近60 a榕江流域徑流變化成因定量分析

黃鋒華，陳思淳

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635；3.廣東省流域水環(huán)境治理與水生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635)

1 概述

氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響是水科學(xué)研究中的熱點(diǎn)問題之一[1-4]。氣候變化背景下人類活動(dòng)所引發(fā)的各種水問題中，如何定量估算和分解兩者的影響是目前水文水資源研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)與難點(diǎn)，備受廣大水文學(xué)者關(guān)注。趙益平[5]等采用累積量斜率變化分析法定量分離出氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)釜溪河流域徑流量變化的貢獻(xiàn)。劉劍宇[6]等基于Budyko假設(shè)的水熱耦合平衡方程，進(jìn)一步分析氣象因子對(duì)徑流變化的彈性系數(shù)，定量分析氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)中國徑流變化的影響。累積量斜率變化分析法，該方法原理簡(jiǎn)單，能客觀地定量分解氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)，得到了廣泛應(yīng)用[7-10]。本文擬通過近60 a榕江流域年徑流、降水、氣溫資料，采用累積距平法、Mann-Kendall方法分析東橋園站年徑流變化趨勢(shì)及突變性檢驗(yàn)，識(shí)別年徑流量變化的突變年份。采用累積量斜率變化分析法定量分析氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)年徑流量變化貢獻(xiàn)率，揭示榕江流域徑流變化的成因，為榕江流域水資源合理開發(fā)利用提供參考。

2 研究區(qū)域概況

榕江發(fā)源于廣東省汕尾市鳳凰山，流域面積為4 408 km2，流域內(nèi)已建水庫236宗，總庫容為6.02億m3。東橋園站建于1951年4月，是榕江干流控制站和國家級(jí)重要站，控制面積為2 016 km2，占全流域的45.7%。東橋園站以上區(qū)間主要有龍頸(下)水庫、龍頸(上)水庫、大北山水庫、河輋水庫等4座水庫，總庫容為3.3億m3，控制面積為522 km2。東橋園站控制流域范圍內(nèi)多年平均降水量為2 154 mm，實(shí)測(cè)多年平均徑流量為27.79億m3，多年平均天然徑流量為30.86億m3。榕江流域水系、觀測(cè)站點(diǎn)分布見圖1所示。

圖1 榕江流域水系、觀測(cè)站點(diǎn)分布示意

3 研究方法與數(shù)據(jù)來源

3.1 研究方法

3.1.1累積距平法

累積距平法[12]是一種由曲線直觀判斷變化趨勢(shì)的常用方法。對(duì)于序列Xt(t=1，2，…，n)，其某一時(shí)刻t的累積距平表示為：

(1)

3.1.2Mann-Kendall方法

Mann-Kendall方法(M-K法)是進(jìn)行時(shí)間序列突變檢驗(yàn)的常用方法之一[11-14]。該方法能明確水文氣象時(shí)間序列的演變趨勢(shì)是否存在突變現(xiàn)象以及突變開始的時(shí)間。

對(duì)于具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列X，構(gòu)造一秩序列:

(2)

其中：

(3)

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，定義統(tǒng)計(jì)量：

(4)

式中UF1=0，E(sk)、Var(sk) 分累計(jì)數(shù)sk的和方差，在x1，x2，…，xn相對(duì)獨(dú)立，有相同連續(xù)分布時(shí)，可由下式算出：

(5)

UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，是時(shí)間序列X的統(tǒng)計(jì)量序列。給定顯著性水平α，|UFk|>Ua時(shí),明序列存在顯著的變化趨勢(shì)；按時(shí)間序列X的逆序再重復(fù)上述過程，同時(shí)使UBk=-UFk，UB1=0。將UBk、UFk和臨界值±Ua繪圖。若UFk/UBk的值大于0，表明序列為上升趨勢(shì)，相反則為下降趨勢(shì)；若UFk和UBk曲線出現(xiàn)交點(diǎn)且交點(diǎn)位于臨界線之間(α=0.05， 臨為±1.96)，則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為變異開始的時(shí)間。

3.1.3累積量斜率變化分析法

2）進(jìn)料裝置：進(jìn)料裝置保證物料均勻地輸送到皮帶機(jī)。進(jìn)料裝置開始裝載物料時(shí)，尾部放置到地面上，行走時(shí)通過支撐系統(tǒng)抬起。

累積量斜率變化分析法的原理在相關(guān)文獻(xiàn)[15]中已進(jìn)行了詳細(xì)的說明，在此不再贅述。設(shè)拐點(diǎn)前后兩個(gè)時(shí)期的年份與累積徑流量斜率分別為SRa和SRb，同理兩個(gè)時(shí)期的累積降水量斜率分別為SPa和SPb，累積氣溫斜率分別為STa和STb。

通常，降水與徑流呈現(xiàn)正相關(guān)，氣溫與徑流呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，因此降水對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率Cp(%)可表示為：

CP=[(SPb-SPa)/SPa]/[(SRb-SRa)/SRa]×100%

(6)

氣溫對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率CT(%)可表示為：

CT=-[(STb-STa)/STa]/[(SRb-SRa)/SRa]×100%

(7)

綜合考慮水、熱要素，氣候變化對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率CC為：

CC=CP+CT

(8)

CH=100-CC

(9)

