灤河流域近59年徑流變化分析研究

付博超

(河北省秦皇島水文水資源勘測(cè)局，河北 秦皇島 066000)

0 引 言

受氣候、流域特征和人類活動(dòng)的影響，流域水文循環(huán)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。水量短缺以及水災(zāi)害發(fā)生頻率越來(lái)越高[1]。在過(guò)去的幾十年里，許多河流的年徑流量顯著減少，帶來(lái)了一些水資源問(wèn)題，特別是在干旱和半干旱地區(qū)，河流徑流受到氣候變化和人類活動(dòng)的強(qiáng)烈影響，導(dǎo)致產(chǎn)徑流量發(fā)生顯著變化[2]。河流徑流變化的驅(qū)動(dòng)因素因河而異，并隨著時(shí)間而變化[3]。為了更有效地管理水資源，有必要了解在變化環(huán)境下徑流的產(chǎn)生和變化。此外，定量評(píng)價(jià)不同因素對(duì)徑流的相對(duì)影響對(duì)區(qū)域水資源評(píng)價(jià)和開(kāi)采具有重要意義。

氣候是徑流變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，同時(shí)包括降水、溫度、蒸散發(fā)以及人類活動(dòng)[4]。人類活動(dòng)對(duì)中國(guó)北方徑流的影響通常是通過(guò)計(jì)算它們對(duì)水量平衡方程各組成部分的影響來(lái)評(píng)估的。因供水和用水條件復(fù)雜且變化迅速，所以該種分析方法較為困難。其他分析方法如回歸分析、敏感性分析和水文模型模擬法最近被用來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。敏感性分析[5]是一個(gè)廣泛采用的方法，其用于評(píng)估年徑流對(duì)降水量和蒸散量變化的響應(yīng)。灤河作為中國(guó)河北地區(qū)的一條大河，其為1億人口提供淡水。灤河流域的經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)相對(duì)發(fā)達(dá)，由于土壤的高肥力，被稱為中國(guó)國(guó)家農(nóng)林生產(chǎn)基地[6-7]。目前，對(duì)小流域徑流變化的研究只是簡(jiǎn)單地分析支流和整個(gè)流域年徑流趨勢(shì)的變化，很少有研究介紹季節(jié)性和月徑流的變化以及徑流的其他特征，如高徑流量(Q5)、低徑流量(Q95)和中徑流量(Q50)的變化。因此，鑒于流域內(nèi)人類活動(dòng)影響的加劇，有必要量化氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的相對(duì)影響，以便更好地管理水資源。

本文以灤河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，采用1953-2011年間近59年的徑流資料，研究目的如下:①研究年、季、月尺度上徑流的變化；②確定年徑流變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)(即突變點(diǎn))，將整個(gè)徑流時(shí)期劃分為基準(zhǔn)參考期(自然期)和人類影響期，通過(guò)比較人類影響期和自然期的結(jié)果，采用水文敏感性分析方法量化降水、蒸散和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的相對(duì)影響；探討人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的主要影響方式。本文的研究結(jié)果可為未來(lái)灤河流域水資源管理提供重要參考。

1 研究區(qū)概況

灤河位于海河流域北部，是天津、唐山和承德市最重要的水源地。灤河發(fā)源于河北省和內(nèi)蒙古交界處，全長(zhǎng)888 km，在樂(lè)亭縣與渤海匯合，有8條主要支流流入該河，其年平均徑流量為2.45×109m3。灤河流域的土地利用類型主要包括森林、農(nóng)業(yè)、草原和城區(qū)。潘家口和大黑汀水庫(kù)是天津和唐山的主要飲用水源地[8]。

