氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)灃河流域徑流量影響的定量評(píng)估

夏 偉， 周維博， 李文溢， 何慶龍， 安寶軍， 楊 浩

( 1.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710054； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054； 3.陜西省西咸新區(qū)灃東新城斗門水庫(kù)建設(shè)管理中心 ，陜西 西安 710086)

1 研究背景

河川徑流在自然水文循環(huán)過程中占據(jù)重要一環(huán)，對(duì)區(qū)域資源環(huán)境、自然水文循環(huán)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1-4]。而近幾十年來(lái)，隨著全球氣候變化和人類活動(dòng)的加強(qiáng)，河川徑流發(fā)生了顯著變化[5-9]。因此，針對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)河川徑流的影響程度的相關(guān)研究已經(jīng)成為水文學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。張調(diào)風(fēng)等[10]通過對(duì)湟水河流域徑流量影響因素進(jìn)行定量評(píng)估發(fā)現(xiàn)，氣候變化對(duì)湟水河流域徑流量減少的貢獻(xiàn)率為35.46%，人類活動(dòng)對(duì)湟水河流域徑流量減少的貢獻(xiàn)率為64.54%；夏軍等[11]通過對(duì)漢江上游徑流量影響因素進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，人類活動(dòng)相比于氣候變化對(duì)漢江流域徑流變化的影響較大，且其對(duì)徑流變化的影響呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)；郭愛軍等[12]對(duì)渭河流域進(jìn)行研究表明，人類活動(dòng)對(duì)渭河流域徑流量的減少有決定性影響，在1972-1991年和1992-2005年兩個(gè)時(shí)期的平均貢獻(xiàn)率接近80%。

灃河作為西安市的第三大河流，是西安市人民主要的飲用水水源地，隨著西咸新區(qū)的快速發(fā)展，灃河將逐漸從城郊河變?yōu)槌侵泻?，在城市發(fā)展中也將占據(jù)更加重要的戰(zhàn)略地位?？墒菍?duì)于灃河流域徑流特征分析及其影響因素分析研究較少，因此本文采用小波分析法[13]、累積距平法[14]、累積量斜率變化率比較法(SCRCQ)[15-18]等方法對(duì)灃河流域徑流特征及其影響因素進(jìn)行分析。

2 材料和方法

2.1 研究區(qū)概況

灃河流域位于東經(jīng)108°35′～109°09′，北緯33°50′～34°20′，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，流域內(nèi)多年平均降水量為632 mm。灃河系渭河一級(jí)支流，流經(jīng)西安、咸陽(yáng)兩市部分區(qū)縣，全長(zhǎng)為78.0 km，流域面積為1 460 km2，平均比降為8.2‰。灃河流域水系圖如圖1所示。

圖1 灃河流域水系圖

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文選取了秦渡鎮(zhèn)水文站1965-2016年徑流量和降水量數(shù)據(jù)。秦渡鎮(zhèn)水文站為灃河下游干流控制站，控制流域面積為566 km2。

2.3 研究方法

2.3.1 小波分析法 小波分析法[13]能夠反映灃河流域年徑流量在不同時(shí)間尺度上的變化情況。采用小波變換系數(shù)可以分析灃河流域年徑流量變化的主要周期。根據(jù)小波方差隨時(shí)間尺度的變化繪制的小波方差圖可以反映出灃河流域年徑流量時(shí)間序列中所包含的各種時(shí)間尺度的波動(dòng)情況以及其波動(dòng)的能量大小隨時(shí)間尺度的分布。因此，結(jié)合小波變換系數(shù)和小波方差圖可以確定出灃河流域年徑流量變化的第一主周期。

2.3.2 累積距平法 累積距平法[14]可以較為直觀地反映灃河流域年徑流量在不同時(shí)代的階段變化，同時(shí)可以采用該方法來(lái)判定年徑流量的突變年份。其具體步驟為：先計(jì)算灃河流域年徑流量的多年平均值，然后利用年徑流量減去年徑流量的多年平均值得到灃河流域每年徑流量的距平值，再將每年徑流量的距平值按照時(shí)間序列進(jìn)行累加得到灃河流域年徑流量的累積距平值。根據(jù)灃河流域年徑流量的累積距平值繪制灃河流域累積距平曲線，若累積距平曲線呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，表明累積距平值增大，年徑流量大于年徑流量的多年平均值；若累積距平曲線呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，表明累積距平值減小，年徑流量小于年徑流量的多年平均值。這兩種趨勢(shì)的交匯處所對(duì)應(yīng)的年份即為灃河流域年徑流量的突變年份。

