海南島干旱地區(qū)昌化江徑流變化及影響因素

朱麗蓉，劉宇航，葉長青

1.海南大學(xué)旅游學(xué)院，?？?570228

2.海南大學(xué)熱帶農(nóng)林學(xué)院，?？?570228

0 前言

水資源的多少及時空分布特征與人類的生活息息相關(guān)。隨著我國人口增長和經(jīng)濟發(fā)展，人類對水資源的需求逐漸增加。河川徑流受自然條件(氣候、土壤、植被等)以及人類活動雙重影響，其變化過程既呈現(xiàn)出確定性規(guī)律又具有強烈的隨機性[1]。通過分析徑流變化規(guī)律，研究變化環(huán)境對水文序列非周期性成分的影響，對實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用有重要意義。近年來，國內(nèi)學(xué)者對人類活動影響下徑流量變化規(guī)律做了大量有益研究[2-7]。整體上研究方法可分成 3類，即觀測試驗對比法、水文時間序列分析法和水文模型法[8]。幾種方法各有特點但都存在一定的局限性。觀測試驗一般適用于較小的流域尺度；而水文時間序列分析需要較長時間序列的數(shù)據(jù)，但對于過程機理認(rèn)識不太充分；水文模型由于資料不足導(dǎo)致可利用性較差以及參數(shù)率定等問題。由于基于統(tǒng)計基礎(chǔ)的時間序列分析法需要資料較少，方法成熟可靠又可定量分析徑流量的變化影響因素。因此相關(guān)研究多以水文時間序列分析法等統(tǒng)計方法為主，包括敏感性分析法、小波分析法、MK檢驗及Pettitt突變點檢驗法等[9-12]。如劉二佳等(2013)對窟野河的研究應(yīng)用了R/S分析法、小波分析、歷時曲線分析等方法從跳躍性、時間序列角度進行綜合分析并應(yīng)用降雨—徑流多元線性模型模擬計算[13]。朱穎潔等(2010)主要從趨勢、突變、周期以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬四個方面對西江進行水文變化特征研究[14]。研究發(fā)現(xiàn)，人類活動(土地利用變化)導(dǎo)致河川徑流量變化規(guī)律由于其地域空間存在差異特性而不同，仍需要開展大量典型區(qū)域的實例研究[15]。而現(xiàn)有研究區(qū)域主要還是側(cè)重于北方的河流，對熱帶地區(qū)海島性河流研究尚不多見[16]。

有研究表明海南島昌化江的含沙量明顯較高，可能是流域原始森林的破壞引起水土流失等自然災(zāi)害向下游輸送泥沙的結(jié)果[17]。隨人類活動對下墊面影響加劇，眾多南方濕潤區(qū)河流水文情勢已經(jīng)發(fā)生明顯改變。在不斷變化的環(huán)境下認(rèn)識徑流演變規(guī)律顯得十分有必要，特別是需要開展大量南方典型流域的實例研究。昌化江是海南省第二大河，發(fā)源于五指山，橫跨海南島中西部，地勢北面和東南面高，西北和西南面低，寶橋站位于昌江黎族自治縣叉河鎮(zhèn)，集水面積達4683 km2。本文利用降水-徑流關(guān)系，統(tǒng)計分析昌化江徑流變化規(guī)律，研究將有助于識別典型熱帶干旱區(qū)河流土地利用變化徑流效應(yīng)，有助于系統(tǒng)認(rèn)識土地利用/覆被變化的水文過程影響機理，并為當(dāng)?shù)厮Y源管理和決策提供依據(jù)。

1 研究方法與研究區(qū)概況

1.1 研究方法

1.1.1 肯德爾秩次統(tǒng)計方法

肯德爾秩次相關(guān)法其基本原理如下[18，19]:設(shè)時間序列xi(i=1，2，···，n)，其對任意對偶值為(xi，xj)(j＞i)，如果xj＞xi，則序列絕對上升；反之，則絕對下降。如果序列不是單調(diào)上升或下降，則統(tǒng)計量由下式計算:

