1961—2012年蒸水流域徑流演變規(guī)律研究

羅蘭花，謝紅霞， 寧邁進(jìn)2， 張 敏， 賀紅士3， 李亞平

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410128； 2.湖南省水文水資源勘測(cè)局, 長(zhǎng)沙 410007； 3.美國(guó)密蘇里大學(xué)自然資源學(xué)院, 美國(guó)密蘇里州 65211)

1 研究背景

河流水資源是保障人類生產(chǎn)、生活和維持生態(tài)平衡的基礎(chǔ)性資源。河流徑流量的變化直接影響水資源的開發(fā)利用，進(jìn)而影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1]。研究徑流量演變規(guī)律及其影響因素，可為水資源的管理與綜合保護(hù)以及可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

河流徑流量變化是流域內(nèi)氣候特別是降水以及人類活動(dòng)變化影響的重要表現(xiàn)，是全球變化研究的熱點(diǎn)之一[2-3]。聯(lián)合國(guó)政府氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第5次評(píng)估報(bào)告指出，21世紀(jì)在全球氣候變化背景下，地表徑流在高緯度地區(qū)和熱帶濕潤(rùn)地區(qū)將有所增加，而在多數(shù)亞熱帶干旱地區(qū)和地中海地區(qū)則將減少[4]。一方面，引起徑流變化的原因復(fù)雜：有些河流徑流變化主要源于氣候變化[5]，特別是氣候因子中降水對(duì)徑流量變化有主要影響，但也有人認(rèn)為潛在蒸散量增加對(duì)河流徑流量變化的貢獻(xiàn)分量比較大[6]；有些徑流變化的主導(dǎo)因素是人類活動(dòng)[1,7-8]，特別是土地利用/覆蓋變化對(duì)徑流有重大影響[9-10]；此外相同河流在不同階段徑流變化主導(dǎo)因素也不同[11]。另一方面，徑流變化具有較為顯著的尺度效應(yīng)，同一流域內(nèi)不同尺度子流域的徑流變化及水文響應(yīng)研究的結(jié)果不一樣。夏軍等[12]對(duì)長(zhǎng)江上游流域徑流變化及其影響原因的研究中，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江上游干流徑流呈現(xiàn)微弱減少趨勢(shì)，氣候變化是徑流變化的主要影響因素；而支流金沙江流域徑流微弱增加，主要也是受氣候變化的影響；但支流岷江和嘉陵江流域徑流顯著減少，人類活動(dòng)貢獻(xiàn)率大約占到一半，其影響程度在未來(lái)還有可能增加。目前我國(guó)徑流變化方面的研究主要針對(duì)大流域，研究區(qū)域主要集中在北方，而在南方特別是小尺度流域上相關(guān)研究則較少。雖然長(zhǎng)江一級(jí)支流湘江流域徑流量變化研究也有一些，如胡光偉等[13]指出湘江徑流量呈微弱增加趨勢(shì)，并與降水量變化保持一致，但是沒有定量區(qū)分各因素對(duì)流域徑流量變化影響的貢獻(xiàn)?？紤]到徑流變化的復(fù)雜性及尺度效應(yīng)顯著，而且南方河流、尤其是大河支流相關(guān)研究明顯不足，開展大河支流徑流演變規(guī)律及其影響因素的研究也是極為必要的。

蒸水流域是湘江流域的一級(jí)支流，其水資源已進(jìn)入中高度開發(fā)利用階段，不能再進(jìn)行大規(guī)模的開發(fā)利用，中型水庫(kù)也沒有大的潛力可挖[14]。此外蒸水也是湘江流域水土流失嚴(yán)重的地區(qū)之一，整個(gè)流域境內(nèi)花崗巖母質(zhì)風(fēng)化嚴(yán)重，植被覆蓋差，造成河道淤塞[15]。了解該流域徑流變化趨勢(shì)及原因?qū)υ搮^(qū)域水資源合理規(guī)劃利用及生態(tài)環(huán)境建設(shè)有重要的參考價(jià)值。本研究擬利用蒸水流域近50 a的水文、氣象資料，分析其徑流量和降水量的基本變化特征、變化的階段性和趨勢(shì)性，尋找突變年份，并通過(guò)建立徑流-降水的雙累積曲線定量分析降水及人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響程度。本研究結(jié)果希望對(duì)水資源的管理和綜合利用及流域水土流失的治理提供數(shù)據(jù)參考和決策依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

