北洛河上游徑流變化特征及其驅(qū)動因素研究

陳玫君，穆興民,，高 鵬,?，趙廣舉,，孫文義,，趙建民

(1.中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，712100，陜西楊凌； 2.中國科學院大學，100049，北京；3.西北農(nóng)林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室， 712100，陜西楊凌；4.南昌工程學院水利與生態(tài)工程學院，330099，南昌)

20世紀以來，由于氣候變化和人類活動的綜合作用，干旱半干旱地區(qū)河流水沙過程發(fā)生了顯著變化，并已成為世界性的研究熱點[1-4]，其中黃河中游黃土高原一直是該研究的熱點地區(qū)。研究表明，1996 年以來，黃河水沙進一步發(fā)生顯著變化，實測徑流量、輸沙量急劇減少，這對黃河的治理與開發(fā)帶來重大影響[5]。岳曉麗[6]分析了黃河中游不同流域面積多個水文站點近60年來的水沙數(shù)據(jù)，認為人為因素是導致水沙下降的主要原因。Zhao Guangju等[7]對渭河流域1950—2008年的徑流變化研究發(fā)現(xiàn)，不同水土保持措施實施階段，人類活動和氣候變化對徑流減少的貢獻率有所不同，但人類活動均占主導地位。北洛河是陜北高原最大的河流，也是黃河中游重要的多砂粗砂區(qū)和暴雨洪水的主要源頭，其水文水資源的變化引起了學者們的關(guān)注。董起廣等[8]分析了北洛河交口河水文站月徑流資料，指出20世紀60年代以來北洛河徑流呈減小趨勢，冬季緩慢，其他季節(jié)較為明顯。劉紅英[9]對北洛河上游吳旗、劉家河、志丹水文站自建站到2006年的月徑流數(shù)據(jù)減少趨勢的原因進行分析，得出2000—2006年，人類活動影響程度大于降水，充分說明退耕還林、水土保持等流域綜合治理等措施的成效。蔣觀滔等[10]通過對北洛河吳旗水文站1971—2010年4—10月實測水文資料的定量分析，綜合4種突變點檢驗方法，認為1971—2010年降水量并未發(fā)生顯著的趨勢性變化，徑流量突變在2003年。以上研究表明，氣候變化和人類活動對徑流變化的影響因地而異，因此，在特定區(qū)域開展針對性研究，對區(qū)域水資源合理配置具有重要意義。北洛河上游是率先開展退耕還林(草)的試點地區(qū)，筆者以北洛河上游(吳旗水文站以上流域)為研究對象，分析吳旗站1971—2014年來徑流量、汛期徑流量以及非汛期徑流量的變化規(guī)律，闡明人類活動和氣候變化對年、汛期徑流過程的影響，并對未來徑流量的變化趨勢進行預測。本研究有助于認識退耕還林對河流水沙變化的影響，為北洛河流域水土流失治理提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 流域概況

本研究區(qū)為北洛河上游(吳旗水文站以上流域)，屬于黃土丘陵溝壑區(qū)，地理坐標E 107°32′40″～108°32′45″，N 36°44′53″～37°19′28″，海拔1 270.6～1 888.9 m，控制流域面積3 408 km2(圖1)。地形破碎、溝壑縱橫，植被稀少，水土流失嚴重，是黃河重要的粗砂多砂區(qū)。流域內(nèi)年均溫度7.5 ℃，無霜期96～146 d，多年平均降雨量454.9 mm，主要集中在6—9月，多年平均陸地蒸發(fā)量400～450 mm。吳旗站多年平均徑流量8 523.5萬m3[11]，主要土壤類型黃綿土[12-13]。從20世紀末開始，北洛河上游開始大規(guī)模的退耕還林(草)工程，植被、土地利用和生態(tài)環(huán)境發(fā)生了顯著變化。退耕還林對北洛河上游水資源、水文過程的影響及變化趨勢，已經(jīng)成為一個亟待深入研究的熱點問題。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)的收集與整理

筆者根據(jù)中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http:∥data.cma.gov.cn)中吳旗氣象站1971—2014年日降水數(shù)據(jù)和《黃河流域水文年鑒》中北洛河吳旗水文站1971—2014年日徑流數(shù)據(jù)，匯總得到年、月降水、徑流量。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographical location of the study area

2.2 研究方法

采用線性趨勢法、累積距平法、流量歷時曲線法、非參數(shù)Mann-Kendall(MK法)趨勢檢驗法和雙累積曲線法對降雨、徑流序列的趨勢性、突變性進行分析，并定量評價降水與人類活動對流域徑流變化的影響。線性趨勢法較為簡單，不在贅述。

