渭河上游徑流變化特征及歸因研究

楊思雨，姜仁貴，解建倉，王尹萍，汪雅梅

(1.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048；2.陜西省江河水庫管理局，陜西 西安 710018)

1 研究背景

受氣候變化和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的雙重影響，極端天氣和氣候事件發(fā)生頻率增加[1]。氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)降水和徑流的雙重影響使得流域水資源系統(tǒng)發(fā)生變化，水資源短缺、水土流失嚴(yán)重和水污染加劇等問題頻發(fā)，受到廣泛關(guān)注。渭河流域作為黃河一級(jí)支流、陜西的“母親河”，橫貫八百里秦川，灌溉著關(guān)中平原的肥沃良田，是西部地區(qū)重要的水資源供給流域，也是關(guān)中地區(qū)乃至西部經(jīng)濟(jì)的生命帶，渭河上游流域徑流量的大小直接影響到中游及下游來水量的多少，事關(guān)流域內(nèi)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)和牧業(yè)的發(fā)展以及水資源的可持續(xù)發(fā)展，通過歸因分析得到影響徑流變化的主要原因，明晰渭河上游降水和徑流演變態(tài)勢(shì)，引導(dǎo)管理者做出正確決策[2-3]，推進(jìn)“一帶一路”經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)和流域發(fā)展。

諸多專家學(xué)者針對(duì)流域徑流變化特征及其歸因進(jìn)行了大量的研究，并取得一些有益的成果[4-9]。Dong Wen等[10]采用SWAT模型(Soil and Water Assessment Tool)研究人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)西北典型干旱內(nèi)陸盆地涇河流域徑流變化的影響，結(jié)果表明人類活動(dòng)是流域徑流變化的主要驅(qū)動(dòng)力。粟曉玲等[11]采用回歸分析方法研究氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)渭河流域入黃徑流的影響，結(jié)果表明不同徑流來源區(qū)的降雨變化對(duì)入黃徑流變化的影響不同，其中關(guān)中地區(qū)的影響最大。王國慶等[12]基于TOPMODEL模型模擬我國典型流域流量過程，結(jié)果表明：TOPMODEL模型可以用于濕潤地區(qū)大尺度環(huán)境水文效用評(píng)價(jià)。王雁等[13]通過分析黃河與長江流域逐月降水和徑流資料，得到年降水量和徑流量的相關(guān)關(guān)系以及降水對(duì)徑流的潛在影響。劉劍宇等[14]采用Budyko假設(shè)構(gòu)建氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化影響評(píng)估模型，定量分析氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)北方河流流域徑流變化的影響。結(jié)果表明：北方流域2001-2014年間，人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響程度顯著增強(qiáng)，且氣候變化對(duì)徑流的影響減少。水文模型和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法是研究水文氣象要素的常用方法，近些年水文模型的應(yīng)用較為廣泛，然而，水文模型需在適宜的地形和條件下才能得到較為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，并且需要大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，考慮到渭河流域氣候及地形條件較為復(fù)雜，本文綜合采用多種方法深入分析降水和徑流變化特征，在此基礎(chǔ)上，對(duì)其變化特征進(jìn)行歸因。采用雙累積曲線法定量解析不同影響因素對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)[15]。

本文采用線性回歸方法分析渭河上游降水和徑流的年際及年代變化，使用Mann-Kendall檢驗(yàn)和雙累積曲線法確定徑流的突變年，得到渭河上游基準(zhǔn)期年，采用雙累積曲線法定量分析人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)渭河上游徑流變化的貢獻(xiàn)。研究結(jié)果可為渭河流域水資源的開發(fā)利用等提供依據(jù)，為流域水量調(diào)度及水資源管理提供參考。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)域

渭河是黃河中游的第一大支流，位于104°00′E～110°20′E，33°50′N～37°18′N，干流全長818 km，流域總面積1.348×105km2，渭河流域分為上、中、下游3段，本文的研究區(qū)域?yàn)閷氹u峽以上的渭河上游流域，河長430 km，河道狹窄，河谷川峽相間，水流湍急。渭河上游流域面積2.579×104km2，包括甘肅中部至陜西中部，屬于半干旱、半濕潤氣候過渡區(qū)，流域內(nèi)平均氣溫6～11℃，年日照時(shí)數(shù)2 000～2 420 h，年降水量400～600 mm，年均徑流量為20×108m3。降水時(shí)空分布不均勻，東南部多于西北部，且集中在夏、秋兩季。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文采用渭河上游降水及徑流數(shù)據(jù)的時(shí)間序列為1961-2015年。降水?dāng)?shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心獲取的0.5°×0.5°格網(wǎng)數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集基于測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用薄盤樣條法進(jìn)行空間插值得到，數(shù)據(jù)集質(zhì)量經(jīng)過嚴(yán)格檢驗(yàn)。徑流數(shù)據(jù)來源于歷年陜西省水文年鑒、陜西省水文局和陜西省江河水庫管理局統(tǒng)計(jì)整理等資料。降水及徑流數(shù)據(jù)資料均通過“三性”檢驗(yàn)，確保所采用的數(shù)據(jù)資料可靠性。本文在研究降水-徑流深雙累積曲線圖、氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)渭河上游徑流影響關(guān)系時(shí)，為理清徑流和降水之間量的關(guān)系，將徑流轉(zhuǎn)化為徑流深進(jìn)行計(jì)算，其他部分均以徑流總量進(jìn)行計(jì)算。