2.3.3 累積量斜率變化率比較法(SCRCQ) 累積量斜率變化率比較法(SCRCQ)[15]的原理主要為：根據(jù)累積距平法確定突變年份，以突變年份為界，繪制突變前后兩個(gè)時(shí)期的累積量-年份關(guān)系曲線，然后在突變前后兩個(gè)時(shí)期的累積量-年份關(guān)系曲線的基礎(chǔ)上繪制突變前后兩個(gè)時(shí)期的累積量-年份的線性趨勢(shì)線，得到突變前后兩個(gè)時(shí)期的累積量-年份的線性關(guān)系式，從而得到累積量-年份的線性關(guān)系式在突變前后兩個(gè)時(shí)期的斜率分別為Ka和Kb，再根據(jù)Ka和Kb計(jì)算累積量斜率變化率S，其計(jì)算公式為：

S=(Kb-Ka)/Kb×100%

(1)

則灃河流域累積徑流量斜率變化率SR為：

SR=(KRb-KRa)/KRb×100%

(2)

灃河流域累積降水量斜率變化率SP為：

SP=(KPb-KPa)/KPb×100%

(3)

灃河流域累積蒸散發(fā)量斜率變化率SE為：

SE=(KEb-KEa)/KEb×100%

(4)

最后根據(jù)灃河流域累積徑流量斜率變化率(SR)、累積降水量斜率變化率(SP)和累積蒸散發(fā)量斜率變化率(SE)計(jì)算灃河流域降水對(duì)徑流量的貢獻(xiàn)率(CP)、蒸散發(fā)對(duì)徑流量的貢獻(xiàn)率(CE)以及人類活動(dòng)對(duì)徑流量的貢獻(xiàn)率(CH)，計(jì)算公式分別為：

CP=SP/SR×100%

(5)

CE=SE/SR×100%

(6)

CH=1-CP-CE-CT

(7)

式中：CT為氣溫對(duì)徑流量的影響。

由于氣溫主要是通過影響蒸散發(fā)進(jìn)而影響徑流量，且根據(jù)左德鵬等[19]對(duì)渭河流域徑流影響因素的研究，灃河流域蒸散發(fā)對(duì)徑流量的影響很小，因此，本文不考慮氣溫及蒸散發(fā)對(duì)徑流量的影響。則上述公式(7)可以簡(jiǎn)化為：

CH=1-CP

(8)

3 結(jié)果分析

3.1 年徑流量及年降水量變化特征

圖2為1965-2016年灃河流域年徑流量及年降水量的年際變化過程。從圖2(a)中可以看出，灃河流域1965-2016年多年平均徑流量為2.24×104m3，年徑流量總體呈減小的趨勢(shì)，每10 a年遞減量為0.121×104m3；從圖2(b)中可以看出，灃河流域1965-2016年多年平均降水量為644.73 mm，年降水量總體呈減小的趨勢(shì)，每10 a遞減量為0.072 mm。圖3為灃河流域年徑流量小波分析時(shí)頻分布圖，圖4為灃河流域年徑流量小波方差圖，結(jié)合圖3和圖4可以看出，年徑流量存在12～15 a、25～30 a以及45～50 a三類尺度的周期，其中，第一主周期為29 a。

圖2 1965-2016年灃河流域年徑流量及年降水量年際變化

圖3 灃河流域年徑流量小波分析時(shí)頻分布圖

圖4 灃河流域年徑流量小波方差圖

3.2 年徑流量突變分析及階段劃分

根據(jù)計(jì)算的灃河流域1965-2016年年徑流量累積距平值所繪制的灃河流域年徑流量累積距平曲線如圖5(a)所示，可以發(fā)現(xiàn)1965-1988年灃河流域年徑流量累積距平曲線呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，1988-2016年灃河流域年徑流量累積距平曲線呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，因此在該時(shí)期灃河流域年徑流量發(fā)生突變的年份為1988年。再根據(jù)灃河流域1988-2016年年徑流量計(jì)算1988-2016年年徑流量累積距平值，繪制1988-2016年年徑流量累積距平曲線如圖5(b)所示，可以發(fā)現(xiàn)1988-1997年灃河流域年徑流量累積距平曲線呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；1997-2016年灃河流域年徑流量累積距平曲線呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。因此在該時(shí)期灃河流域年徑流量發(fā)生突變的年份為1997年。據(jù)此將研究階段劃分為3個(gè)不同時(shí)期：A：1965-1987年，B：1988-1996年，C：1997-2016年。由于灃河流域在20世紀(jì)80年代以前受到人類活動(dòng)的影響很小，因此，可以將1965-1987年這一時(shí)期作為基準(zhǔn)期，1988-1996年和1997-2016年兩個(gè)時(shí)期作為計(jì)算期。

圖5 1965-2016年灃河流域年徑流量累積距平曲線

3.3 突變年份分割時(shí)期的年徑流量及年降水量與年份之間的關(guān)系

根據(jù)所劃分的3個(gè)不同時(shí)期繪制灃河流域累積徑流量-年份和灃河流域累積降水量-年份在這3個(gè)時(shí)期的關(guān)系曲線分別如圖6(a)和圖6(b)所示。

由圖6(a)知，灃河流域累積徑流量在三個(gè)不同時(shí)期與年份之間的擬合關(guān)系式分別為：

A:YA=2.5308XA-4972,R2=0.9938

(9)