2 數(shù)據(jù)處理和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

本文采用灤河流域內(nèi)及附近均勻分布的11個(gè)氣象站以及6個(gè)水文站，時(shí)間長(zhǎng)度為1953-2011年，數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家氣象局氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)[9]。為了確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，首先將數(shù)據(jù)中的異常值去掉；其次，當(dāng)數(shù)據(jù)中存在大于5年的數(shù)據(jù)缺失時(shí)，該站點(diǎn)的數(shù)據(jù)將被去除。當(dāng)數(shù)據(jù)存在缺失時(shí)，采用距離該站點(diǎn)最近且數(shù)據(jù)的相關(guān)性R2較好的站點(diǎn)向其插值。研究區(qū)的平均降水量、平均溫度、平均潛在蒸散發(fā)量(E0)采用泰森多邊形法計(jì)算[10]。流域內(nèi)年劃分為4個(gè)時(shí)期：1-3月、4-6月、7-9月、10-12月份。日徑流量的長(zhǎng)度為1953-2011年。各站之間數(shù)據(jù)的相關(guān)性均大于0.6，表現(xiàn)出良好的相關(guān)性。1980、2000和2010年的土地利用數(shù)據(jù)以及NDVI數(shù)據(jù)來(lái)自AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer)[11]，NDVI數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為1982-2011年，數(shù)據(jù)從地理科學(xué)數(shù)據(jù)云平臺(tái)獲得。本文采用Arcgis對(duì)NDVI處理上述數(shù)據(jù)。河北省的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括人口、GDP、農(nóng)田灌溉面積、糧食產(chǎn)量，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為1953-2011年，來(lái)自國(guó)家統(tǒng)計(jì)局。

2.2 研究方法

為了分析年徑流量和季節(jié)徑流量，本文采用以下統(tǒng)計(jì)變量:①平均徑流量；②徑流量百分位閾值:Q5、Q50和Q95；③低徑流量和高徑流量之間的變化率為:Q95:Q50和Q5:Q50，其中Q50表示年或季度徑流量的中位數(shù)。

2.2.1 趨勢(shì)分析

Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)[12-14]被廣泛用于檢測(cè)氣象要素時(shí)間序列的趨勢(shì)變化及是否發(fā)生顯著性變化。其計(jì)算方法如下：

定義統(tǒng)計(jì)量S：

(1)

(2)

趨勢(shì)計(jì)算公式為：

(3)

(4)

Z值被用于判斷時(shí)間序列的變化趨勢(shì)，當(dāng)Z大于0時(shí)，表明序列具有增加趨勢(shì)；當(dāng)Z小于0時(shí)，表明序列具有減少趨勢(shì)。在顯著性水平α下，當(dāng)|Z|≥Z1-α/2時(shí)，表明時(shí)間序列存在顯著性變化趨勢(shì)。本文趨勢(shì)Z的大小即斜率采用Sen法[15]計(jì)算。該方法對(duì)趨勢(shì)變化幅度的估計(jì)較為可靠，已被廣泛用于識(shí)別水文和氣候時(shí)間序列中趨勢(shì)線的斜率。其計(jì)算方法如下：

(5)

式中：1

2.2.2 突變點(diǎn)分析

突變點(diǎn)分析采用Pettitt檢驗(yàn)[16]，對(duì)于待檢驗(yàn)樣本x1,…,xt和xt+1,…,xN，統(tǒng)計(jì)量P的計(jì)算方法如下：

(6)

當(dāng)(Xt-Xj)>0, sgn(Xt-Xj)=1

當(dāng)(Xt-Xj)=0 , sgn(Xt-Xj)=0

當(dāng)(Xt-Xj)<0 , sgn(Xt-Xj)=-1

(7)

KN=max1≤t≤N|Ut,N|

(8)

P?2*exp{-6(KN)2/(N3+N2)}

(9)

2.2.3 水文敏感性分析方法

對(duì)于一個(gè)給定的流域，假設(shè)其年徑流變化的計(jì)算公式為：

(10)

考慮氣候變化和其他因素影響下，年徑流變化總量的計(jì)算公式如下：

(11)

(12)

φP=(1+2x+3ωx)/(1+x+wx2)2

(13)

φE0=(1+2ωx)/(1+x+wx2)2

(14)

式中：ΔP，ΔE0為降水和潛在蒸散發(fā)量的變化，E0采用FAP推薦的Penman-Monteith公式計(jì)算；φP，φE0為徑流對(duì)于P和E0的敏感性系數(shù)；x為干燥指數(shù)，其為E0和P的擬合函數(shù)；ω為0.39。

(15)

(16)

