南北過(guò)渡帶典型流域徑流變化歸因?qū)Ρ妊芯?/h1>
2020-12-30 12:55:30師潤(rùn)田鵬趙廣舉
人民黃河 2020年12期
師潤(rùn) 田鵬 趙廣舉
摘 要：為探明中國(guó)南北過(guò)渡帶不同河川徑流變化的差異，采用線性趨勢(shì)回歸法與累積距平法對(duì)比分析了1975—2015年南北過(guò)渡帶秦嶺南麓漢江源武侯站與北麓渭河源武山站的徑流變化特征，采用基于Budyko水熱平衡方程的彈性系數(shù)法開展徑流變化的歸因識(shí)別。研究發(fā)現(xiàn)：漢江源區(qū)徑流呈微弱減少趨勢(shì)，渭河源區(qū)徑流呈極顯著減少趨勢(shì)，分別于1990年和1993年發(fā)生突變;兩流域年徑流量均對(duì)氣候變化較為敏感，特別是漢江源區(qū)，其徑流對(duì)降水變化表現(xiàn)出較高的敏感性;降水、潛在蒸散發(fā)和下墊面變化對(duì)漢江源徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為65.23%、6.02%和28.75%，對(duì)渭河源徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為24.51%、26.62%和48.87%。研究結(jié)果表明渭河源區(qū)徑流對(duì)人類活動(dòng)影響更加敏感。
關(guān)鍵詞：南北過(guò)渡帶;徑流變化;Budyko水熱平衡方程;氣候變化;人類活動(dòng);漢江源區(qū);渭河源區(qū)
中圖分類號(hào)：P333;TV121 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.006
Abstract：This study attempted to identify the differences in runoff changes of two rivers in the south and north of Chinas north-south transitional zone. The linear regression test and the cumulative anomaly method were applied to detect temporal variations in runoff at Wuhou and Wushan stations in the sources of Hanjiang River and Weihe River from 1975 to 2015. The elasticity coefficient method based on the Budyko hydrothermal balance equation was applied to quantify the attributions of climate change and land surface changes. The results show that the annual runoff at Wuhou in Hanjiang River shows a slightly decreasing trend， whereas runoff at Wushan Station shows a significant decreasing trend. Abrupt changes are detected in 1990 and 1993 respectively. Runoff in both watersheds shows high sensitivity to climate change， especially in the source of the Hanjiang River， its runoff shows high sensitivity to the changes of precipitation. The changes in precipitation， potential evapotranspiration and land surface contribute 65.23%， 6.02% and 28.75% respectively to the runoff changes in the source of the Hanjiang River and 24.51%， 26.62% and 48.87% respectively in the source of the Weihe River. Furthermore， the runoff in the source of the Weihe River is highly influenced by human activities comparing to that in the source of Hanjiang River.
Key words： northsouth transition zone; runoff changes; Budyko equation; climate change; human activity; the source of the Hanjiang River; the source of the Weihe River
以秦嶺—大巴山為主體的中國(guó)南北過(guò)渡帶，地跨溫帶和亞熱帶，是中國(guó)南北氣候和地理的天然界線[1]。南北過(guò)渡帶是許多河流的源頭，包括長(zhǎng)江流域的漢江、嘉陵江、岷江、沱江及黃河流域的渭河、伊洛河等[2]。該地區(qū)水資源豐富，其中漢江是陜西省引漢濟(jì)渭和國(guó)家南水北調(diào)中線重要引水工程的優(yōu)質(zhì)水源地[3-4]，跨地區(qū)調(diào)水保障了沿線和受水地區(qū)社會(huì)生產(chǎn)和人民生活基本用水。受氣候變化和人類活動(dòng)的影響，南北過(guò)渡帶地區(qū)的河川徑流量日益減少，導(dǎo)致水資源時(shí)空分布不均，研究南北過(guò)渡帶河川徑流變化及其驅(qū)動(dòng)因素對(duì)緩解區(qū)域水資源供需矛盾、促進(jìn)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