蒸水屬湘江一級(jí)支流，發(fā)源于邵東縣簡(jiǎn)家隴鄉(xiāng)蒸源村，于衡陽(yáng)市石鼓咀草橋入湘江，流域空間跨度為北緯26°52′—27°10′，東經(jīng)111°53′—112°37′，整個(gè)流域面積3 470 km2，河長(zhǎng)194 km，河流坡降0.54‰。北、東、南三面環(huán)山，山地丘陵為2 720 km2，約占流域總面積的71%；中、下游地區(qū)為平原、低地，面積為750 km2，約占總面積的20%；其余為水域。蒸水流域?qū)儆诟邷厣儆甑暮怅?yáng)盆地，7月份平均氣溫在29 ℃以上，是全省有名的“火爐”之一，年降水量1 300 mm左右，雨量分布以邊緣山地丘陵較多，平原低地較少；在季節(jié)分配上，不但集中在春夏之交，而且多以暴雨的形式出現(xiàn)[16]。

3 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所用降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自湖南省氣象研究院，包括衡陽(yáng)市氣象站、衡陽(yáng)縣氣象站、南岳氣象站、祁東氣象站、邵東氣象站、衡南氣象站、雙峰氣象站1961—2012年的逐日實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，水文資料為神山頭水文站1961—2012年的實(shí)測(cè)徑流資料。采用加權(quán)平均法計(jì)算區(qū)域同期雨量。神山頭水文站是國(guó)家重要水文站，位于湖南省衡南縣三塘鄉(xiāng)神山村，北緯26°54′，東經(jīng)112°26′。該站設(shè)于1952年4月16日，該站為蒸水流域控制站，是區(qū)域代表站，集水面積為2 857 km2(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置及觀測(cè)站點(diǎn)分布Fig.1 Map of the Zhengshui River and locationsof observation sites

3.2 研究方法

利用水文和氣象資料，運(yùn)用Mann-Kendall檢驗(yàn)方法分析降水變化的趨勢(shì)性和突變性，采用距平累積法分析徑流和降水的階段性，并通過(guò)建立徑流-降水的雙累積曲線定量評(píng)價(jià)降水及人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響程度。

3.2.1 非參數(shù)Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)和突變檢驗(yàn)

Mann-Kendall檢驗(yàn)法很少受異常值干擾，也不受數(shù)據(jù)分布特征的影響，廣泛應(yīng)用于水文和氣象時(shí)間序列的變化趨勢(shì)分析[17-21]。利用Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)值Z進(jìn)行趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)的顯著性檢驗(yàn)，先假設(shè)該序列無(wú)趨勢(shì)，通過(guò)兩尾檢驗(yàn)，在給定顯著性水平下，在正態(tài)分布表中查得臨界值Z1-α/2，當(dāng)|Z|Z1-α/2，則拒絕原假設(shè)，即認(rèn)為趨勢(shì)顯著。Z為正時(shí)表示序列呈上升趨勢(shì)，Z為負(fù)時(shí)表示序列呈下降趨勢(shì)，Z的絕對(duì)值越大，說(shuō)明序列變化趨勢(shì)越顯著。利用Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)值UFK和UBK,分析繪出UFK和UBK曲線圖，若UFK的值>0，則表明序列呈上升趨勢(shì)，小于0則表明呈下降趨勢(shì)；當(dāng)它們超過(guò)信度線時(shí)，即表示存在明顯的上升或下降趨勢(shì)；若UFK和UBK的交點(diǎn)位于信度線之間，則此點(diǎn)可能就是突變點(diǎn)的開始。