式中，U為統(tǒng)計量，P為對偶值呈增長趨勢(xj＞xi)的對數(shù)，n為序列長度。若n增加，U將收斂于標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)分布，對于給定的顯著水平a，可在正態(tài)分布表中查出臨界值Za/2，比較|U|與Za/2的大小，若小于則時序列趨勢不顯著，大于則表示序列的趨勢顯著。當(dāng)統(tǒng)計量U為正值時，說明序列有上升趨勢；U為負(fù)值，則表示有下降趨勢。對于顯著水平T=0.05，U的臨界檢驗值為±1.96，T=0.01，U的臨界檢驗值為±2.74。

1.1.2 有序聚類分析法

利用有序聚類分析法尋找水文時間序列可能的顯著干擾點τ，其實質(zhì)上就是推求最優(yōu)分割點，使同類之間的離差平方和最小，類與類之間的離差平方和相對較大[18]。

設(shè)可能分割點為τ，則分割前后樣本離差平方和及總離差平方和表示為:

滿足最優(yōu)二分割條件式(7)的τ記為τ0，以此作為最可能的分割點。

1.1.3 泰森多邊形法

泰森多邊形法是美國氣候?qū)W家A·H·Thiessen提出的一種根據(jù)離散分布的氣象站的降雨量，來計算平均降雨量的方法，即將所有相鄰氣象站連成三角形，作這些三角形各邊的垂直平分線，將每個三角形的三條邊的垂直平分線的交點(也就是外接圓的圓心)連接起來得到一個多邊形。用這個多邊形內(nèi)所包含的一個唯一氣象站的降雨強度來表示這個多邊形區(qū)域內(nèi)的降雨強度，并稱這個多邊形為泰森多邊形。泰森多邊形每個頂點是每個三角形的外接圓圓心。泰森多邊形也稱為Voronoi圖。

1.2 研究區(qū)概況

昌化江是海南島的第二大河，干流長 232 km，落差達1270 m，流域總面積達到5150 km2。昌化江流域位于海南島西南部，地處低緯度地帶，屬于熱帶海島季風(fēng)氣候區(qū)[20]。昌化江流域山區(qū)為冬冷夏涼雨林區(qū)、丘陵及沿海為冬季夏熱干旱區(qū)。昌化江流域內(nèi)多年年平均降水量 1540 mm，自上游向下游遞減。年降雨量分配極不均勻，有明顯的枯濕季之分，枯季為 12月至次年 4月，降水量僅占年總量的11.4%，濕季5月至11月，降水量占年總量的88.6%。昌化江流域多年平均流量為136.1 m3·S-1，相應(yīng)水量42.9×108m3。

昌化江下游兩岸及其附近的東方和昌江兩縣地區(qū)是海南島的嚴(yán)重干旱區(qū)，除充分利用當(dāng)?shù)刂行『恿魉赐?，約 4.0×104hm2待墾荒地及 2.67×104hm2耕地均須由昌化江提供灌溉水源。昌化江中下游地區(qū)是海南島重工業(yè)基地之一。昌化江為近131.27萬人提供飲水源。流域內(nèi)已建有大廣壩、石碌等兩座大型水庫，控制集雨面積合計 3870.1 km2，總庫容18.5×108m3[20]。然而隨經(jīng)濟社會的發(fā)展，昌化江流域的用水矛盾日益突出。寶橋站是位于昌化江河道干流的國家重點觀測水文站，位于昌化江中上部。選取寶橋站(1956—2013年)共 58年的逐月徑流序列。數(shù)據(jù)源自海南省水務(wù)廳。

2 流域內(nèi)降水量及徑流量系列特征分析

2.1 降水量變化

選取昌化江流域 1956—2013年資料完整的 28個雨量站，用泰森多邊形法計算流域面雨量。線性擬合昌化江年降水序列，結(jié)果顯示降水序列有一定上升趨勢，進而利用肯德爾秩次相關(guān)法進行趨勢顯著性檢驗。經(jīng)計算，f=0.045，var(f)=0.0081，U=0.5，故1958—2013年昌化江降水量序列沒有通過顯著性檢驗。

有序聚類分析法可以對水文序列的跳躍成分進行識別。經(jīng)計算，發(fā)現(xiàn)分割點在1972年總離差平方和較小，因此 1972年應(yīng)該是跳躍點。經(jīng)計算 1956—2013年平均降水深為 1687 mm，1956—1972年為1637 mm，1973—1988年為1704 mm，1989—2002年為 1744 mm，2003—2013 年為 1667 mm，得到四個年段平均降水深后分別與長系列均值進行比較，可以看出四個年段變化率均在±4%以內(nèi)，后段與前段的倍數(shù)比分別為0.97、1.04、1.02、0.96，可以初步認(rèn)為變化合理。