氣候波動(dòng)和人類活動(dòng)是導(dǎo)致河川徑流變化的主要因素[5-6]，有關(guān)學(xué)者在南北過(guò)渡帶地區(qū)開展了相關(guān)的研究，如柯新月等[7]采用徑流還原法分析灞河和洵河流域1956—2011年的實(shí)測(cè)徑流量，發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)是導(dǎo)致兩流域徑流減少的主要原因，貢獻(xiàn)率超過(guò)了75%;李凌程等[8]定量評(píng)估了南水北調(diào)中線工程漢江上游流域徑流變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，發(fā)現(xiàn)該流域1991—1999年徑流減少主要是受氣候因素驅(qū)動(dòng)，而2000—2008年人類活動(dòng)影響逐步增強(qiáng)且占主導(dǎo)地位。大量研究基于經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法[9-12]和水文模型法[13-15]，分析了不同流域徑流變化特征與驅(qū)動(dòng)因素，但針對(duì)南北過(guò)渡帶不同流域河川徑流變化的對(duì)比研究相對(duì)較少。筆者選擇南北過(guò)渡帶的漢江源頭武侯水文站以上流域和渭河源頭武山水文站以上流域?yàn)檠芯繀^(qū)，采用多種統(tǒng)計(jì)方法辨析實(shí)測(cè)徑流量變化趨勢(shì)及突變特征，基于Budyko水熱平衡方程識(shí)別氣候因子對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率，辨識(shí)南北過(guò)渡帶典型流域徑流變化主要原因，以期為區(qū)域水資源可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。
1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)獲取
1.1 研究區(qū)概況
漢江源流域位于漢江上游干流武侯水文站以上（東經(jīng)106°00′—106°50′，北緯32°30′—33°40′），流域呈帶狀，面積為3 092 km2，多年（1975—2015年）平均徑流量為10.45億m3。漢江發(fā)源于陜西省寧強(qiáng)縣秦嶺南麓，漢江源流域水系（見圖1（b））主要由干流玉帶河和支流沮水河組成。玉帶河全長(zhǎng)101.1 km，河道平均比降為8.2%，流域面積為831 km2，占流域總面積的26.88%;沮水河長(zhǎng)130 km，第二支流較多，流域面積為1 747 km2，占流域總面積的56.50%。整個(gè)流域?qū)俦眮啛釒瘻貪駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，降水均勻且豐沛，多年平均降水量為853.16 mm，多年平均氣溫為12.7 ℃，多年平均日照時(shí)數(shù)為1 585.5 h。
渭河源流域位于黃河中游渭河干流武山水文站以上（東經(jīng)104°00′—105°00′ ，北緯34°20′—35°30′），流域呈葉片狀，總面積為8 080 km2，多年（1975—2015年）平均徑流量為4.80億m3。渭河發(fā)源于甘肅省渭源縣鳥鼠山，渭河源流域水系（見圖1（c））主要由左岸秦祁河、咸河和右岸榜沙河3大支流組成。秦祁河和咸河全長(zhǎng)分別為67.5、69.0 km，平均比降分別為6.0%、5.3%，流域面積分別為858、1 159 km2，左岸水少質(zhì)差，洪水含沙量大。榜沙河流經(jīng)秦嶺北麓山地，河道總長(zhǎng)102.6 km，支流頗多，流域面積為3 597 km2，年徑流量為4.39億m3，右岸徑流來(lái)源以降水為主，植被較好，水量大，含沙量小。整個(gè)流域地處秦嶺北麓西段黃土高原邊緣復(fù)合地帶，受大陸性季風(fēng)氣候影響，光熱資源豐富，降水極不均勻，多年平均降水量為468.52 mm，多年平均氣溫為5.8 ℃，多年平均日照時(shí)數(shù)為2 348.4 h。
1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理
根據(jù)漢江源區(qū)和渭河源區(qū)水文站的分布特點(diǎn)，并考慮數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性和連續(xù)性，選取武侯水文站和武山水文站及其周邊8個(gè)具有代表性的氣象站（略陽(yáng)、勉縣、留壩、寧強(qiáng)和渭源、漳縣、隴西、武山），如圖1所示。武侯站設(shè)立在陜西省漢中市勉縣武侯鎮(zhèn)，武山站于1974年7月1日由原車家川站下遷至甘肅省天水市武山縣。收集整理兩個(gè)水文站1975—2015年徑流數(shù)據(jù)，研究南北過(guò)渡帶局部地區(qū)1975—2015年徑流演變特征，并選取各氣象站同時(shí)間序列的逐日氣侯數(shù)據(jù)（包括降水、最高和最低以及平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度），采用算術(shù)平均法計(jì)算流域平均降水量，采用被廣泛應(yīng)用的FAO修正PenmanMonteith公式[16]計(jì)算流域年潛在蒸散發(fā)量。水文數(shù)據(jù)來(lái)源于《長(zhǎng)江水文年鑒》《黃河水文年鑒》和《黃河泥沙公報(bào)》，氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn）。
2 方 法
2.1 趨勢(shì)及突變分析
采用線性趨勢(shì)回歸法[17]和累積距平法分析年徑流、降水和潛在蒸散發(fā)序列的變化趨勢(shì)。線性回歸法較為簡(jiǎn)單，在此不作贅述。累積距平法可由曲線直觀反映序列的變化趨勢(shì)，結(jié)合實(shí)測(cè)值，檢驗(yàn)序列的演變趨勢(shì)及突變點(diǎn)[18-19]。
2.2 徑流變化影響因子敏感性分析
基于Budyko水熱平衡方程探究徑流變化的主要原因已成為研究熱點(diǎn)，其中，彈性系數(shù)法最具代表性，與數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法相比，其物理意義更明顯，所用數(shù)據(jù)更易獲取[20-21]。