1)累積距平法。用于反映數(shù)據(jù)增加或減小的趨勢，若曲線某一時間值左右分別有明顯增大和減小的趨勢，則可把該點作為變化趨勢的拐點，詳情參考文獻[14]。

2)流量歷時曲線法。反映該時間序列不同量級數(shù)據(jù)的分布情況，反映該時間序列不同等級的分布情況[15]，以大于或等于某一流量的比例表征。

3)非參數(shù)Mann-Kendall(MK)趨勢檢驗法。是一種常用的對水文序列數(shù)據(jù)隨年序變化進行趨勢性檢驗的非參數(shù)統(tǒng)計方法[16-17]。設(shè)同一時間序列X(x1,x2,…,xn)，其統(tǒng)計量為

(1)

(2)

式中：xj、xk為趨勢檢驗序列的統(tǒng)計值(年徑流量，億m3)；n為檢驗序列統(tǒng)計值的個數(shù)。則MK統(tǒng)計結(jié)果為

(3)

若Z為正值則表示序列有增加趨勢，負值則為減少趨勢。當Z的絕對值≥1.28、1.96、2.32時，序列趨勢通過90%、95%、99%的顯著檢驗。其統(tǒng)計量的計算與判讀詳見文獻[18-19]。

4)雙累積曲線法。年降水與徑流數(shù)據(jù)逐年累加得到雙累積曲線，以曲線斜率的改變判斷降水徑流關(guān)系突變點，根據(jù)基準期的降水-徑流關(guān)系得到突變后由降水量決定徑流量，其與實際徑流量之間的差值，為人類活動影響的徑流量，同時也可以計算得到降水變化引起的徑流變化[14,20]。

3 結(jié)果與分析

3.1 北洛河上游降雨量、徑流量年際變化特征

圖2 北洛河上游降雨量及徑流量變化趨勢Fig.2 Trends of rainfall and runoff in the upper reaches of the Beiluo River

3.1.1 北洛河上游降水徑流變化趨勢 1971—2014年流域內(nèi)年均面降水量455 mm，略呈增加趨勢，平均增加量為0.537 mm/a，但變化趨勢不顯著。流域內(nèi)年徑流量隨降雨變化而波動，并呈逐年減少的趨勢，年均減少量為120萬m3/a。在代際間， 1971—1980年間最大，1991—2000年為不穩(wěn)定的高產(chǎn)流時段，此階段徑流增量超過降水增量，蒸發(fā)減少。2000年以后降水最多，但徑流量最小(圖2和表1)。

表1 北洛河上游流域不同年代水文要素特征Tab.1 Hydrological characteristics in different years in the upper Beiluo River basin

3.1.2 北洛河上游流域降水、徑流的突變特征 降雨量年際之間頻繁波動，距平曲線1974—1981、1982—1985、2001—2003和2012—2014年呈上升趨勢，降水量增加；1985—2000、2004—2011年曲線呈下降趨勢，降水量減少(圖3(a))。1977—1986年距平值基本>0，屬于降水較多的時段。在過去40多年里該地區(qū)流域降水量整體變化趨勢不明顯，沒有明顯的多雨期和少雨期。

徑流量累計距平在2003年前后達到最大值。從1971年到20世紀90年代初，累計距平波動上升，年徑流整體上大于平均值；20世紀90年代中期到2000年前后，累積距平維持在最大值附近，形成了平臺期，2003年以后，累積距平迅速減小，年徑流量長期小于多年平均值(圖3(b))。說明北洛河流域在1999年實行退耕還林(草)政策改變了流域下墊面狀況，并進一步影響流域的水循環(huán)過程，作用明顯。

圖3 1971—2014 年降雨量距平動態(tài)與年徑流量距平動態(tài)Fig.3 1971—2014 rainfall anomalies (a) and runoff anomalies (b)

3.2 降雨量、徑流量年內(nèi)分布

圖4 1971—2014年月平均降雨量、徑流量Fig.4 1971—2014 average monthly rainfall, runoff

3.2.1 降雨量、徑流量的年內(nèi)季節(jié)分布 圖4顯示：北洛河上游降水主要集中在每年的6—9月，占全年降水量的73%；由于夏季降雨影響，徑流量在7—8月份出現(xiàn)較大峰值；在3—4月出現(xiàn)較小峰值，主要由于冬季冰雪融水及春季降雨增加，同時溫度低、蒸發(fā)弱，易產(chǎn)生徑流，徑流量在5月出現(xiàn)一個低谷，說明由于溫度升高、蒸發(fā)加大、春旱嚴重。