2.2 徑流量變化

采用有序聚法對寶橋站 1956—2013年徑流序列跳躍成分進行識別。經(jīng)計算，發(fā)現(xiàn)分割點在1973、1989和2003年總離差平方和較小，這些年份可能是跳躍點。線性擬合徑流序列后發(fā)現(xiàn)徑流序列也有一定上升趨勢且U值約為0.2，未能通過肯德爾秩次相關(guān)法的趨勢顯著性檢驗。1956—1972年平均徑流深約為 821 mm，1973—1988 年約為 870 mm，1989—2002年約為 1000 mm，2003—2013年約為789 mm，徑流序列后20年呈現(xiàn)先增后減的趨勢，且變化幅度較前20年更大，整體變化幅度在±15%，后段與前段的倍數(shù)比分別為0.94、1.06、1.15、0.97。

表1 昌化江流域平均降水及徑流變化情況Table 1 Average precipitation and runoff change in Changhua River basin

2.3 降水對徑流的影響

分別采用降雨量和徑流量作為橫縱坐標(biāo)，繪制不同時期的降雨-徑流關(guān)系圖(見圖3)?？梢钥闯鼋邓c徑流關(guān)系曲線隨不同時間段發(fā)生明顯改變。比較降水深和徑流深的U值，并結(jié)合圖3可以推斷徑流較降水增加趨勢更緩的原因應(yīng)該是人類活動影響。以降水和徑流兩序列對比可見，徑流序列整體變化幅度比降水大，且1956—1972年與1973—1988年兩段降水和徑流的倍數(shù)比相差不大而 1989年以后的變化超過了±0.1。由此可見，1972年的徑流深的跳躍變化是由降水導(dǎo)致，而 1989和2003年跳躍點的出現(xiàn)則更多受人類活動影響。這說明在解放后一段時間內(nèi)，城鎮(zhèn)化程度低，流域生態(tài)條件、水資源系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力較好。而在1989年后人類活動對昌化江徑流變化產(chǎn)生了一定影響。

圖1 研究區(qū)位置Figure 1 Location of study area

圖2 寶橋站徑流序列的階段性變化Figure 2 Stage change of runoff series at Baoqiao station

圖3 不同時段年降水和年徑流關(guān)系圖Figure 3 Relationships between annual precipitation and annual runoff in different periods

3 人類活動對徑流情勢影響分析

3.1 影響量估算

氣候變化和人類活動是影響一個區(qū)域的水資源兩個主要因素。氣候系統(tǒng)決定降水總量、降水范圍、降水年內(nèi)分配及年際變化；人類的生產(chǎn)活動則會對地表徑流產(chǎn)生兩個方面的影響:一是由河道向外引水直接造成徑流的減少，稱為直接影響量；二是城鎮(zhèn)建設(shè)對流域下墊面條件改變，間接造成徑流的增加或減少，稱為間接影響量[21]。

徑流系數(shù)在某種程度上可以反映流域下墊面的影響[21]，再次應(yīng)用有序聚類法分析徑流系數(shù)序列變異情況。為了使徑流的計算結(jié)果能基本上反映天然情況，使資料具有一致性，需要對測站以上受開發(fā)利用活動影響而增減的水量進行還原計算。本文采用分項調(diào)查還原法，對寶橋站實測徑流進行還原計算，將實測年徑流系列還原為天然年徑流系列。數(shù)據(jù)來源于海南省水務(wù)廳。如圖4可以看出在分割點τ為 32、47時曲線達到最低點，分別對應(yīng)年份為1989、2004年。1989年跳躍點與流域建設(shè)大廣壩水庫建成時間相吻合，水庫建設(shè)應(yīng)該對1989年跳躍有影響。這說明1989年后人類對流域內(nèi)下墊面的改變加劇，徑流的趨勢變化主要是人類活動的影響。

圖4 徑流系數(shù)的總離差平方和與分割點的關(guān)系Figure 4 Relationship between total sum of squares of deviations and breakpoint of runoff coefficient

