涇河流域徑流變化趨勢及歸因分析

楊思雨，姜仁貴，解建倉，朱記偉，王 嬌

(西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，陜西西安710048)

全球氣候變暖背景下極端天氣頻率增加，人類活動日益增強，在兩者共同作用下，河川徑流呈現(xiàn)很大的時空變異性[1]。作為重要的水資源，河川徑流量直接影響著流域社會、經(jīng)濟、生態(tài)等各方面的可持續(xù)發(fā)展[2]。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第五次評估報告指出，人類活動已影響近些年的全球水循環(huán)，甚至在未來一段時間內(nèi)呈現(xiàn)不可逆狀態(tài)。為了保證流域內(nèi)水資源的可持續(xù)發(fā)展，研究徑流演變機理，分析各驅(qū)動因素對徑流量影響程度有重要的理論意義與實際價值。涇河作為渭河的第一大支流，谷地寬闊、平坦、灌溉便利，是重要的農(nóng)耕區(qū)。涇河流域生態(tài)脆弱，受到人們的廣泛關(guān)注。因此，對涇河流域徑流變化趨勢及氣候變化和人類活動對徑流影響程度的分析，對揭示徑流特性及流域水資源管理具有重要作用。研究可為涇河流域水資源區(qū)域規(guī)劃、調(diào)控、管理、利用等提供參考依據(jù)，為流域生態(tài)恢復(fù)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)指導(dǎo)。

針對流域徑流變化趨勢及其歸因分析，諸多專家學(xué)者進行了大量的研究，并取得了一些有益的成果[3-7]。孫甲嵐等[8]采用Mann-Kendall趨勢檢驗法與Morlet小波分析法對長江上游流域平均氣溫、降雨、徑流等要素的演變規(guī)律進行研究。木塔里甫·托乎提等[9]采用時間序列周期方差分析外推、非參數(shù)檢驗和R/S分析等方法探討了徑流量的周期、躍變及未來的變化趨勢，表明人類活動強烈干擾了塔里木河流域干流的水文過程。王歡等[10]通過滑動平均法、Mann-Kendall趨勢檢驗及突變檢驗法、累積距平法和雙累積曲線法研究了青海湖流域徑流的時空特性和凍土及冰雪融化對徑流的影響。張利茹等[11]采用Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗法及線性回歸方法，分析檢驗了海河流域各典型區(qū)域年徑流量的歷史變化趨勢，并基于TOPMODEL半分布式流域水文模型，定量評估了典型區(qū)域氣候變化和人類活動對徑流變化的影響。Dong[12]等基于SWAT模型，發(fā)現(xiàn)氣候變化可能導(dǎo)致徑流減少或增加，且和降水、溫度、輻射以及土地覆蓋變化等要素密切相關(guān)。

以涇河流域為研究區(qū)域，將多種分析方法結(jié)合，分析55年間(1961—2015年)涇河流域的徑流變化趨勢及氣候變化和人類活動對徑流影響的程度。本文采用線性回歸分析降水和徑流變化特征，通過Mann-Kendall趨勢檢驗法和R/S法分析涇河流域徑流變化趨勢特征并預(yù)測流域未來徑流變化趨勢。采用滑動t檢驗、有序聚類、雙累積曲線法確定徑流量突變年，采用徑流還原法定量分析人類活動和氣候變化對涇河流域徑流變化的貢獻。研究結(jié)果可為涇河流域水資源的開發(fā)利用提供依據(jù)，為流域生態(tài)環(huán)境保護、水土保持及城鎮(zhèn)化建設(shè)提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域

涇河橫跨陜甘寧三省(區(qū))，是渭河流域最大的支流，河長455.1 km，流域面積4.54×104km2，占渭河流域面積的33.7%，流域多年平均徑流量為2.07×108m3。涇河流域?qū)儆诘湫偷拇箨懶詺夂?，氣溫南高北低，在過去55年中，流域內(nèi)年均氣溫整體呈上升趨勢。涇河水位陡漲陡落，洪枯懸殊，主要靠夏季降水補給，降水集中在汛期7～10月，占全年總降水量的近70%，年徑流量有60%以上集中在5～10月。涇河流經(jīng)黃土高原溝壑區(qū)，水土流失較為嚴(yán)重，年輸沙量2.526×106t。近幾十年來，涇河流域受人類活動和氣候變化的影響，徑流減少趨勢顯著。涇河流域概況如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)來源

涇河流域降水及徑流數(shù)據(jù)時間序列采用1961—2015年。降水?dāng)?shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心的0.5o×0.5o格網(wǎng)數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集基于觀測數(shù)據(jù)，采用薄盤樣條法進行空間插值得到，數(shù)據(jù)集質(zhì)量經(jīng)過嚴(yán)格檢驗。徑流數(shù)據(jù)選取涇河流域張家山水文測站1961—2015年數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于《中華人民共和國水文年鑒黃河流域水文資料》、陜西省水文局及陜西省江河水庫管理局統(tǒng)計資料。在下文計算中為了統(tǒng)一降水量和徑流量的單位，將張家山水文測站徑流量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成徑流深后進行分析。