3.2.2 距平累積法

年徑流量和年平均降水量的距平累積值能準(zhǔn)確地反映徑流量和降水量的階段性變化特征，計(jì)算公式為[22]

(1)

3.2.3 雙累積曲線

雙累積曲線(Double Mass Curve，簡(jiǎn)稱 DMC)方法[23-24]是目前用于水文氣象要素一致性或長(zhǎng)期演變趨勢(shì)分析中最簡(jiǎn)單、最直觀、最廣泛的方法。所謂雙累積曲線就是在直角坐標(biāo)系中繪制的同期內(nèi)一個(gè)變量的連續(xù)累積值與另一個(gè)變量連續(xù)累積值的關(guān)系線。通過(guò)建立雙累積曲線剔除參考變量的影響，顯現(xiàn)另一個(gè)因素是否導(dǎo)致被檢驗(yàn)變量發(fā)生顯著性趨勢(shì)變化。在降水量與徑流量雙累積曲線中累積降水量作為參考變量，在有限的時(shí)段內(nèi)其變化是自然變化，人類活動(dòng)的影響是微弱的，累積徑流量受人類活動(dòng)的，及降水量共同作用，在找出突變年份的基礎(chǔ)上結(jié)合降水和徑流變化特點(diǎn)，通過(guò)雙累積曲線可以分辨氣候變化和人類活動(dòng)的作用。

在Mann-Kendall法分析徑流變化的基礎(chǔ)上，建立基于降水、徑流雙累計(jì)曲線法的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型模擬降水徑流變化過(guò)程，分析徑流對(duì)降水及人類活動(dòng)變化的響應(yīng)機(jī)理。在降水量與徑流量雙累積曲線中，累積降水量作為自變量，而累積徑流量受人類活動(dòng)及降水量的共同作用。因此，可以通過(guò)雙累積曲線分辨人類活動(dòng)的作用。

3.2.4 徑流變化因素貢獻(xiàn)識(shí)別

參考前人研究成果，利用以下方法計(jì)算因人類活動(dòng)和降水的變化所產(chǎn)生的徑流量[23],即：

δ人=R2實(shí)測(cè)-R2理論；

(2)

δ水=R2理論-R1實(shí)測(cè)。

(3)

式中：δ人和δ水分別表示人類活動(dòng)和降水導(dǎo)致的徑流量變化；R1實(shí)測(cè)、R2實(shí)測(cè)、R2理論分別表示突變年份前實(shí)測(cè)平均徑流量、突變年份后實(shí)測(cè)徑流量和理論徑流量。

為了定量分析降水和人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響程度，將計(jì)算的人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響量和降水對(duì)徑流的影響量與實(shí)測(cè)徑流差值比較，采用貢獻(xiàn)率表示各個(gè)時(shí)期人類活動(dòng)及降水變化對(duì)徑流變化的影響，即認(rèn)為貢獻(xiàn)率可表達(dá)為[23]

Qg=(δ人或δ水)/R階段差×100% 。

(4)

式中：Qg表示人類活動(dòng)和降水變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率(%);R階段差表示2個(gè)階段實(shí)測(cè)徑流量的差值，即人類活動(dòng)和降水的變化引起的徑流變化量。