根據(jù)隨機水文學(xué)中的原理，若某一流域下墊面條件不變，則在一定降水條件下會產(chǎn)生一定水量，若下墊面條件變化則會產(chǎn)生不同于不變時的水量。1989 年建成的大廣壩水庫會對徑流變化規(guī)律產(chǎn)生一定影響。結(jié)合對昌化江流域徑流系數(shù)的分析，可以認(rèn)定一致性較好的降水序列 1956—1988年為無人類活動影響基準(zhǔn)期，建立降水徑流相關(guān)關(guān)系，可作為基準(zhǔn)期定量分析 1989年以后人類活動對流域產(chǎn)匯流的影響。為得到徑流受人類活動的影響量，將有人類活動影響年段的資料帶入關(guān)系式，求出無人類活動影響的水量，并與實際水量比較，差值即為徑流受人類活動的影響量。計算得出人類活動的直接影響、間接影響以及綜合影響量。根據(jù)寶橋站流域降水和天然徑流系列資料進行回歸分析，建立降水和徑流的相關(guān)關(guān)系。

經(jīng)操作，回歸公式為:R=0.982P-794.852，相關(guān)系數(shù)為 0.96，誤差為 9.28 mm，結(jié)果滿足要求。將1989—2013年的降水?dāng)?shù)據(jù)代入，得到1989—2013年徑流序列，記為 Rh。由上述理論可知，1989年后的實測徑流量Rm與天然徑流量Rn的差值可以表示人類活動對昌化江流域徑流的直接影響量；1989年后的數(shù)據(jù) Rn與回歸推算的天然徑流量 Rh的差值可以表示人類活動對流域的間接影響量；1989年后實測的徑流量Rm與Rh的差值可以表示綜合影響量。分析結(jié)果如表2所列，1989—2002年人類活動直接影響促使徑流減小，間接影響促使徑流增加，昌化江流域人類活動間接影響程度大于直接影響，兩者總的綜合影響結(jié)果使徑流增加，增加量約為 14.4 mm；2003—2013年人類的活動影響使得昌化江徑流量大幅減少，減少量約為 117.1 mm，經(jīng)計算可以得出兩個時期綜合影響占 Rh的比率約分別為 1.6%和-13.9%。由于昌化江天然徑流量較大，且人類活動的直接影響變化不大，2003年后人類活動對昌化江的間接影響逐漸顯露。

圖5 寶橋站1956－1988年降水深與天然徑流深相關(guān)圖Figure 5 Depth of precipitation and natural runoff from 1956 to 1988 at Baoqiao Station

3.2 原因分析

隨社會發(fā)展，人類活動的增強，昌化江流域徑流發(fā)生了一定程度的變異，主要表現(xiàn)為，在氣候條件沒有明顯變化情況下，昌化江58年徑流序列先顯著上升趨勢，2003年后才顯著下降。

其主要原因有兩點:第一，流域內(nèi)工農(nóng)業(yè)用水量和人口生活飲用水量增加直接導(dǎo)致徑流減少。第二，流域下墊面條件改變間接導(dǎo)致徑流變化。

(1)工農(nóng)業(yè)用水量和人口生活飲用水量增加直接導(dǎo)致徑流減少。昌化江流經(jīng)東方、瓊中、樂東等對農(nóng)業(yè)依賴性強的貧困市縣，當(dāng)?shù)貙r(nóng)業(yè)的依賴性強。據(jù)統(tǒng)計，2013年昌化江流域農(nóng)業(yè)用水約占總用水量的 85%，全省農(nóng)業(yè)用水量較高的五個縣中，有三個屬于昌化江流域。下游的東方和昌江兩縣是海南省的嚴(yán)重干旱區(qū)，約有 4.0×104hm2待墾荒地及2.67×104hm2耕地均須昌化江提供灌溉水源，因而農(nóng)業(yè)灌溉用水增多直接導(dǎo)致徑流減少。此外，海南省工業(yè)布局主要在西部、北部沿海地區(qū)。昌化江中下游地區(qū)是重工業(yè)基地之一，據(jù)統(tǒng)計，2000年昌化江流域工業(yè)用水量1244×104m3，萬元工業(yè)產(chǎn)值用水量達 114 m3位列三大河流之首，工業(yè)用水增多也是直接導(dǎo)致徑流減少的原因。