3 結(jié)果分析

3.1 徑流年內(nèi)和年際間變化

圖1給出不同時(shí)間尺度灤河流域徑流量的M-K趨勢(shì)Z和Sen斜率求解結(jié)果。由圖1可知，在1953-2011年，年徑流量表現(xiàn)出顯著性下降趨勢(shì)(P<0.001)，其斜率為-1.458 m3·s-1/年，Z值為-3.54，徑流的最大值和最小值出現(xiàn)在1954和2003年，其數(shù)值分別為294.7和11.3 m3/s。除了1-3月份，其他季度的徑流量均表現(xiàn)出顯著性下降的趨勢(shì)(P<0.001)，其斜率的最大值出現(xiàn)在7-9月份，為-3.998 m3·s-1/年，對(duì)應(yīng)的Z值為-3.53。季度徑流量的最大值出現(xiàn)在50年代，其最小值出現(xiàn)在1980-1985年和2000-2005年。1-3月份表現(xiàn)出現(xiàn)出下降趨勢(shì)，其斜率值最小為-0.051 m3·s-1/年，其Z值為-1.15 m3/s。

圖1 1953-2011年灤河流域徑流量的M-K和Sen斜率值

圖2給出灤河流域不同時(shí)間尺度Pettitt突變點(diǎn)統(tǒng)計(jì)量KN值的結(jié)果，水平線代表不同的顯著性水平，當(dāng)KN的最大值和最小值出現(xiàn)在水平線包圍的范圍以外時(shí)，表明該點(diǎn)為顯著性突變點(diǎn)。由圖2可以看出，各時(shí)間尺度均無(wú)顯著性突變點(diǎn)，其年徑流量的突變點(diǎn)和累積距平曲線保持一致，其在1964、1984和1998年以后分別表現(xiàn)出下降、增加和減小的趨勢(shì)。因此，這個(gè)年徑流量可以分為4個(gè)時(shí)期：1953-1964、1965-1984、1985-1998和1999-2011。在1953-1964年，年徑流量的平均值最大為159.6 m3/s，在1965-1984、1985-1998和1999-2011年，年徑流量的平均值分別為55.9，119.2和51.2 m3/s，均小于1953-1964年。4個(gè)時(shí)段內(nèi)徑流在年際間的變化較為相似。不同季度年徑流量的突變點(diǎn)分別為1964、1985和1998。在4-6月份其第一個(gè)突變點(diǎn)即1964年表現(xiàn)不顯著，因此其只存在兩個(gè)突變點(diǎn)。

對(duì)于月徑流量，1、2和5月份表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，其Z值分別為0.58、0.93和3.31，斜率分別為0.015、0.020和1.039，只有5月份表現(xiàn)出顯著性變化。其他月份均表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，大部分月份均達(dá)到顯著性水平，斜率的最大值和最小值出現(xiàn)在8和12月份，其斜率分別為-4.139 m3·s-1/年(P<0.01)和-0.127 m3·s-1/年(P<0.05)。

3.2 徑流量變化特點(diǎn)

表1給出自然期和人類活動(dòng)影響期年徑流和月徑流的特征比較結(jié)果，其中1953-1964為基準(zhǔn)期或自然期，其他時(shí)間段為人類活動(dòng)影響期。由表1可以看出，1953-1964年間的Q5、Q50和Q95大于人類活動(dòng)影響期中的1965-1984年和1999-2011年。1953-1964和1965-1984相比，Q5在年和季節(jié)尺度上均表現(xiàn)出顯著性減小，其變化范圍為-55.6%～-77.9%，在年尺度上其最大減小比例為-77.9%。除4-6月份，Q95也表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，其在7-9月份的下降比列最大為-74.6%。除7-9月份，Q5/Q95在年和季尺度上均表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，最大下降比例為-59.3%。相反，Q95/Q50在不同時(shí)期均沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的變化。1953-1964和1985-1998年相比，Q5表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，其在年和季尺度上的減小比列分別為-1.3%和-51.4%，最大下降速率出現(xiàn)在1-3月份。除7-9月份，Q95表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，在年尺度上其最大增加比例為75.8%。Q5/Q50在7-9月份表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，其增加比例為114.6%，在其他月份均表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。