3.2 數(shù)據(jù)來源

本文采用數(shù)據(jù)來自榕江流域及其周邊地區(qū)1956—2016年徑流量、降水量和氣溫?cái)?shù)據(jù)，涉及1個(gè)水文站、20個(gè)雨量站、1個(gè)氣象站(見圖1)。徑流量數(shù)據(jù)來自東橋園水文站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，面降水量采用泰森多邊形法計(jì)算獲得。流域內(nèi)無氣溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，本文采用中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)的五華站年平均氣溫?cái)?shù)據(jù)。

4 結(jié)果與分析

4.1 年徑流突變識(shí)別

采用累積距平法和M-K法識(shí)別榕江流域東橋園站年徑流突變年份，圖2給出了東橋園站年徑流量累積距平過程。由圖2可知，多年來東橋園站年徑流量呈現(xiàn)明顯的階段變化特征，年徑流量累積距平值分別在1961年、1976年、1986年和2008年達(dá)到峰值，其中1961年為最大值；年徑流量累積距平值在1996年達(dá)到最小值。1996年后累積曲線呈現(xiàn)曲折上升趨勢(shì)，年均徑流量增加。1961年和1996年可能存在年徑流量突變年份。

圖2 東橋園站年徑流距平過程示意

圖3給出了東橋園站年徑流量M-K法檢驗(yàn)曲線。由圖3可知，東橋園站年徑流量除了1961年外，其余年份均沒有突破0.05顯著性水平，變化趨勢(shì)不顯著。徑流量UF和UB曲線在置信度線之間相交于2004年，即年徑流量有可能在2004年發(fā)生突變。

圖3 東橋園站年徑流M-K法檢驗(yàn)曲線示意

雖然兩種識(shí)別方法結(jié)果并不完全一致，通過對(duì)比突變年份前后均值和變異系數(shù)Cv值(見表1)，1961年和2004年為序列的突變年份，可將東橋園站的年徑流變化情況劃分為3個(gè)時(shí)期。

表1 東橋園站年徑流量可能突變年份分析

4.2 年徑流突變成因估算

根據(jù)上述年徑流量突變年份識(shí)別分析，結(jié)合流域內(nèi)水利工程建設(shè)時(shí)間情況，劃分3個(gè)時(shí)期，其中1956—1961年為序列的基準(zhǔn)期，1962—2003年為序列第1個(gè)影響期，2004—2016年為序列第2個(gè)影響期。

圖4～6分別給出了年徑流、年降水、年均氣溫的累積曲線，并分別計(jì)算各累積序列各影響期的斜率變化率(見表2)。

圖4 東橋園站累積徑流與年份關(guān)系曲線示意

圖5 東橋園站累積降水與年份關(guān)系曲線示意

圖6 東橋園站累積氣溫與年份關(guān)系曲線示意

由表2可知，1962—2003年與1956—1961年相比，累積徑流斜率減少了406.7 mm/a，降幅為23.1%；累積降水斜率減少了346.2 mm/a，降幅為13.9%；累積氣溫斜率增加1.2 ℃/a，增幅為5.9%。利用公式(6)～(9)，計(jì)算可得降水變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率為60.1%，氣溫變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率為25.4%，由此可知1962—2003年氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率分別為85.5%和14.5%。同理可得2004—2016年氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率分別為100%和0%。僅考慮降水變化影響，1962—2003年氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率分別為60.1%和39.9%，2004—2016年氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率分別為76.2%和23.8%。由表3可知，氣候變化是榕江流域徑流變化的主導(dǎo)因素，其中降水變化對(duì)徑流影響的貢獻(xiàn)最大。

表2 東橋園站累積徑流、累積降水、累積氣溫斜率及其變化率

表3 氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率 %

5 結(jié)語

本文采用累積距平法、M-K法分析東橋園站1956—2016年年徑流變化趨勢(shì)以及識(shí)別年徑流量變化的突變年份，應(yīng)用累積量斜率變化分析法定量分析不同時(shí)期氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率。主要結(jié)論如下：

1) 通過兩種識(shí)別方法并結(jié)合突變點(diǎn)前后均值和Cv值，東橋園站的年徑流量變化存在兩個(gè)突變年份，分別為1961年和2004年，由此徑流變化可劃分為3個(gè)時(shí)期。

2) 以1956—1961年為年徑流變化的基準(zhǔn)期，定量估算了氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的影響程度。1962—2003年氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率分別為85.5%和14.5%，2004—2016年氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率分別為100%和0%。僅考慮降水影響，兩個(gè)時(shí)期氣候變化對(duì)徑流變化影響的貢獻(xiàn)率分別為60.1%和76.2%，人類活動(dòng)對(duì)徑流變化影響的貢獻(xiàn)率分別為39.9%和23.8%。表明榕江流域年徑流變化受氣候變化影響為主并呈現(xiàn)影響加強(qiáng)態(tài)勢(shì)，其中降水變化對(duì)徑流影響的貢獻(xiàn)最大。

3) 本研究揭示了榕江流域近60 a年徑流量的變化及其成因，對(duì)于該流域未來水資源的開發(fā)利用具有重要意義。對(duì)于氣候變化因素，本文僅考慮了降水和氣溫，實(shí)際上影響徑流變化的氣候因素較多，其他氣候影響因素有待進(jìn)一步研究。