2.3 降水量、潛在蒸散發(fā)量、下墊面變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)
根據(jù)突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)年份將研究序列劃分為兩個(gè)時(shí)段，徑流變化（dR）為后一時(shí)段的多年平均徑流深R-2減去前一時(shí)段的多年平均徑流深R-1。
3 結(jié)果與分析
3.1 南北過(guò)渡帶典型流域水文情勢(shì)變化分析
采用線性趨勢(shì)回歸法分析武侯站和武山站1975—2015年年徑流量變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖2所示。武侯站年徑流量呈微弱減少趨勢(shì)，年均減少0.070億m3;而武山站年徑流量減少趨勢(shì)極顯著（α<0.01）（見表1），年均減少0.128億m3。武侯站的年徑流量出現(xiàn)多個(gè)峰值，振蕩幅度較大，較為離散，極值差異顯著，變異系數(shù)CV=0.57，多年平均徑流量為10.45億m3。武山站的年徑流量減少平緩，數(shù)據(jù)離散程度不大，無(wú)明顯峰值，極值差異不大，變異系數(shù)CV=0.49，多年平均徑流量為4.80億m3，約為武侯站的1/2。總體上，兩站1975—1992年年徑流量的振蕩幅度均高于1993—2015年的。
進(jìn)一步判斷漢江源區(qū)和渭河源區(qū)氣象時(shí)間序列的趨勢(shì)顯著性，結(jié)果見表2。漢江源區(qū)的年降水量、年潛在蒸散發(fā)量序列趨勢(shì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值為-0.54和-0.29，渭河源區(qū)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值為-0.75和4.13。這表明漢江源區(qū)年降水量、年潛在蒸散發(fā)量序列呈不顯著減少趨勢(shì)，渭河源區(qū)年降水量序列呈不顯著減少趨勢(shì)，而年潛在蒸散發(fā)量序列呈極顯著增加趨勢(shì)。
綜合分析過(guò)渡帶南北氣象水文要素趨勢(shì)變化規(guī)律，其中降水量和潛在蒸散發(fā)量分別有增加和減少趨勢(shì)，而徑流量均呈減少趨勢(shì)，這意味著氣候變化不是兩流域徑流量減少的唯一影響因素，人類活動(dòng)造成的下墊面改變也可能是秦嶺南北麓徑流量減少的重要原因，需要進(jìn)一步深入辨析各因子對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)。
3.2 南北過(guò)渡帶典型流域徑流突變及其與降水關(guān)系分析
采用累積距平曲線分析兩個(gè)流域的年徑流量階段變化特征，結(jié)果如圖3所示，秦嶺南麓漢江源區(qū)的徑流量、降水量累積距平曲線均在1990年發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)折，而北麓渭河源區(qū)的兩曲線明顯轉(zhuǎn)折分別發(fā)生在1993年和1992年。將1990年、1993年對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)作為兩流域徑流量變化的突變點(diǎn)，據(jù)此劃分徑流量變化的基準(zhǔn)期（人類活動(dòng)影響較弱時(shí)段）和變化期（人類活動(dòng)影響劇烈時(shí)段）。漢江源區(qū)基準(zhǔn)期（1975—1990年）的年均徑流量為13.10億m3，變化期（1991—2015年）為8.75億m3，變化期比基準(zhǔn)期減少了33.21%;渭河源區(qū)變化期（1994—2015年）年均徑流量為3.16億m3，較基準(zhǔn)期（1975—1993年）的6.70億m3減少了52.83%。過(guò)渡帶南北徑流突變時(shí)間基本一致，與馬新萍等[31]、劉登偉等[32]研究結(jié)果相同。漢江源區(qū)徑流減少量較渭河源區(qū)大，但渭河源區(qū)徑流相對(duì)減少量大于漢江源區(qū)。
徑流突變前，漢江源區(qū)的徑流量和降水量累積距平曲線較為貼合，突變后兩者更為貼合，而渭河源區(qū)則相反，說(shuō)明突變以后，漢江源區(qū)徑流—降水關(guān)系未發(fā)生顯著變化，且受降水影響較突變前更甚，渭河源區(qū)的徑流—降水相關(guān)性明顯下降。1975—2015年漢江源區(qū)的徑流量和降水量累積距平變化具有較好的同步性和一致性，總體呈W形上下波動(dòng);而渭河源區(qū)的徑流量與降水量累積距平曲線變化趨勢(shì)總體一致，呈鐘形分布。這表明漢江源區(qū)的徑流—降水相關(guān)性較高，其徑流很大程度上受降水影響，但渭河源區(qū)的徑流除受降水變化影響外，其他影響因素同樣不可忽視。
3.3 南北過(guò)渡帶典型流域徑流變化歸因分析
3.3.1 對(duì)氣候因子和下墊面變化的敏感性分析
漢江源區(qū)和渭河源區(qū)各時(shí)期的氣候因子P、PET和下墊面特征參數(shù)ω及其彈性系數(shù)見表3。與基準(zhǔn)期相比，兩個(gè)源區(qū)變化期的P和R均減小，PET和ω均增大，且渭河源區(qū)更加明顯;兩個(gè)源區(qū)的干旱指數(shù)PET/P均增大，徑流系數(shù)R/P均減小，R與P呈正相關(guān)，但與PET、ω呈負(fù)相關(guān);漢江源區(qū)和渭河源區(qū)的干旱指數(shù)均值分別為0.83和1.72，渭河源區(qū)干旱指數(shù)>1>漢江源區(qū)干旱指數(shù)，表明漢江源區(qū)的氣候相對(duì)濕潤(rùn)，渭河源區(qū)氣候相對(duì)干旱。