3.2.2 日徑流量的變化特征Qx為大于某一流量Q的天數(shù)占總天數(shù)的比例。2003年以后大流量和小流量出現(xiàn)的頻率都在減少，而中等流量出現(xiàn)的頻率增加。如2003年以前日均徑流>100、>1.15、<0.5 m3/s出現(xiàn)的頻率分別是0.27%、59.2%、8%，2003年后則降低到0.07%、44.9%、0.048(圖5)

圖5 北洛河上游日徑流量歷時曲線Fig.5 Flow duration curves of daily discharge and at Huangfu station

3.3 徑流變化趨勢及突變分析

采用Mann-Kendall (M-K) 趨勢分析檢驗法進行突變檢驗(圖6)，年、汛期徑流的突變年都在2003年左右，同時在20世紀80年代前期，年、汛期徑流變化也接近達到突變水平。非汛期流量相對少而平穩(wěn)，對徑流變化趨勢不起主導作用。因此，根據(jù)年、汛期徑流的變化規(guī)律可先將研究區(qū)間劃分為2段，分別是Ⅰ：1971—2002年；Ⅱ：2003—2014 年。

3.4 徑流變化成因分析

由雙累積曲線看出，流域年、汛期徑流都在2003年出現(xiàn)1個比較明顯的轉(zhuǎn)折點(圖7)，與之前得出的年、汛期徑流量突變點一致，據(jù)此，可通過線性擬合將其可分2段，分別是Ⅰ：1971—2002年；Ⅱ：2003—2014年。年徑流雙累積曲線的斜率分別是Ⅰa：21萬m3/mm，Ⅱa：13萬m3/mm。汛期徑流累積曲線的斜率分別是Ⅰb：18萬m3/mm，Ⅱb：7萬m3/mm。時段Ⅱ的斜率明顯小于時段Ⅰ(1971—2002年)。

圖6 年徑流Mann-Kendall與汛期徑流Mann-Kendall突變檢驗結(jié)果Fig.6 Annual runoff Mann-Kendall mutation test results (a) and annual runoff Mann-Kendall mutation test results (b)

圖7 北洛河上游年降雨量—徑流量雙累積曲線與汛期降雨量—輸徑流雙累積曲線Fig.7 The annual cumulative rainoff-runoff double cumulative curve in the upper reaches of Beiluo River (a) and the flood season cumulative rainoff-runoff double cumulative curve in the upper reaches of Beiluo River (b)

時段period實際徑流量Observed runoff/108m3實際降水量Annual rainfall/mm降水決定Rainfall determination/108m3人類活動影響量Impact of human activity/(108m3·a-1)人類活動影響Impact of human activity/%年份YearⅠa0.9584520.958Ⅱa0.5704630.9810.411106汛期Flood sea-sonⅠb0.6213250.621Ⅱb0.2523510.6710.419114

以1971—2002年(時段Ⅰ)為基準期，分析人類活動對徑流量變化的影響。分析結(jié)果見表2，與時段Ⅰ相比：時段Ⅱ降水增加，而徑流量減小，故人類活動的減流效益達超過100%，年和汛期減流效益分別為106%、114%。

建立突變前后年降水量-徑流深、汛期降水量-徑流深(圖8)的對應(yīng)關(guān)系，突變前后的差異則較為明顯，相同降水下突變后無論是年徑流與汛期徑流總顯著小于突變前。說明造成北洛河上游年徑流和汛期徑流顯著減少的主要因素是人類活動。

圖8 北洛河上游年降水與徑流的對應(yīng)關(guān)系與北洛河上游汛期降水與徑流的對應(yīng)關(guān)系Fig.8 Correlation between rainfall and runoff at Wuqi station

自1999年吳起縣開展退耕還林工程以來，研究區(qū)的林地面積、植被覆蓋度等指標明顯上升[21]。表3[22]顯示了北洛河上游退耕還林前后3個典型時期，從1990—2005年，草地和耕地面積明顯減少，林地面積和建筑用地大幅增加。2005到2010年林地面積緩慢增加，草地和耕地減少，建設(shè)用地有所增加。對比2005年和1990年的土地利用類型可知，早期的水土流失治理速度緩慢，程度低，后期發(fā)展快，水土保持以林草措施為主。因此，水土保持措施是導致北洛河上游徑流急劇減少的主要原因。

表3 不同時期的土地利用面積比例Tab.3 Area percentage of land use in different periods

注：表中數(shù)據(jù)解譯自1990年、2005年、2010年的遙感數(shù)據(jù)。Notes: The data in the table is interpreted from the remote sensing data of 1990, 2005 and 2010.