1.3 研究方法

采用線性趨勢[13]、Mann-Kendall法[14]和R/S法[15]分析徑流變化趨勢特征并對未來徑流量進行預(yù)測。利用滑動t檢驗[16]、有序聚類[16]、雙累積曲線法[17]等方法綜合分析徑流突變情況，判斷突變年，確定基準(zhǔn)期，并通過徑流還原法[17]分析氣候變化和人類活動對涇河流域徑流深變化的貢獻率。

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2 結(jié)果與分析

2.1 降水及徑流年際變化特征

根據(jù)涇河流域1961—2015年降水量及徑流深數(shù)據(jù)，繪制涇河流域降水量及徑流深年際變化趨勢圖，如圖2所示。由圖2可知，在研究期內(nèi)，涇河流域降水量線性擬合回歸系數(shù)為負值，呈下降趨勢，年均降水量為523.99 mm，最大年降水量是最小年降水量的2.14倍；涇河流域張家山站徑流深線性擬合回歸系數(shù)為負值，呈下降趨勢，年均徑流深為28.44 mm，最大年徑流深是最小年徑流深的6.66倍。其中，涇河流域最大降水量年及最大徑流深年均為1964年，且年際極值相差較大，豐枯懸殊。

圖2 涇河流域年降水量及徑流深年際變化趨勢圖Fig.2 Annual variation trend of annual precipitation and runoff depth in the Jinghe River basin

2.2 徑流變化趨勢分析

本文采用Mann-Kendall趨勢檢驗法和R/S法對涇河流域張家山站年徑流深變化趨勢進行分析。首先，采用Mann-Kendall趨勢檢驗法對徑流深變化趨勢進行分析，通過計算，年徑流深的標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計量Z值為-4.392，且通過α=0.025的顯著性檢驗，這表明徑流深呈現(xiàn)減少趨勢，且趨勢顯著。其次，利用R/S法對涇河流域張家山站徑流深進行趨勢預(yù)測，通過計算，涇河流域年徑流深R/S分析(Inτ-In(R/S))的相關(guān)系數(shù)為0.988，通過5%的顯著性檢驗，Hurst效應(yīng)較為顯著。如圖3所示，涇河流域張家山站年徑流深Hurst指數(shù)為0.731 4，大于0.5，表明徑流深未來趨勢與過去一致，呈現(xiàn)遞減趨勢。

圖3 涇河流域張家山站年徑流深R/S分析Fig.3 Annual runoff depth R/S analysis of Zhangjiashan Station in the Jinghe River basin

2.3 徑流突變點分析

采用滑動t檢驗法、有序聚類法、雙累積曲線法綜合判斷涇河流域徑流突變年。圖4為涇河流域張家山站徑流深突變分析圖。

圖4 涇河流域張家山站徑流深突變分析Fig.4 Analysis of runoff depth mutation at Zhangjiashan Station in the Jinghe River basin

如圖4(a)所示，1996年、1997年和2009年三點均通過α=0.05的顯著性檢驗，其中2009年的數(shù)值雖超過t-0.05=-2.31，通過顯著性檢驗，但由于年份處于序列尾段誤差較大，在此可忽略不計。此方法表明，涇河流域1961—2015年徑流深的突變年份為1996年與1997年。如圖4(b)所示，徑流深序列離差平方和曲線有兩處明顯的極小值點，分別為1970年與1996年，故通過有序類聚法判斷1970年、1996年為涇河流域徑流深突變年。

根據(jù)涇河流域降水量和徑流深繪制降水徑流深雙累積曲線圖，如圖5所示，由圖可得突變點為1970年、1996年和2003年，除1996—2002年間，其余分段區(qū)間線性相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99。根據(jù)滑動t檢驗法得知，在1996—2002年間，可能存在突變年(1997年)，雙累積曲線法存在局部誤差，導(dǎo)致1996—2002年線性關(guān)系的相關(guān)程度低于其他時間段。

圖5 涇河流域降水徑流深雙累積曲線Fig.5 Double cumulative curve of rainfall and runoff depth in the Jinghe River basin

對上述三種突變點求解方法進行綜合分析，如表1所示，結(jié)果表明，上述三種方法所得突變點存在一定差異，綜合分析確定涇河流域在1961—2015年間存在3個徑流突變點，分別為1970年、1996年和2003年。最終確定1961—1969年為涇河流域的徑流基準(zhǔn)期。

表1 涇河流域突變檢驗成果表

2.4 徑流變化影響因素分析

通過對年徑流深的突變檢驗得到?jīng)芎恿饔虻亩鄠€突變點，由首個突變點1970年確定涇河流域徑流基準(zhǔn)期為1961—1969年，根據(jù)突變點出現(xiàn)的年份將研究時間序列劃分為3個時段，分別為1970—1995年、1996—2002年、2003—2015年。對基準(zhǔn)期降水和徑流時間序列進行擬合，得到兩者回歸方程為y=0.083 65x-28.92，相關(guān)系數(shù)R2=0.995。根據(jù)回歸方程計算1970—2015年間的模擬徑流深值，利用徑流還原法計算得到人類活動和氣候變化對徑流變化的影響量以及貢獻率，如表2所示。