漢江源區(qū)徑流對(duì)P、PET和ω的彈性系數(shù)大小關(guān)系為|εP|>|εPET|>|εω|，其范圍分別為1.87～2.16、-1.16～-0.87和-0.74～-0.61，即P、PET或ω每增加1%將分別導(dǎo)致1.87%～2.16%的徑流增加，0.87%～1.16%或0.61%～0.74%的徑流減少。渭河源區(qū)三者大小關(guān)系為|εP|>|εω|>|εPET|，其范圍分別為2.60～3.18、-2.35～-1.63和-2.18～-1.60，即P、ω或PET每增加1%將分別導(dǎo)致2.60%～3.18%的徑流增加，1.63%～2.35%或1.60%～2.18%的徑流減少。另外，漢江源區(qū)|εP|與|εPET|的和小于渭河源區(qū)，這表明兩流域均對(duì)P的變化最為敏感，且渭河源區(qū)徑流對(duì)氣候變化的敏感性高于漢江源區(qū)。
表3同時(shí)反映了各時(shí)期徑流對(duì)氣候因子和下墊面敏感性的變化。變化期漢江源區(qū)的|εP|、|εPET|較基準(zhǔn)期的增量均大于|εω|的增量，而渭河源區(qū)|εω|的增量大于|εP|、|εPET|的，表明南北過(guò)渡帶兩典型流域徑流對(duì)P、PET和ω的變化的敏感性正在發(fā)生變化，其中漢江源區(qū)徑流對(duì)氣候變化的敏感性在不斷增強(qiáng)，對(duì)下墊面變化的敏感性逐漸減弱，而渭河源區(qū)徑流對(duì)各因子的敏感性均逐漸增強(qiáng)，尤其是對(duì)下墊面變化的敏感性。
3.3.2 徑流變化的歸因識(shí)別
兩流域P、PET和ω對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)見表4。與基準(zhǔn)期相比，在變化期，南北過(guò)渡帶兩個(gè)典型流域的P和R均減小，ω和PET均增大。圖4（d）表明漢江源區(qū)降水量對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率達(dá)到了65.23%，人類活動(dòng)引起的下墊面特征變化的貢獻(xiàn)率次之，為28.75%，潛在蒸散發(fā)量的貢獻(xiàn)率僅占6.02%;在渭河源區(qū)，人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率最大，為48.87%，由P和PET引起的氣候變化貢獻(xiàn)率約占1/2，這與左德鵬等[33]研究結(jié)果相同，且PET的貢獻(xiàn)略大于P。
以上研究表明，漢江源區(qū)降水是造成徑流變化的主導(dǎo)因子，且貢獻(xiàn)率為65.23%，而渭河源區(qū)徑流變化與人類活動(dòng)密切相關(guān)，下墊面變化對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)率接近50%。由此可知，南北過(guò)渡帶典型流域間徑流變化差異主導(dǎo)因子不同，對(duì)徑流減少貢獻(xiàn)也不同。
4 討 論
對(duì)比南北過(guò)渡帶秦嶺南北麓河川徑流變化發(fā)現(xiàn)，渭河源區(qū)徑流量減少顯著，而漢江源區(qū)徑流量未發(fā)生明顯減少。兩個(gè)流域的徑流量在20世紀(jì)90年代初發(fā)生突變，該時(shí)期處于枯水期，其主要原因是北半球大尺度的氣候波動(dòng)[31]。
對(duì)比而言，漢江源區(qū)的徑流量遠(yuǎn)大于渭河源區(qū)，但渭河源區(qū)徑流量減少趨勢(shì)顯著性高于漢江源區(qū)。一方面降水是徑流的主要來(lái)源，過(guò)渡帶秦嶺南麓的降水量明顯高于北麓，潛在蒸散發(fā)量南麓低于北麓;另一方面漢江源區(qū)多山地陡坡，土層淺薄，徑流可快速匯集至出水口，茂密的植被有效減少了蒸散發(fā)消耗，而位于黃土高原邊緣的渭河源區(qū)地形平緩開闊，尤其是渭河左岸地區(qū)，其土壤質(zhì)地疏松多孔不易蓄水，導(dǎo)致徑流匯集緩慢，且被深厚的黃土覆蓋，徑流匯集過(guò)程中下滲和蒸散發(fā)消耗較多。兩個(gè)源區(qū)氣候變化亦不同，漢江源區(qū)氣候因子變化趨勢(shì)不顯著，渭河源區(qū)潛在蒸散發(fā)量呈極顯著增大，降水呈不顯著減少且年潛在蒸散發(fā)量遠(yuǎn)大于該區(qū)年降水量，其徑流變化受蒸發(fā)能力直接影響[33]。
河川徑流量的減少不僅受氣候波動(dòng)影響，還與人類活動(dòng)引起的下墊面變化關(guān)系密切。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1985—2008年漢江源區(qū)森林覆蓋率提高了22.5%。退耕還林全面實(shí)施后，漢江源區(qū)2000—2012年的土地利用變化較整個(gè)漢江流域相對(duì)緩慢，其間林地面積增加約3%，草地、水域及其他用地變化很小。此外，漢江源區(qū)無(wú)大型水利工程，少量中、小型水利工程對(duì)該流域水文的影響并不顯著。渭河流域?qū)嵤┝舜竺娣e的坡改梯、退耕還林還草等水土保持措施，使得下墊面環(huán)境發(fā)生顯著變化。這些措施一方面攔蓄地表徑流，增加了降水的入滲和蒸發(fā)，另一方面隨著林地面積增加，林冠層和地被物對(duì)雨水的截持量明顯增加，使得徑流減少[34]。截至2009年底，武山縣總計(jì)退耕還林35 933 hm2。除受水土保持措施和退耕還林還草工程的影響，農(nóng)業(yè)灌溉引蓄水等水利水保工程（淤地壩、水庫(kù)、水窖）對(duì)徑流的減少起到很大的作用[11]。1996年起陜甘地區(qū)實(shí)施“集雨窖灌”工程，每年集蓄雨水約600萬(wàn)m3，對(duì)比漢江源區(qū)，渭河源區(qū)土地利用覆被變化、農(nóng)業(yè)灌溉、水土保持與水利工程實(shí)施及快速城市化對(duì)河川徑流變化的影響更為劇烈，是該區(qū)徑流減少的主要因素。
5 結(jié) 論
以南北過(guò)渡帶秦嶺南麓漢江源區(qū)和北麓渭河源區(qū)為研究區(qū)，采用線性趨勢(shì)回歸和累積距平等方法分析其徑流變化特征，運(yùn)用彈性系數(shù)法量化氣候和人類活動(dòng)對(duì)南北過(guò)渡帶秦嶺南、北麓徑流變化的貢獻(xiàn)，主要結(jié)論如下。
（1）南北過(guò)渡帶的漢江源區(qū)和渭河源區(qū)1975—2015年徑流量均呈減少趨勢(shì)，且渭河源區(qū)減少趨勢(shì)更加顯著。漢江源區(qū)年徑流量減少速率為0.070億m3/a，渭河源區(qū)為0.128億m3/a;受氣候干濕交替影響，兩流域年徑流量分別在1990年和1993年發(fā)生突變，突變后年均徑流量分別減少了4.35億m3和3.54億m3。