表2 人類活動對昌化江流域徑流深影響單位： mmTable 2 Effects of human activities on runoff depth in Changhua River basin Unit： mm

(2)流域下墊面條件改變間接導(dǎo)致徑流變化。研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2008年昌化江流域土地利用面積中，天然林為 63986 hm2，果園為 63935 hm2，橡膠林為12062 hm2，水田和旱地分別為 19957 hm2和 21879 hm2。這幾類土地利用面積占了流域總面積的84.06%。其中在1998—2008年，天然林轉(zhuǎn)出面積28445 hm2，占昌化江下游地區(qū)中1998年天然林總面積(77978 hm2)的36.48%。其中，主要的轉(zhuǎn)出方向為果園，天然林轉(zhuǎn)出為果園的面積占總轉(zhuǎn)出面積的65.46%[22]。據(jù)實地調(diào)查，果園主要種植綠橙和其他種類的水果園地。據(jù)1999年海南省第二次土壤侵蝕情況調(diào)查顯示，昌化江流經(jīng)的七個縣市土壤侵蝕面積共計 271.64 km2，約占全省總土壤侵蝕面積的48%[23]。土壤侵蝕程度較高是由于下墊面植被破壞有關(guān)。因此，大面積種植農(nóng)業(yè)經(jīng)濟作物，造成過量樵采砍伐植被，加上流域土壤侵蝕，已導(dǎo)致昌化江的下墊面條件發(fā)生了較大的變化，很可能是導(dǎo)致徑流量2003年后減少的因素。而且，1989年流域上游興建大廣壩水庫，也造成流域植被的破壞，大廣壩水庫的修建與徑流1989年的跳躍變化有著直接聯(lián)系。

人類活動對流域植被的影響可以用植被覆蓋指數(shù)NDVI來表示，NDVI的值可利用遙感影像中用近紅外波段反射值與紅外波段的反射值之差比兩者之和計算得出。利用NASA最新的全球植被指數(shù)變化研究數(shù)據(jù)(GIMMS)研究昌化江流域內(nèi)植被變化情況，計算昌化江流域1982—2006年植被覆蓋變化率。圖中各像元NDVI變化率=直線斜率/均值×25×100%。從圖中可以看出昌化江流域NDVI變化率負(fù)值略多于正值，直線斜率為-0.00026，變化率為-0.716，下降趨勢不顯著。由此來看，這一階段流域中不少區(qū)域植被變化具有減弱特征，流域中較多天然林植被遭到破壞，流域地表蒸發(fā)作用加強，流失的水分大量增加，人類活動間接影響導(dǎo)致年徑流量發(fā)生下降。

綜合上述，昌化江流域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水直接導(dǎo)致徑流量減少；2003年后流域果園等經(jīng)濟作物種植、水庫大壩建設(shè)和土壤侵蝕等改變了流域下墊面條件，蒸發(fā)量增加，間接導(dǎo)致徑流量降低。

圖6 昌化江植被指數(shù)NDVI變化率Figure 6 Change rate of vegetation index NDVI in Changhua River

4 結(jié)論

本文以海南島干旱區(qū)昌化江流域?qū)殬蛘?58年水文資料為基礎(chǔ)，采用肯德爾秩次相關(guān)等統(tǒng)計方法和GIS技術(shù)研究流域內(nèi)降水徑流的變化特點及變化原因。得到如下結(jié)果:

(1)近58年來，昌化江流域內(nèi)降水量和徑流量呈緩慢上升趨勢；

(2)徑流序列主要在1989年和2003年發(fā)生兩次躍變，人類活動的間接影響是這兩次躍變的主要影響因素；

(3)昌化江整體上徑流量呈現(xiàn)十分微弱緩慢的上升趨勢，但近十年徑流量減少量，約占多年平均徑流量的9.4%；

(4)人類活動的間接影響對昌化江徑流變化起重要作用，主要表現(xiàn)為大面積種植果園等經(jīng)濟作物、大型水利工程建設(shè)和土壤侵蝕等造成的下墊面條件變化。2003年后受人類活動影響，該流域植被覆蓋率降低引起蒸發(fā)作用增加，間接導(dǎo)致徑流量降低。