2.3 研究方法

(2)Mann-Kendall檢驗(yàn)。Mann-Kendall檢驗(yàn)[16]是水文氣象研究中常用的突變點(diǎn)檢驗(yàn)法，該方法對(duì)于時(shí)間序列Xi(i=1,2,3,…,n)，構(gòu)造一個(gè)統(tǒng)計(jì)變量：

(1)

其中：

(2)

假定時(shí)間序列為隨機(jī)變量，定義統(tǒng)計(jì)量：

(3)

UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，UBk為時(shí)間序列Xi的逆序列，即(xn,xn-1,…,x1)。如果UFk和UBk兩條曲線在臨界線之間出現(xiàn)交點(diǎn)，則該交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變點(diǎn)。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

3 結(jié)果與分析

3.1 渭河上游降水變化特征

根據(jù)渭河上游1961-2015年降水資料，繪制渭河上游降水年際及年代分布趨勢(shì)圖，如圖1所示。

圖1 渭河上游降水年際及年代分布趨勢(shì)圖

由圖1可知：渭河上游降水量總體上呈減少趨勢(shì)，并根據(jù)年代劃分得到各年代的平均降水量，由圖表明1970s、1980s、2010-2015年這3個(gè)階段平均年代降水與多年平均年際降水相當(dāng)，1960s平均年代降水量超出平均年際降水量的9.97%，1990s以后年代降水量均值均小于總平均值，其中1990s低于平均年際降水量的8.51%，2000s低于平均年際降水量的2.79%。從整體看，從1990s開始渭河上游降水量呈下降趨勢(shì)，并且逐年代降水量趨向平均年際降水量。

根據(jù)渭河上游1961-2015年降水量資料，計(jì)算出多年平均降水量、多年最大年降水量、多年最小年降水量，最大年降水出現(xiàn)年份、最小年降水出現(xiàn)年份、極差Δ、K豐和K枯，結(jié)果見表1。

表1 渭河上游降水量年際變化

由表1可知，渭河上游降水年際變化較大，最大降水量是最小降水量的2.05倍，最小年降水量僅是多年平均年降水量的0.66倍，渭河上游降水年際變化較大，豐枯懸殊，降水時(shí)空分布不均。

3.2 渭河上游徑流變化特征

根據(jù)渭河上游徑流資料，以渭河上游林家村站徑流為例進(jìn)行計(jì)算，繪制渭河上游林家村站徑流年際及年代變化特征圖[18]，如圖2所示。

圖2 渭河上游林家村站徑流年際及年代變化趨勢(shì)圖

由圖2可知：林家村站1960s年代徑流大于多年平均值，1970s年代徑流呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，年代平均值大于多年平均值，1980 s年代平均值較70年代徑流平均值略增加，1990s年代平均徑流明顯減少，小于多年平均值，2000 s年代平均徑流減少，隨后5年平均徑流增加，均低于多年平均值。1960 s年代平均徑流最大，2000 s年代平均徑流最小。由圖2可知：渭河上游徑流呈減少趨勢(shì)，1960 s、1970 s和1980 s年代平均徑流大于多年平均徑流，1990 s和2000 s年代平均徑流小于多年平均徑流。通過比較圖1和圖2，2002年以前渭河上游降水和徑流的變化趨勢(shì)趨于一致，2002年以后由于人類活動(dòng)加強(qiáng)，兩者變化趨勢(shì)存在差異。

表2 渭河上游(林家村站)徑流年際變化

由表2可知：林家村水文站控制斷面徑流的年際變化較大，最大年徑流量是最小年徑流量的58.12倍，最小年徑流量為多年平均年徑流量的0.04，豐枯懸殊。

3.3 徑流突變點(diǎn)分析

采用Mann-Kendall檢驗(yàn)和雙累積曲線分析林家村站徑流突變點(diǎn)和基準(zhǔn)期，如圖3所示。由圖3(a)可知，采用Mann-Kendall檢驗(yàn)得到突變點(diǎn)為1987年，該突變點(diǎn)通過5%的顯著性檢驗(yàn)。圖3(b)為采用降水和徑流時(shí)間序列繪制的林家村站降水和徑流深雙累積曲線，由圖3(b)確定突變點(diǎn)為1970、1990和1993年，每個(gè)分段區(qū)間線性關(guān)系的相關(guān)程度均大于0.99。表明以上兩種方法所得突變點(diǎn)分析結(jié)果可靠，最終確定渭河上游林家村站的突變點(diǎn)為1970、1987、1990和1993年，1961-1969年為研究基準(zhǔn)期。