（2）過(guò)渡帶南北氣候差異明顯，渭河源區(qū)干旱指數(shù)>1>漢江源區(qū)干旱指數(shù)。采用彈性系數(shù)法計(jì)算發(fā)現(xiàn)兩流域?qū)邓兓顬槊舾校己釉磪^(qū)徑流對(duì)氣候變化的敏感性高于漢江源區(qū)。漢江源區(qū)徑流對(duì)氣候和下墊面變化的敏感性分別呈不顯著增強(qiáng)和減弱趨勢(shì)，而渭河源區(qū)對(duì)兩者的敏感性均呈顯著增強(qiáng)趨勢(shì)，尤其是下墊面變化。
（3）漢江源區(qū)降水、潛在蒸散發(fā)、下墊面特征對(duì)徑流變化貢獻(xiàn)率分別為65.23%、6.02%、28.75%，而渭河源區(qū)三者的貢獻(xiàn)率分別為24.51%、26.62%、48.87%。由此可見，漢江源區(qū)徑流受氣候變化影響更為顯著，而渭河源區(qū)人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率接近50%，原因一方面是大規(guī)模的水土保持措施顯著減少了地表徑流，另一方面是農(nóng)業(yè)灌溉、雨水集蓄等貢獻(xiàn)較大。
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【責(zé)任編輯 張 帥】
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師潤(rùn) 田鵬 趙廣舉
摘 要：為探明中國(guó)南北過(guò)渡帶不同河川徑流變化的差異，采用線性趨勢(shì)回歸法與累積距平法對(duì)比分析了1975—2015年南北過(guò)渡帶秦嶺南麓漢江源武侯站與北麓渭河源武山站的徑流變化特征，采用基于Budyko水熱平衡方程的彈性系數(shù)法開展徑流變化的歸因識(shí)別。研究發(fā)現(xiàn)：漢江源區(qū)徑流呈微弱減少趨勢(shì)，渭河源區(qū)徑流呈極顯著減少趨勢(shì)，分別于1990年和1993年發(fā)生突變;兩流域年徑流量均對(duì)氣候變化較為敏感，特別是漢江源區(qū)，其徑流對(duì)降水變化表現(xiàn)出較高的敏感性;降水、潛在蒸散發(fā)和下墊面變化對(duì)漢江源徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為65.23%、6.02%和28.75%，對(duì)渭河源徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為24.51%、26.62%和48.87%。研究結(jié)果表明渭河源區(qū)徑流對(duì)人類活動(dòng)影響更加敏感。
關(guān)鍵詞：南北過(guò)渡帶;徑流變化;Budyko水熱平衡方程;氣候變化;人類活動(dòng);漢江源區(qū);渭河源區(qū)
中圖分類號(hào)：P333;TV121 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.006
Abstract：This study attempted to identify the differences in runoff changes of two rivers in the south and north of Chinas north-south transitional zone. The linear regression test and the cumulative anomaly method were applied to detect temporal variations in runoff at Wuhou and Wushan stations in the sources of Hanjiang River and Weihe River from 1975 to 2015. The elasticity coefficient method based on the Budyko hydrothermal balance equation was applied to quantify the attributions of climate change and land surface changes. The results show that the annual runoff at Wuhou in Hanjiang River shows a slightly decreasing trend， whereas runoff at Wushan Station shows a significant decreasing trend. Abrupt changes are detected in 1990 and 1993 respectively. Runoff in both watersheds shows high sensitivity to climate change， especially in the source of the Hanjiang River， its runoff shows high sensitivity to the changes of precipitation. The changes in precipitation， potential evapotranspiration and land surface contribute 65.23%， 6.02% and 28.75% respectively to the runoff changes in the source of the Hanjiang River and 24.51%， 26.62% and 48.87% respectively in the source of the Weihe River. Furthermore， the runoff in the source of the Weihe River is highly influenced by human activities comparing to that in the source of Hanjiang River.