表2 氣候變化和人類活動對涇河流域徑流深變化的貢獻率

Tab.2 Contribution rate of climate change and human activities to runoff depth change in Jinghe River basin

時段時段平均降水量/mm基準(zhǔn)期徑流深/mm年徑流深及其變化/mm氣候變化人類活動實測值突變后模擬總影響量影響量/mm貢獻率/%影響量/mm貢獻率/%1961—1969577.3744.231970—1995512.2144.2330.7342.4513.501.7813.1911.7286.811996—2002500.8044.2322.0641.5122.172.7312.3019.4487.702003—2015523.1344.2316.3543.3627.880.883.1427.0196.861961—2015524.0044.3525.3542.5619.001.799.4017.2190.60

由表2可知，1970—1995年平均降水量為512.21 mm，相較于基準(zhǔn)期的平均降水量減少65.16 mm，平均降水量的減少對實際徑流深影響較大，使1970—1995年較1961—1969年實測平均徑流深減少了30.5%。1970年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，說明氣候變化引起徑流深減少，1970—1995年、1996—2002年和2003—2015年氣候變化對涇河流域徑流深的影響逐階段減少，貢獻率分別為13.19%、12.30%和3.14%。1970年以來的實測徑流深的值均明顯小于模擬徑流深的值，人類活動對涇河流域徑流深的影響逐階段增加，1970—1995年、1996—2002年及2003—2015年人類活動使涇河流域徑流深逐階段減少，貢獻率分別為86.81%、87.70%、96.86%。自基準(zhǔn)期以后，實測徑流深較基準(zhǔn)期天然徑流深有不同程度的減少，此趨勢表明，徑流深的減少是人類活動及氣候變化影響造成的，且人類活動是影響徑流變化的主要驅(qū)動因素。就1961—2015年的平均狀況而言，人類活動及氣候變化對徑流深的影響高達19 mm，模擬徑流深較基準(zhǔn)期天然徑流深減少1.79 mm，占比9.4%，實測徑流深較模擬徑流深減少17.21 mm，人類活動導(dǎo)致徑流顯著減少，其貢獻率達到90.6%。

在1970—1995年，人類活動因素已是導(dǎo)致涇河流域徑流減少的主要因素，其中在20世紀(jì)70、80年代，國家對因人口增加而加劇的植被破壞實施水土保持工程，例如修建梯田、淤地壩、水庫等。國家對水土保持工程的實施、對植被恢復(fù)和荒山造林的重視，改變了涇河流域的生態(tài)用水量，使得人類活動對徑流深的影響逐步減少。近些年，隨著內(nèi)陸地區(qū)的快速發(fā)展，涇河流域大量修建梯田、實施大規(guī)模退耕還林工程，使得水土流失得到進一步治理，自然生態(tài)環(huán)境得到進一步保護[17]。

3 結(jié)論與討論

1) 涇河流域降水量及徑流深呈下降趨勢，最大年降水量是最小年降水量的2.14倍，最大年徑流深是最小年徑流深的6.66倍，年際極值相差較大，豐枯懸殊，水資源時空分布不均衡。通過Mann-Kendall趨勢檢驗法和R/S法分析涇河流域徑流深變化趨勢，結(jié)果表明，未來一段時間內(nèi)涇河流域徑流深將呈現(xiàn)減少趨勢且有一定持續(xù)性。

2) 根據(jù)滑動t檢驗法、有序聚類法和雙累積曲線法，綜合得出涇河流域的突變年分別為1970年、1996年和2003年。由突變點1970年確定涇河流域徑流基準(zhǔn)期為1961—1969年，根據(jù)另外兩個突變點將研究時間段分為3段，分別為1970—1995年、1996—2002年、2003—2015年。在1961—2015年間，人類活動對徑流深的影響量比氣候變化對徑流深的影響量約大9.6倍。

3) 根據(jù)氣候變化和人類活動對涇河流域徑流變化的貢獻率表得出1970—1995年的平均降水量較1961—1969年的平均降水量減少，對實際平均徑流影響較大，故降水量的變化可影響徑流變化。若多個時間段內(nèi)降水量在某個范圍內(nèi)來回波動，對實際平均徑流無明顯影響。在涇河流域上降水量是驅(qū)動徑流減少的重要因素，但不是主要因素。

4) 人類活動和氣候變化是驅(qū)動徑流變化的主要因素。在涇河流域上人類活動是導(dǎo)致徑流減少的主要因素，且影響程度逐時段增加，人類活動成為主要因素的原因是，國家對水土流失的治理、對自然環(huán)境的保護、對內(nèi)陸地區(qū)城鎮(zhèn)化建設(shè)的支持。因此，在后續(xù)研究中，將會深入了解不同的人類活動及多種氣候變化因素對流域徑流的影響程度。