圖3 1961-2015年渭河上游林家村站徑流Mann-Kendall檢驗(yàn)和降水量-徑流深雙累積曲線

3.4 徑流變化影響因素分析

根據(jù)3.3中分析確定渭河上游的基準(zhǔn)期為1961-1969年，將其余時(shí)段按年代劃分為5個(gè)區(qū)間，包括1970-1979，1980-1989，1990-1999，2000-2009和2010-2015。對(duì)基準(zhǔn)年累積降水和累積徑流深時(shí)間序列進(jìn)行擬合，得到回歸方程為y=0.18843x-39.70957，通過該回歸方程計(jì)算得到模擬徑流深值，進(jìn)一步分析人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)徑流變化的影響量以及貢獻(xiàn)率，如表3所示。

表3 渭河上游氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)渭河上游徑流深變化影響

由表3可知：基準(zhǔn)期以后的模擬徑流深較基準(zhǔn)期天然徑流深有不同程度的減少，20世紀(jì)90年代，氣候變化對(duì)徑流的影響達(dá)到最大。70年代以來的實(shí)測(cè)徑流深相比模擬徑流深的減少幅度要大，尤其在2000-2015年的兩個(gè)階段人類活動(dòng)對(duì)渭河上游徑流深減少的影響逐漸增加，分別占到87.95%和98.32%。1961-2015年間，人類活動(dòng)及氣候變化對(duì)徑流深的影響達(dá)到54.89 mm，模擬徑流深較基準(zhǔn)期天然徑流深減少6.86 mm，實(shí)測(cè)徑流深較模擬徑流深減少48.03 mm，人類活動(dòng)導(dǎo)致徑流顯著減少，其貢獻(xiàn)率達(dá)到87.14%。自基準(zhǔn)期年以后的實(shí)測(cè)徑流深較基準(zhǔn)期天然徑流深有不同程度的減少，且總影響量呈增長趨勢(shì)，人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)徑流影響增加，根據(jù)人類活動(dòng)對(duì)徑流深影響的貢獻(xiàn)率可以看出，人類活動(dòng)是影響徑流減少的主要原因[9]。

在1990-1999年，氣候變化對(duì)徑流的影響突然增加，主要原因是渭河流域降水對(duì)徑流的影響較大，在此期間發(fā)生多次極端干旱事件，包括持續(xù)高溫，局部多月沒有降雨，部分河段斷流，水庫蓄水量減少，直接導(dǎo)致該時(shí)段氣候變化對(duì)渭河上游徑流變化的貢獻(xiàn)率增加。近年來，人們更注重生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，使得人類活動(dòng)對(duì)水土保持的貢獻(xiàn)率有所提高，由表3中2010-2015年的人類活動(dòng)對(duì)渭河上游徑流變化影響的貢獻(xiàn)率達(dá)到98.32%，由此可以推斷該時(shí)段人類活動(dòng)是導(dǎo)致渭河上游徑流減少的主要原因。

4 結(jié)論與討論

(1)渭河上游降水及徑流呈下降趨勢(shì)，且2002年以前渭河上游降水和徑流的年代增減趨勢(shì)趨于一致，2002年以后由于人類活動(dòng)影響加強(qiáng)，降水對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)減少。渭河上游的年際變化較大，最大年降水為730.01 mm，最小年降水為356.50 mm，最大年降水是最小年降水的2.05倍，最大年徑流為48.32×108m3，最小年徑流為0.84×108m3，最大年徑流是最小年徑流的58.12倍，豐枯懸殊，水資源時(shí)空分布不均衡。

(2)通過雙累積曲線法及Mann-Kendall檢驗(yàn)，可得渭河上游徑流突變點(diǎn)為1970、1987、1990和1993年，根據(jù)突變點(diǎn)得到渭河上游的基準(zhǔn)期為1961-1969年。在1961-2015年間，人類活動(dòng)對(duì)徑流變化影響量為48.03 mm，氣候變化對(duì)徑流變化影響量為6.86 mm，人類活動(dòng)對(duì)徑流深的影響量比氣候變化對(duì)徑流變化影響量約大7倍。在1990-1999年，渭河流域發(fā)生多次極端干旱天氣，導(dǎo)致渭河上游地區(qū)降水減少，使得氣候變化對(duì)渭河上游徑流變化的貢獻(xiàn)增加。近些年人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響明顯增加，2010-2015年間人類活動(dòng)對(duì)徑流影響的貢獻(xiàn)率達(dá)到98.32%。

(3)人類活動(dòng)是導(dǎo)致渭河上游徑流減少的主要原因，氣候變化為次要原因。水利工程建設(shè)和水土保持措施等是人類活動(dòng)影響徑流變化的表現(xiàn)形式。后續(xù)研究將從“智慧水利”的角度出發(fā)，構(gòu)建渭河流域水資源管理信息化平臺(tái)，通過信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)降水和徑流等數(shù)據(jù)的高效組織和管理，實(shí)現(xiàn)降水和徑流分析與可視化模擬。