Key words： northsouth transition zone; runoff changes; Budyko equation; climate change; human activity; the source of the Hanjiang River; the source of the Weihe River
以秦嶺—大巴山為主體的中國(guó)南北過(guò)渡帶，地跨溫帶和亞熱帶，是中國(guó)南北氣候和地理的天然界線[1]。南北過(guò)渡帶是許多河流的源頭，包括長(zhǎng)江流域的漢江、嘉陵江、岷江、沱江及黃河流域的渭河、伊洛河等[2]。該地區(qū)水資源豐富，其中漢江是陜西省引漢濟(jì)渭和國(guó)家南水北調(diào)中線重要引水工程的優(yōu)質(zhì)水源地[3-4]，跨地區(qū)調(diào)水保障了沿線和受水地區(qū)社會(huì)生產(chǎn)和人民生活基本用水。受氣候變化和人類活動(dòng)的影響，南北過(guò)渡帶地區(qū)的河川徑流量日益減少，導(dǎo)致水資源時(shí)空分布不均，研究南北過(guò)渡帶河川徑流變化及其驅(qū)動(dòng)因素對(duì)緩解區(qū)域水資源供需矛盾、促進(jìn)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
氣候波動(dòng)和人類活動(dòng)是導(dǎo)致河川徑流變化的主要因素[5-6]，有關(guān)學(xué)者在南北過(guò)渡帶地區(qū)開展了相關(guān)的研究，如柯新月等[7]采用徑流還原法分析灞河和洵河流域1956—2011年的實(shí)測(cè)徑流量，發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)是導(dǎo)致兩流域徑流減少的主要原因，貢獻(xiàn)率超過(guò)了75%;李凌程等[8]定量評(píng)估了南水北調(diào)中線工程漢江上游流域徑流變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，發(fā)現(xiàn)該流域1991—1999年徑流減少主要是受氣候因素驅(qū)動(dòng)，而2000—2008年人類活動(dòng)影響逐步增強(qiáng)且占主導(dǎo)地位。大量研究基于經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法[9-12]和水文模型法[13-15]，分析了不同流域徑流變化特征與驅(qū)動(dòng)因素，但針對(duì)南北過(guò)渡帶不同流域河川徑流變化的對(duì)比研究相對(duì)較少。筆者選擇南北過(guò)渡帶的漢江源頭武侯水文站以上流域和渭河源頭武山水文站以上流域?yàn)檠芯繀^(qū)，采用多種統(tǒng)計(jì)方法辨析實(shí)測(cè)徑流量變化趨勢(shì)及突變特征，基于Budyko水熱平衡方程識(shí)別氣候因子對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率，辨識(shí)南北過(guò)渡帶典型流域徑流變化主要原因，以期為區(qū)域水資源可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。
1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)獲取
1.1 研究區(qū)概況
漢江源流域位于漢江上游干流武侯水文站以上（東經(jīng)106°00′—106°50′，北緯32°30′—33°40′），流域呈帶狀，面積為3 092 km2，多年（1975—2015年）平均徑流量為10.45億m3。漢江發(fā)源于陜西省寧強(qiáng)縣秦嶺南麓，漢江源流域水系（見圖1（b））主要由干流玉帶河和支流沮水河組成。玉帶河全長(zhǎng)101.1 km，河道平均比降為8.2%，流域面積為831 km2，占流域總面積的26.88%;沮水河長(zhǎng)130 km，第二支流較多，流域面積為1 747 km2，占流域總面積的56.50%。整個(gè)流域?qū)俦眮啛釒瘻貪駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，降水均勻且豐沛，多年平均降水量為853.16 mm，多年平均氣溫為12.7 ℃，多年平均日照時(shí)數(shù)為1 585.5 h。
渭河源流域位于黃河中游渭河干流武山水文站以上（東經(jīng)104°00′—105°00′ ，北緯34°20′—35°30′），流域呈葉片狀，總面積為8 080 km2，多年（1975—2015年）平均徑流量為4.80億m3。渭河發(fā)源于甘肅省渭源縣鳥鼠山，渭河源流域水系（見圖1（c））主要由左岸秦祁河、咸河和右岸榜沙河3大支流組成。秦祁河和咸河全長(zhǎng)分別為67.5、69.0 km，平均比降分別為6.0%、5.3%，流域面積分別為858、1 159 km2，左岸水少質(zhì)差，洪水含沙量大。榜沙河流經(jīng)秦嶺北麓山地，河道總長(zhǎng)102.6 km，支流頗多，流域面積為3 597 km2，年徑流量為4.39億m3，右岸徑流來(lái)源以降水為主，植被較好，水量大，含沙量小。整個(gè)流域地處秦嶺北麓西段黃土高原邊緣復(fù)合地帶，受大陸性季風(fēng)氣候影響，光熱資源豐富，降水極不均勻，多年平均降水量為468.52 mm，多年平均氣溫為5.8 ℃，多年平均日照時(shí)數(shù)為2 348.4 h。
1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理
根據(jù)漢江源區(qū)和渭河源區(qū)水文站的分布特點(diǎn)，并考慮數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性和連續(xù)性，選取武侯水文站和武山水文站及其周邊8個(gè)具有代表性的氣象站（略陽(yáng)、勉縣、留壩、寧強(qiáng)和渭源、漳縣、隴西、武山），如圖1所示。武侯站設(shè)立在陜西省漢中市勉縣武侯鎮(zhèn)，武山站于1974年7月1日由原車家川站下遷至甘肅省天水市武山縣。收集整理兩個(gè)水文站1975—2015年徑流數(shù)據(jù)，研究南北過(guò)渡帶局部地區(qū)1975—2015年徑流演變特征，并選取各氣象站同時(shí)間序列的逐日氣侯數(shù)據(jù)（包括降水、最高和最低以及平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度），采用算術(shù)平均法計(jì)算流域平均降水量，采用被廣泛應(yīng)用的FAO修正PenmanMonteith公式[16]計(jì)算流域年潛在蒸散發(fā)量。水文數(shù)據(jù)來(lái)源于《長(zhǎng)江水文年鑒》《黃河水文年鑒》和《黃河泥沙公報(bào)》，氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn）。