B：YB=1.7833XB-3483.8，R2=0.9956

(10)

C：YC=2.1354XC-4187.6，R2=0.9964

(11)

式中：X為年份;Y為累積徑流量，104m3。

由圖6(b)知，灃河流域累積降水量在3個(gè)不同時(shí)期與年份之間的擬合關(guān)系式分別為：

A：YA=654.22XA-1.29×106,R2=0.9984

(12)

B：YB=564.97XB-1.11×106，R2=0.9953

(13)

C：YC=668.99XC-1.32×106，R2=0.9994

(14)

式中：X為年份;Y為累積降水量，mm。

以上各擬合關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)R值均大于0.997，且通過了0.01的Pearson顯著性檢驗(yàn)，這表明所建關(guān)系的擬合程度較好，可以利用年份與累積徑流量和累積降水量建立相關(guān)關(guān)系。

圖6 1965-2016年灃河流域累積徑流量和累積降水量與年份之間的關(guān)系

3.4 年降水量和人類活動(dòng)對(duì)年徑流量變化的貢獻(xiàn)率

表1和2分別給出了灃河流域累積徑流量和累積降水量的斜率及其變化情況。

由表1可知，灃河流域累積徑流量-年份線性關(guān)系在A，B和C 3個(gè)時(shí)期的斜率分別為2.5308×104m3/a，1.7833×104m3/a和2.1354×104m3/a；與基準(zhǔn)期(A)相比，計(jì)算期(B)和計(jì)算期(C)的灃河流域累積徑流量-年份線性關(guān)系的斜率分別減小了0.7475×104m3/a和0.3954×104m3/a，斜率變化率分別為-41.92%和-18.52%；與計(jì)算期(B)相比，計(jì)算期(C)的灃河流域累積徑流量-年份線性關(guān)系的斜率增大了0.3521×104m3/a，斜率變化率為16.49%。

由表2可知，灃河流域累積降水量-年份線性關(guān)系在A，B和C三個(gè)時(shí)期的斜率分別為654.22 mm/a，564.97 mm/a和668.99 mm/a；與基準(zhǔn)期(A)相比，計(jì)算期(B)和計(jì)算期(C)的灃河流域累積降水量-年份線性關(guān)系的斜率分別減小了89.25 mm/a和增大了14.77 mm/a，斜率變化率分別為-15.80%和2.21%；與計(jì)算期(B)相比，計(jì)算期(C)的灃河流域累積降水量-年份線性關(guān)系的斜率增大了104.02 mm/a，斜率變化率為15.55%。

根據(jù)公式(5)和(8)計(jì)算可知，與基準(zhǔn)期(A)相比，計(jì)算期(B)的降水量和人類活動(dòng)對(duì)灃河流域徑流量減小的貢獻(xiàn)率分別為37.69%和62.31%，計(jì)算期(C)的降水量和人類活動(dòng)對(duì)灃河流域徑流量減小的貢獻(xiàn)率分別為-11.92%和111.92%；與計(jì)算期(B)相比，計(jì)算期(C)的降水量和人類活動(dòng)對(duì)灃河流域徑流量減小的貢獻(xiàn)率分別為94.30%和5.70%。

表1 灃河流域累積徑流量斜率及其變化

表2 灃河流域累積降水量斜率及其變化

4 結(jié) 論

本文采用線性趨勢(shì)線法、小波分析法、累積距平法和累積量斜率變化率比較法(SCRCQ)對(duì)1965-2016年灃河流域徑流特征及其影響因素進(jìn)行分析。主要結(jié)論有：

(1)灃河流域1965-2016年多年平均徑流量為2.24×104m3，年徑流量呈減小的趨勢(shì)，每10 a遞減量為0.121×104m3，且存在12～15、25～30以及45～50a 3類尺度的周期，其中，第一主周期為29a。

(2)根據(jù)累積距平法將研究階段劃分為3個(gè)不同時(shí)期：A：1965-1987年，B：1988-1996年，C：1997-2016年，在這3個(gè)時(shí)期的累積徑流量-年份和累積降水量-年份線性關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)(R)均大于0.997，且通過了0.01的Pearson顯著性檢驗(yàn)。

(3)采用累積量斜率變化率比較法定量估算了氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)灃河流域徑流量變化的影響程度。與基準(zhǔn)期(A)相比，計(jì)算期(B)的降水量和人類活動(dòng)對(duì)灃河流域徑流量減小的貢獻(xiàn)率分別為37.69%和62.31%，計(jì)算期(C)的降水量和人類活動(dòng)對(duì)灃河流域徑流量減小的貢獻(xiàn)率分別為-11.92%和111.92%；與計(jì)算期(B)相比，計(jì)算期(C)的降水量和人類活動(dòng)對(duì)灃河流域徑流量減小的貢獻(xiàn)率分別為94.30%和5.70%。由此可見，人類活動(dòng)是灃河流域徑流量減小的主要影響因素。