4 結(jié)果和討論

4.1 降水量、徑流量變化的基本特征

按5 a時(shí)間進(jìn)行時(shí)間分段，蒸水流域各時(shí)段平均降水量和平均徑流量最大值都在1996—2000年，分別為1 508.37 mm和20.66×108m3，最小值都在1976—1980年，分別為1 291.97 mm和12.08×108m3。蒸水流域降水變化在1961—1965，2001—2005年2個(gè)時(shí)段的相對(duì)顯著，2001—2005年的極值比最大，為0.68，變差系數(shù)為0.17， 1961—1965年的極值比為0.63，變差系數(shù)最大，為0.19。蒸水流域徑流量1961—1965年的極值比和變差系數(shù)是最大的，分別為2.87和0.47。其次是1966—1970年，徑流量的極值比和變差系數(shù)分別為2.03和0.45。整體上徑流量的極值比和變差系數(shù)均比降水量的極值比和變差系數(shù)大，說(shuō)明徑流量和降水量的變化趨勢(shì)并不完全一致(表1)。降水是徑流的基本來(lái)源，徑流量和降水量演變規(guī)律的差異可表征人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響[25]，所以人類活動(dòng)也是蒸水流域徑流變化的影響因素之一。

表1 蒸水流域不同時(shí)段年均降水量、年均徑流量變化特征Table 1 Variation characteristics of annual precipitationand annual runoff of Zhengshui River watershed indifferent periods

圖2 蒸水流域年徑流量、年降水量距平累積曲線Fig.2 Curves of accumulated anomoly of annual runoffand annual precipitation in Zhengshui River watershed

4.2 徑流量、降水量變化的階段性

為分析蒸水流域徑流、降水變化的階段性特征，應(yīng)用距平累積法繪制年徑流量、年均降水量時(shí)間序列的距平累積曲線(圖2)。分析表明：按照曲線連續(xù)出現(xiàn)達(dá)5 a以上的相同變化趨勢(shì)，可將1961—2012年蒸水流域徑流量變化過(guò)程以1991年為界分為枯-豐2個(gè)階段。經(jīng)計(jì)算，枯水期1961—1990年的多年平均徑流量為14.28×108m3，豐水期1991—2012年多年平均徑流量為17.82×108m3。按相同方法可分析出年降水量以1989年為界分為2個(gè)階段，1962—1988年為少水期，1989—2012年為多水期，年平均降水量分別為1 364.15，1 424.23 mm。徑流量和降水量的階段性存在一定的差異性，同時(shí)降水量的波動(dòng)性強(qiáng)于徑流量的波動(dòng)性。

表2 蒸水流域徑流量階段性特征Table 2 Staged characteristics of runoff in ZhengshuiRiver watershed

4.3 徑流量、降水量變化的趨勢(shì)性及突變分析

4.3.1 徑流量、降水量變化的Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)

趨勢(shì)性反映了徑流、降水演變的總體規(guī)律，采用Mann-Kendall法進(jìn)一步檢驗(yàn)蒸水流域徑流量、降水量變化趨勢(shì)及其突變點(diǎn)。降水量、徑流量時(shí)序變化的Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)值Z分別為1.70 ，0.84(表3)，均為正值，但都<1.96(α=0.05)，說(shuō)明蒸水流域1961—2012年徑流量和年降水量整體呈上升的趨勢(shì)，但均沒有突破顯著性α=0.05的臨界值，說(shuō)明上升的趨勢(shì)不顯著。但徑流量上升趨勢(shì)通過(guò)了α=0.1顯著水平的檢驗(yàn)，降水量沒有通過(guò)該檢驗(yàn)(表3)，說(shuō)明徑流量上升趨勢(shì)比降水量的明顯。這與線性趨勢(shì)檢測(cè)結(jié)果是一致的(圖3)。

表3 蒸水流域降水量、徑流量變化趨勢(shì)Mann-Kendall檢驗(yàn)Table 3 Mann-Kendall test result of runoff andprecipitation in Zhengshui River watershed

圖3 蒸水流域年徑流量、年降水量變化趨勢(shì)線Fig.3 Trends of annual runoff and annual precipitationin Zhengshui River watershed