2 方 法
2.1 趨勢(shì)及突變分析
采用線性趨勢(shì)回歸法[17]和累積距平法分析年徑流、降水和潛在蒸散發(fā)序列的變化趨勢(shì)。線性回歸法較為簡(jiǎn)單，在此不作贅述。累積距平法可由曲線直觀反映序列的變化趨勢(shì)，結(jié)合實(shí)測(cè)值，檢驗(yàn)序列的演變趨勢(shì)及突變點(diǎn)[18-19]。
2.2 徑流變化影響因子敏感性分析
基于Budyko水熱平衡方程探究徑流變化的主要原因已成為研究熱點(diǎn)，其中，彈性系數(shù)法最具代表性，與數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法相比，其物理意義更明顯，所用數(shù)據(jù)更易獲取[20-21]。
2.3 降水量、潛在蒸散發(fā)量、下墊面變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)
根據(jù)突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)年份將研究序列劃分為兩個(gè)時(shí)段，徑流變化（dR）為后一時(shí)段的多年平均徑流深R-2減去前一時(shí)段的多年平均徑流深R-1。
3 結(jié)果與分析
3.1 南北過(guò)渡帶典型流域水文情勢(shì)變化分析
采用線性趨勢(shì)回歸法分析武侯站和武山站1975—2015年年徑流量變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖2所示。武侯站年徑流量呈微弱減少趨勢(shì)，年均減少0.070億m3;而武山站年徑流量減少趨勢(shì)極顯著（α<0.01）（見表1），年均減少0.128億m3。武侯站的年徑流量出現(xiàn)多個(gè)峰值，振蕩幅度較大，較為離散，極值差異顯著，變異系數(shù)CV=0.57，多年平均徑流量為10.45億m3。武山站的年徑流量減少平緩，數(shù)據(jù)離散程度不大，無(wú)明顯峰值，極值差異不大，變異系數(shù)CV=0.49，多年平均徑流量為4.80億m3，約為武侯站的1/2。總體上，兩站1975—1992年年徑流量的振蕩幅度均高于1993—2015年的。
進(jìn)一步判斷漢江源區(qū)和渭河源區(qū)氣象時(shí)間序列的趨勢(shì)顯著性，結(jié)果見表2。漢江源區(qū)的年降水量、年潛在蒸散發(fā)量序列趨勢(shì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值為-0.54和-0.29，渭河源區(qū)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值為-0.75和4.13。這表明漢江源區(qū)年降水量、年潛在蒸散發(fā)量序列呈不顯著減少趨勢(shì)，渭河源區(qū)年降水量序列呈不顯著減少趨勢(shì)，而年潛在蒸散發(fā)量序列呈極顯著增加趨勢(shì)。
綜合分析過(guò)渡帶南北氣象水文要素趨勢(shì)變化規(guī)律，其中降水量和潛在蒸散發(fā)量分別有增加和減少趨勢(shì)，而徑流量均呈減少趨勢(shì)，這意味著氣候變化不是兩流域徑流量減少的唯一影響因素，人類活動(dòng)造成的下墊面改變也可能是秦嶺南北麓徑流量減少的重要原因，需要進(jìn)一步深入辨析各因子對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)。
3.2 南北過(guò)渡帶典型流域徑流突變及其與降水關(guān)系分析
采用累積距平曲線分析兩個(gè)流域的年徑流量階段變化特征，結(jié)果如圖3所示，秦嶺南麓漢江源區(qū)的徑流量、降水量累積距平曲線均在1990年發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)折，而北麓渭河源區(qū)的兩曲線明顯轉(zhuǎn)折分別發(fā)生在1993年和1992年。將1990年、1993年對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)作為兩流域徑流量變化的突變點(diǎn)，據(jù)此劃分徑流量變化的基準(zhǔn)期（人類活動(dòng)影響較弱時(shí)段）和變化期（人類活動(dòng)影響劇烈時(shí)段）。漢江源區(qū)基準(zhǔn)期（1975—1990年）的年均徑流量為13.10億m3，變化期（1991—2015年）為8.75億m3，變化期比基準(zhǔn)期減少了33.21%;渭河源區(qū)變化期（1994—2015年）年均徑流量為3.16億m3，較基準(zhǔn)期（1975—1993年）的6.70億m3減少了52.83%。過(guò)渡帶南北徑流突變時(shí)間基本一致，與馬新萍等[31]、劉登偉等[32]研究結(jié)果相同。漢江源區(qū)徑流減少量較渭河源區(qū)大，但渭河源區(qū)徑流相對(duì)減少量大于漢江源區(qū)。
徑流突變前，漢江源區(qū)的徑流量和降水量累積距平曲線較為貼合，突變后兩者更為貼合，而渭河源區(qū)則相反，說(shuō)明突變以后，漢江源區(qū)徑流—降水關(guān)系未發(fā)生顯著變化，且受降水影響較突變前更甚，渭河源區(qū)的徑流—降水相關(guān)性明顯下降。1975—2015年漢江源區(qū)的徑流量和降水量累積距平變化具有較好的同步性和一致性，總體呈W形上下波動(dòng);而渭河源區(qū)的徑流量與降水量累積距平曲線變化趨勢(shì)總體一致，呈鐘形分布。這表明漢江源區(qū)的徑流—降水相關(guān)性較高，其徑流很大程度上受降水影響，但渭河源區(qū)的徑流除受降水變化影響外，其他影響因素同樣不可忽視。