圖2 Pettitt突變點(diǎn)及其顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

表1 自然期和人類活動(dòng)影響期年徑流和月徑流的特征比較 /m3·s-1

續(xù)表1

3.3 氣候和非氣候因素對(duì)徑流變化的影響

3.3.1 氣候變化對(duì)徑流變化的影響

本文采用水文敏感性分析方法定量分析氣候和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響，其結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出，氣候變化和人類活動(dòng)的相對(duì)貢獻(xiàn)率在1965-1984年期間分別為43.4%和55.6%，在1985-1998年期間分別為28.3%和128.3%，在1999-2011年期間分別為24.1%和75.9%。在人類活動(dòng)期間包括溫度、降水和E0在內(nèi)的氣候變量的變化見(jiàn)圖3。1953-2011年期間的年平均氣溫表現(xiàn)出顯著的上升趨勢(shì)，年平均氣溫的上升斜率為0.026℃/年(P<0.001)。最高和最低氣溫分別出現(xiàn)在1969和2007年，分別為5.5℃和8.8℃。在過(guò)去幾十年中，年降水量表現(xiàn)出劇烈的變化和顯著的下降趨勢(shì)(P<0.05)，Sen斜率值為1.428 mm/年。與1953-1964年年平均降水量相比，1965-1984和1999-2011年間觀測(cè)到的降水量分別減少51.8和97.2 mm。同時(shí)，1965-1982和1999-2011年期間的年E0分別比基準(zhǔn)期上漲57.2和91.6 mm，這加劇了徑流下降。在1985-1998年期間，徑流表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，與基準(zhǔn)期相比，E0減少37.0 mm，其降雨量略有增加，增加了5.2 mm。

4個(gè)時(shí)期降雨量和徑流深度的比較結(jié)果可知，K1953-1964(為0.29)>K1999-2011(為0.14)>K1985-1998(為0.13)>K1965-1984( 為0.03 )，表明流域的產(chǎn)流能力在基準(zhǔn)期(1953-1964年)最大，在人類活動(dòng)影響期(1965-1984年)最弱。

3.3.2 土地利用對(duì)徑流變化的影響

1980-2010年間灤河流域土地利用變化量見(jiàn)表3。由表3可以看出，林地面積減少4.5%，耕地面積減少3.9%，草地面積增加3.8%，城市面積增加2.8%。這些變化主要原因是開(kāi)墾和城市化快速建設(shè)導(dǎo)致林地和農(nóng)田向草地和城市地區(qū)轉(zhuǎn)化造成的。自20世紀(jì)80年代初以來(lái)，大規(guī)模的城市建設(shè)占用了林地和農(nóng)田，導(dǎo)致林地退化并轉(zhuǎn)化為草地。2000-2010年期間，草地(0.8%)和城市(0.9%)的土地利用略有變化，而其他土地利用類型的面積保持穩(wěn)定。自1999年退耕還林工程開(kāi)始以來(lái)，林地和草地得到保護(hù)，因此在2000-2010年期間，這些類型沒(méi)有發(fā)生明顯變化。城市面積略有增加，主要與大城市和郊區(qū)建設(shè)有關(guān)。

表2 1965-2011年氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流深變化的貢獻(xiàn)率

圖3 1953-2011年年平均溫度、年降水量和年潛在蒸散量的M-K及Sen斜率計(jì)算結(jié)果

表3 1980-2010年灤河流域土地利用變化

4 結(jié) 論

本文分析了灤河流域近59年的徑流變化特點(diǎn)，主要結(jié)論如下：

1) 在過(guò)去的59年中，年平均徑流量和季節(jié)平均徑流量呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，尤其在7-9月份。就月平均徑流量而言，1、2和5月份表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，而其他月份的徑流量呈下降趨勢(shì)，大多數(shù)趨勢(shì)達(dá)到顯著性水平。

2) 1964、1984和1998年被確定為徑流變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)?；鶞?zhǔn)期或自然期的Q5、Q95和Q50的徑流量高于兩個(gè)人類活動(dòng)影響期1965-1984和1999-2011年。

3) 降水和蒸散發(fā)對(duì)整個(gè)流域徑流變化的影響分別為3.8%～28.0%和7.4%～24.5%，而人類活動(dòng)的影響為56.6%～128.3%，表明與氣候變化相比，人類活動(dòng)對(duì)徑流量控制方面起主導(dǎo)作用。在1985-1998年期間，人類活動(dòng)影響最大。