4.3.2 徑流量、降水量變化Mann-Kendall突變分析

采用Mann-Kendall突變分析確定蒸水流域年徑流量、年降水量的突變年份，根據(jù)Mann-Kendall突變分析方法計(jì)算UFK和UBK值，并畫出Mann-Kendall突變分析統(tǒng)計(jì)量UFK，UBK曲線(圖4)，從結(jié)果可以看出2條UFK曲線大多在0以上信度線之內(nèi)，進(jìn)一步說(shuō)明流域徑流量、降水量整體上呈不顯著上升趨勢(shì)。UFK和UBK正反2條曲線在信度線(α=0.05)內(nèi)有唯一一個(gè)交點(diǎn)，年徑流量的交點(diǎn)發(fā)生在1988年，年降水量的交點(diǎn)發(fā)生在1991年。即徑流量、降水量分別在1988年、1991年發(fā)生了由少到多的突變。徑流量和降水量發(fā)生突變的時(shí)間不一致，說(shuō)明徑流的上升除了降水的影響外，也與人類活動(dòng)有關(guān)系。

圖4 蒸水流域年徑流量、年降水量Mann-Kendall突變分析Fig.4 Mann-Kendall analysis result of abruptchanges in annual runoff and annual precipitation inZhengshui River watershed

4.4 降水量和人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響

為進(jìn)一步分析降水對(duì)徑流的影響，繪制了1961—1987，1988—2012年2個(gè)階段的降水量與徑流量的關(guān)系圖(圖5)，這2個(gè)階段的擬合曲線(或直線)不重合，且1988年前的降水-徑流關(guān)系擬合的直線斜率小于1988年后降水徑流關(guān)系擬合的直線斜率，說(shuō)明突變年份前后徑流與降水的關(guān)系發(fā)生了變化。

圖5 蒸水流域不同時(shí)段實(shí)測(cè)徑流-降水關(guān)系Fig.5 Relation between observed runoff and observedprecipitation in Zhengshui River watershed in different periods

為定量分析降水量和人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響，建立1961—1987年降水-徑流雙累積曲線，其基準(zhǔn)關(guān)系式為∑R=0.010 5∑P+0.987 8(R2=0.999)。其中，∑R是累積徑流量；∑P是累積降水量；R2是降水量和徑流量雙累積曲線擬合相關(guān)程度。該階段實(shí)測(cè)多年平均徑流量為14.16×108m3，而理論年平均徑流量為14.37×108m3，絕對(duì)誤差為0.21×108m3，相對(duì)誤差為1.47%，表明該方法的擬合精度高(圖6和表4)。將突變年份后1988—2012年降水量代入基準(zhǔn)關(guān)系式中以得到突變年份后每年的累積徑流量理論值。繪制1988—2012年降水-實(shí)測(cè)徑流雙累積曲線和降水-理論徑流雙累積曲線(圖6)。說(shuō)明除降水對(duì)徑流量有影響外，人類活動(dòng)使徑流量變大，而且影響較為顯著。

圖6 年蒸水流域降水和徑流雙累積曲線Fig.6 Double accumulation curves of precipitation andrunoff in Zhengshui River watershed

年限實(shí)測(cè)年均徑流量/(108m3)理論年均徑流量/(108m3)絕對(duì)誤差/(108m3)相對(duì)誤差/%1961—198714.1614.370.211.47

將1961—2012年的累積降水量代入基準(zhǔn)關(guān)系式中，得到累積徑流量，經(jīng)過(guò)反推計(jì)算出每年徑流量的理論值。計(jì)算1961—1987年和1988—2012年2個(gè)階段的實(shí)測(cè)平均徑流、理論平均徑流，進(jìn)一步計(jì)算人類活動(dòng)和降水的變化各產(chǎn)生的徑流量。1988年后，徑流的理論值和實(shí)測(cè)值相差較大，1988—2012年的平均徑流理論值為14.79×108m3，而實(shí)測(cè)平均徑流為17.46×108m3(表5)。引用貢獻(xiàn)率來(lái)定量分析1988年后降水和人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響程度，人類活動(dòng)對(duì)徑流增大的貢獻(xiàn)率較大，為75.74%，而降水對(duì)徑流增大的貢獻(xiàn)率為24.26%(表5)。說(shuō)明人類活動(dòng)對(duì)蒸水流域徑流量增大有很大的影響。

