，說明隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類對(duì)水資源的利用程度逐漸加深，利用方式則表現(xiàn)為逐漸從無節(jié)制的利用方式向可持續(xù)利用的方式轉(zhuǎn)變。而氣候變化對(duì)徑流的影響相對(duì)較弱，且呈現(xiàn)先負(fù)面減流后增大徑流的趨勢(shì)。endprint