氣候變化對湘江流域徑流量的影響研究

劉東燦　李靜

摘 要：通過滑動(dòng)平均、彈性系數(shù)等方法，以降雨量、潛在蒸發(fā)量作為影響徑流量改變的影響因素，分析氣候變化對湘江流域徑流量的影響。得出流域彈性系數(shù)ɑ、β在水文變異的各階段呈現(xiàn)先增大后減小的變化，水利工程運(yùn)行和森林覆蓋率的提高促進(jìn)了洞庭湖流域徑流的調(diào)節(jié)能力；降雨量的變化對流域徑流量影響起主導(dǎo)地位。

關(guān)鍵詞：氣候變化；徑流量；洞庭湖流域

近百年來，湘江流域氣溫呈現(xiàn)明顯升高的趨勢，氣溫的升高勢必影響流域內(nèi)的降雨量與蒸發(fā)量，進(jìn)而影響流域內(nèi)的徑流量。由水量平衡方程（P=E+R+?S）可知，降雨是一個(gè)流域水量輸入的主要部分，而蒸發(fā)則是一個(gè)流域水量輸出的主要部分，它們對流域的徑流量都會(huì)產(chǎn)生直接的影響。

1 材料及方法

1.1數(shù)據(jù)來源

本次研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)間長度均為1960-2015年，其中降雨量、潛在蒸發(fā)量數(shù)據(jù)來自國家氣象中心及湖南省氣象局，徑流量數(shù)據(jù)來自湘潭站。

1.2分析方法

1）趨勢分析法

采用 Mann-Kendall 趨勢檢驗(yàn)法（下文簡稱 MK 檢驗(yàn)）和線性回歸方法進(jìn)趨勢分析。MK 檢驗(yàn)及線性回歸法介紹較多，這里不再贅述。

2）水熱耦合平衡關(guān)系及彈性系數(shù)法

在現(xiàn)代水文學(xué)上，常用水熱耦合平衡關(guān)系以及彈性系數(shù)來量化氣候變化對徑流量的影響。流域地表能量平衡表達(dá)式為：

上式中Rn 為凈輻射量，H 為顯熱通量，G 為地表熱通量，在年尺度或者多年尺度上，地表熱通量 G 基本是平衡的，可忽略不計(jì)。

Milly 和 Dunne[1]對 Budyko曲線[2]進(jìn)行深入分析，對其求偏導(dǎo)，并將流域降雨量與潛在蒸散發(fā)對實(shí)際蒸散發(fā)的影響考慮在內(nèi)，得出如下關(guān)系式：

聯(lián)合閉合流域水量平衡方程、Budyko 曲線及其偏導(dǎo)關(guān)系式，并將流域降雨量、潛在蒸散發(fā)對流域徑流的影響考慮在內(nèi)，建立新的關(guān)系式：

氣候變化對流域徑流的影響可通過流域降雨量和潛在蒸散發(fā)的變化對流域徑流的影響來反映，估算氣候變化對流域徑流的影響可在長序列上分階段建立如下關(guān)系式：

Choudhury 公式改寫為：

降雨 P、潛在蒸散發(fā)EO的彈性系數(shù)分別為ɑ、β，對 Choudhury 公式求偏導(dǎo)數(shù)得：

2 結(jié)果

2.1趨勢分析

趨勢分析結(jié)果可得（圖2-1）湘江流域多年平均降雨量、潛在蒸發(fā)量、徑流量分別為1562 mm、1024mm、653×108m3。流域歷年降雨量最大值為2001年2198mm，潛在蒸發(fā)量的最大值為1978年1076mm，徑流量的最大值為1994年1007×108m3。由回歸方程可知，流域降雨量、潛在蒸發(fā)量隨時(shí)間變化呈逐漸降低趨勢，流域徑流量呈緩慢增加趨勢。由滑動(dòng)趨勢線及MK突變分析（圖2-2）可得流域潛在蒸發(fā)量呈現(xiàn)先下降，后上升的變化趨勢，降雨量和將流量的變化波動(dòng)性較大，但兩者的變化趨勢相一致。