表5 人類活動(dòng)和降水對(duì)蒸水流域徑流影響的統(tǒng)計(jì)值Table 5 Statistical values of the impacts of humanactivities and precipitation on runoff in Zhengshui Riverwatershed

5 結(jié) 論

對(duì)蒸水流域1961—2012年的實(shí)測(cè)徑流量和降水量資料，在采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析徑流和降水的變化特征的基礎(chǔ)上，應(yīng)用距平累積曲線分析徑流和降水的階段性，Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)和突變分析分析徑流和降水變化的趨勢(shì)性及突變點(diǎn)，并利用雙累積曲線及貢獻(xiàn)率定量分析了降水和人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的影響，得到結(jié)果如下：

(1)蒸水流域徑流量和降水量變化呈現(xiàn)階段性。徑流量經(jīng)歷了1961—1990年的枯水期和1991—2012年的豐水期。而降水量在1961—1988年為少水期，1989—2012年為豐水期。年徑流量和年降水量階段性變化具有一定的差異，且降水量的波動(dòng)性強(qiáng)于徑流量。

(2)1961—2012年蒸水流域徑流量和降水量整體上都呈不顯著上升趨勢(shì)，且徑流量上升趨勢(shì)比降水量明顯。通過(guò)Mann-Kendall突變分析表明徑流量在1988年發(fā)生突變，降水量在1991年發(fā)生突變。徑流量和降水量都發(fā)生由少到多的突變。

(3)在突變點(diǎn)檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了降水和徑流的雙累積曲線，雙累積曲線的精度高，可以用于檢驗(yàn)人類活動(dòng)和降水對(duì)徑流的影響。并通過(guò)引用貢獻(xiàn)率定量分析降水和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響。結(jié)果表明：人類活動(dòng)對(duì)徑流影響量為2.55×108m3，貢獻(xiàn)率為75.74%；降水對(duì)徑流的影響量為0.82×108m3，貢獻(xiàn)率為24.26%。說(shuō)明在蒸水流域徑流量增加過(guò)程中，人類活動(dòng)的影響越來(lái)越大。

徑流量受人類活動(dòng)引起的流域下墊面變化的影響，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市建設(shè)用地增大，城市建設(shè)加快，城市日益向郊區(qū)擴(kuò)展，占用了大量的農(nóng)田和林地，城市建筑用地大量增加，植被覆蓋率降低改變了下墊面的狀況，從而導(dǎo)致徑流量增大。與此同時(shí)該流域工業(yè)用水量有所減少也可能是引起徑流增加的一個(gè)原因。21世紀(jì)初，蒸水流域企業(yè)比較多，發(fā)展比較快，在一段時(shí)期曾造成蒸水水質(zhì)的嚴(yán)重污染，為了保護(hù)蒸水水環(huán)境，政府加大了整治工業(yè)企業(yè)污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的力度，在蒸水流域內(nèi)關(guān)閉了一些工廠，從而使工業(yè)用水有所減少。徑流增大趨勢(shì)可能導(dǎo)致蒸水流域洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性增大，建議采取適當(dāng)措施及時(shí)排沙，減輕淤積，疏通河道，以便洪水及時(shí)排泄，此外多植樹造林，增大土壤的蓄水能力，避免造成嚴(yán)重的洪水災(zāi)害。

本文分析了蒸水流域徑流演變規(guī)律及影響因素，集總式定量分析降水和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響，但未考慮蒸發(fā)量、氣溫等因素對(duì)徑流的影響，也未考慮人類活動(dòng)中的土地利用、水土保持措施等，接下來(lái)將采用分布式模型進(jìn)一步量化徑流變化及開展原因分析。