基于2個時段的劃分，用線性回歸方程分析降水和人類活動(水土保持)對北洛河上游徑流和洪水的影響，采用治理時限T(距離1971年的時間)代替水土保持的治理進度，P為年降水量(mm)，R為年徑流量(106m3)，擬合回歸方程(表4)?？芍傮w上，年徑流和汛期徑流都與治理時間的呈負相關(guān)關(guān)系，與降水量呈正相關(guān)關(guān)系。其顯著性水平達到a=0.05，影響顯著，說明降水量和降水強度能顯著增加流域內(nèi)徑流量和洪水量的作用，水土保持有一定程度的減水、減洪作用。但時段Ⅱ的顯著性低于時段Ⅰ，反映隨著治理年限的增加和植被恢復，徑流逐漸趨于穩(wěn)定，受非規(guī)則因素的隨機作用加強，與降雨量和治理期限的相關(guān)關(guān)系減弱。

對于整個研究期，年徑流量隨治理時間的延長下降趨勢明顯，說明人類活動特別是水土保持顯著減少了徑流量，其主要原因是可能是旱作耕地(特別是基本農(nóng)田面積)擴大，小塊水澆地的發(fā)展，以及壩庫攔蓄等。當然，如前文(圖4)所述，在時段Ⅰa的后半段，出現(xiàn)了一個徑流變化不大的平臺期，20世紀90年代的降雨量低于80年代，但徑流量卻高于80年代。這主要可能是由于2方面的因素，第一水土保持治理進入了一個瓶頸階段，部分工程措施損壞，喪失了攔蓄能力，第二，徑流變化對降水變化有一定的滯后性，80年代后期出現(xiàn)連續(xù)多雨年份，使流域內(nèi)土壤儲水量增加，徑流系數(shù)增大，這可能是90年代前期徑流量普遍較高的一個原因。2000年前后大規(guī)模退耕還林使降水-徑流關(guān)系發(fā)生了新的變化。在時段Ⅱa，治理時間和降水都和徑流都呈正相關(guān)關(guān)系，且P<0.05。這表明時段Ⅱ的徑流量雖然和時段Ⅰ相比，顯著減少，但這是水土保持和隨退耕還林作用長期累積的結(jié)果，隨著植被恢復年限的增長，徑流量并沒有持續(xù)減少，反而有微弱的增加。由表3可知：退耕還林后林地主要取代的是耕地和荒草地，農(nóng)田用水量減小，一部分農(nóng)田和裸地的耗水轉(zhuǎn)化為植被耗水，森林的水源涵養(yǎng)能力較強，使地表徑流相對穩(wěn)定[23]。森林涵養(yǎng)水源的作用，也反映在北洛河上游徑流對降水變化的敏感性在時段Ⅱ明顯低于時段Ⅰ及整個研究期。從長期看，北洛河源區(qū)徑流量的年減少的趨勢已經(jīng)放緩，北洛河源區(qū)植被已經(jīng)穩(wěn)定，近40年來降雨也沒有顯著變化；因此，在可以預見的將來，北洛河源上游的徑流量也會趨于穩(wěn)定，不會一直減少下去。

在對汛期徑流回歸方程中，整個研究期和時段Ⅰb、Ⅱb相關(guān)性總體上很好，同年徑流變化相似，汛期徑流變化在時段Ⅱb的顯著性也低于時段Ⅰb，這也反映了植被對洪水的調(diào)節(jié)作用。說明21世紀初的一個時期，北洛河上游年徑流的變化雖已趨于穩(wěn)定，但水土保持措施的蓄洪能力仍呈增加趨勢。時段Ⅱb汛期徑流對汛期降水變化的敏感性明顯低于時段Ⅰb及整個研究期也反映了森林的蓄洪作用。

表4 降雨量、徑流量之間的相關(guān)系數(shù)Tab.4 Correlation between rainfall and runoff in years and in flood season

4 結(jié)論

從1971到2014年，北洛河上游年降雨和汛期降雨沒有明顯趨勢性變化，降雨年際變化較大，但豐枯往往交錯分布。

年徑流和汛期徑流有顯著下降趨勢，非汛期徑流隨降雨變化圍繞平均值波動，北洛河上游徑流減少主要是汛期徑流變化造成的，人類活動(水土保持治理以及退耕還林措施)對徑流變化起到主導作用。

退耕還林改變了北洛河流域的植被覆蓋情況和降雨-徑流關(guān)系，但更主要的是影響了汛期徑流，徑流不會因植被恢復一直減少下去，未來北洛河上游的年徑流、汛期徑流將維持在一個相對低而且穩(wěn)定的水平。