2.2氣候變化對流域徑流量的影響

湘江流域月平均降雨量、潛在蒸發(fā)量、徑流深（表2-1）在研究期間并沒有突破顯著性水平，每年的5、6月份為流域汛期，結(jié)合MK突變檢驗(yàn)、洞庭湖流域經(jīng)濟(jì)不同時(shí)期的發(fā)展?fàn)顩r以及肖鵬對流域水資源有序聚類的分析[3]，特將1978年作為此次水文階段劃分的起點(diǎn)，1988年為水文變異的第一個(gè)年份（1988年湖南省森林覆蓋率顯著提高），2003年為水文變異的第二個(gè)年份（三峽大壩2003年6月份開始運(yùn)行）。故此次研究中水文序列的變異階段共有三段：1978-1988年、1989-2002年、2003-2015年。

根據(jù)湘江流域在這三個(gè)階段中的降雨量、潛在蒸發(fā)量及徑流量，利用水熱耦合平衡關(guān)系及彈性系數(shù)計(jì)算得到流域各階段下墊面參數(shù)K、彈性系數(shù)ɑ、β。分析可得，湘江流域在研究期間的三個(gè)階段內(nèi)的下墊面參數(shù)K分別為：2.295、2.731、1.702，第二個(gè)階段的參數(shù)明顯高于其他兩個(gè)階段，則流域在該階段的Budyko曲線上升趨勢最大，實(shí)際蒸發(fā)量較其他階段更高。流域彈性系數(shù)ɑ、β值先增大后減小，說明流域內(nèi)水利工程的運(yùn)行和森林覆蓋率的提高促進(jìn)了湘江流域的徑流調(diào)節(jié)能力，降低了徑流對氣候變暖的敏感性。由分析可知，降雨量的變化對流域徑流量的變化起主導(dǎo)地位。

3 結(jié)論

（1）在研究期間流域氣象水文要素未發(fā)生明顯突變，流域徑流量整體呈現(xiàn)下降趨勢。降雨量年內(nèi)分布不均勻，汛期為每年的5-9月份；月平均潛在蒸發(fā)量年內(nèi)波動(dòng)明顯，潛在蒸發(fā)量的最大值為7月份、最小值為1月份，變化趨勢并不明顯。流域徑流變化有明顯的周期性。

（2）流域各階段的彈性系數(shù)ɑ、β值與降雨量P和潛在蒸發(fā)量E0變化趨勢相同，流域彈性系數(shù)ɑ、β計(jì)算值均呈現(xiàn)先增大后減小的變化，說明流域內(nèi)的水利工程運(yùn)行和森林覆蓋率的提高促進(jìn)了洞庭湖流域徑流的調(diào)節(jié)能力，降低了徑流對氣候變暖的敏感性。通過計(jì)算分析得到，降雨量和潛在蒸發(fā)量對流域徑流量均起到一定作用，但降雨量的變化對洞庭湖流域徑流量的變化起主導(dǎo)地位。

參考文獻(xiàn)

[1]Milly PCD，Dunne K A.Macroscale water fluxes 2.Water and energy supply control of theirinterannual variability[J].Water Resources Research，2002，38（10）：21-24.

[2]許珊珊等.Budyko理論在水文氣候分區(qū)中的應(yīng)用研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2017（03）：17-20.

[3]肖鵬.洞庭湖流域水資源演變歸因分析[D].清華大學(xué)，2014.

作者簡介

劉東燦，男，1995--，籍貫：河南省禹州市，學(xué)歷：本科，單位：九江學(xué)院旅游與國土資源學(xué)院，研究方向：水文與水資源

李靜，女，1984--，籍貫：山東省茌平縣，學(xué)歷職稱：博士研究生，副教授，單位：九江學(xué)院旅游與國土資源學(xué)院，研究方向：森林生態(tài)水文