3.3 南北過(guò)渡帶典型流域徑流變化歸因分析
3.3.1 對(duì)氣候因子和下墊面變化的敏感性分析
漢江源區(qū)和渭河源區(qū)各時(shí)期的氣候因子P、PET和下墊面特征參數(shù)ω及其彈性系數(shù)見表3。與基準(zhǔn)期相比，兩個(gè)源區(qū)變化期的P和R均減小，PET和ω均增大，且渭河源區(qū)更加明顯;兩個(gè)源區(qū)的干旱指數(shù)PET/P均增大，徑流系數(shù)R/P均減小，R與P呈正相關(guān)，但與PET、ω呈負(fù)相關(guān);漢江源區(qū)和渭河源區(qū)的干旱指數(shù)均值分別為0.83和1.72，渭河源區(qū)干旱指數(shù)>1>漢江源區(qū)干旱指數(shù)，表明漢江源區(qū)的氣候相對(duì)濕潤(rùn)，渭河源區(qū)氣候相對(duì)干旱。
漢江源區(qū)徑流對(duì)P、PET和ω的彈性系數(shù)大小關(guān)系為|εP|>|εPET|>|εω|，其范圍分別為1.87～2.16、-1.16～-0.87和-0.74～-0.61，即P、PET或ω每增加1%將分別導(dǎo)致1.87%～2.16%的徑流增加，0.87%～1.16%或0.61%～0.74%的徑流減少。渭河源區(qū)三者大小關(guān)系為|εP|>|εω|>|εPET|，其范圍分別為2.60～3.18、-2.35～-1.63和-2.18～-1.60，即P、ω或PET每增加1%將分別導(dǎo)致2.60%～3.18%的徑流增加，1.63%～2.35%或1.60%～2.18%的徑流減少。另外，漢江源區(qū)|εP|與|εPET|的和小于渭河源區(qū)，這表明兩流域均對(duì)P的變化最為敏感，且渭河源區(qū)徑流對(duì)氣候變化的敏感性高于漢江源區(qū)。
表3同時(shí)反映了各時(shí)期徑流對(duì)氣候因子和下墊面敏感性的變化。變化期漢江源區(qū)的|εP|、|εPET|較基準(zhǔn)期的增量均大于|εω|的增量，而渭河源區(qū)|εω|的增量大于|εP|、|εPET|的，表明南北過(guò)渡帶兩典型流域徑流對(duì)P、PET和ω的變化的敏感性正在發(fā)生變化，其中漢江源區(qū)徑流對(duì)氣候變化的敏感性在不斷增強(qiáng)，對(duì)下墊面變化的敏感性逐漸減弱，而渭河源區(qū)徑流對(duì)各因子的敏感性均逐漸增強(qiáng)，尤其是對(duì)下墊面變化的敏感性。
3.3.2 徑流變化的歸因識(shí)別
兩流域P、PET和ω對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)見表4。與基準(zhǔn)期相比，在變化期，南北過(guò)渡帶兩個(gè)典型流域的P和R均減小，ω和PET均增大。圖4（d）表明漢江源區(qū)降水量對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率達(dá)到了65.23%，人類活動(dòng)引起的下墊面特征變化的貢獻(xiàn)率次之，為28.75%，潛在蒸散發(fā)量的貢獻(xiàn)率僅占6.02%;在渭河源區(qū)，人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率最大，為48.87%，由P和PET引起的氣候變化貢獻(xiàn)率約占1/2，這與左德鵬等[33]研究結(jié)果相同，且PET的貢獻(xiàn)略大于P。
以上研究表明，漢江源區(qū)降水是造成徑流變化的主導(dǎo)因子，且貢獻(xiàn)率為65.23%，而渭河源區(qū)徑流變化與人類活動(dòng)密切相關(guān)，下墊面變化對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)率接近50%。由此可知，南北過(guò)渡帶典型流域間徑流變化差異主導(dǎo)因子不同，對(duì)徑流減少貢獻(xiàn)也不同。
4 討 論
對(duì)比南北過(guò)渡帶秦嶺南北麓河川徑流變化發(fā)現(xiàn)，渭河源區(qū)徑流量減少顯著，而漢江源區(qū)徑流量未發(fā)生明顯減少。兩個(gè)流域的徑流量在20世紀(jì)90年代初發(fā)生突變，該時(shí)期處于枯水期，其主要原因是北半球大尺度的氣候波動(dòng)[31]。
對(duì)比而言，漢江源區(qū)的徑流量遠(yuǎn)大于渭河源區(qū)，但渭河源區(qū)徑流量減少趨勢(shì)顯著性高于漢江源區(qū)。一方面降水是徑流的主要來(lái)源，過(guò)渡帶秦嶺南麓的降水量明顯高于北麓，潛在蒸散發(fā)量南麓低于北麓;另一方面漢江源區(qū)多山地陡坡，土層淺薄，徑流可快速匯集至出水口，茂密的植被有效減少了蒸散發(fā)消耗，而位于黃土高原邊緣的渭河源區(qū)地形平緩開闊，尤其是渭河左岸地區(qū)，其土壤質(zhì)地疏松多孔不易蓄水，導(dǎo)致徑流匯集緩慢，且被深厚的黃土覆蓋，徑流匯集過(guò)程中下滲和蒸散發(fā)消耗較多。兩個(gè)源區(qū)氣候變化亦不同，漢江源區(qū)氣候因子變化趨勢(shì)不顯著，渭河源區(qū)潛在蒸散發(fā)量呈極顯著增大，降水呈不顯著減少且年潛在蒸散發(fā)量遠(yuǎn)大于該區(qū)年降水量，其徑流變化受蒸發(fā)能力直接影響[33]。
河川徑流量的減少不僅受氣候波動(dòng)影響，還與人類活動(dòng)引起的下墊面變化關(guān)系密切。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1985—2008年漢江源區(qū)森林覆蓋率提高了22.5%。退耕還林全面實(shí)施后，漢江源區(qū)2000—2012年的土地利用變化較整個(gè)漢江流域相對(duì)緩慢，其間林地面積增加約3%，草地、水域及其他用地變化很小。此外，漢江源區(qū)無(wú)大型水利工程，少量中、小型水利工程對(duì)該流域水文的影響并不顯著。渭河流域?qū)嵤┝舜竺娣e的坡改梯、退耕還林還草等水土保持措施，使得下墊面環(huán)境發(fā)生顯著變化。這些措施一方面攔蓄地表徑流，增加了降水的入滲和蒸發(fā)，另一方面隨著林地面積增加，林冠層和地被物對(duì)雨水的截持量明顯增加，使得徑流減少[34]。截至2009年底，武山縣總計(jì)退耕還林35 933 hm2。除受水土保持措施和退耕還林還草工程的影響，農(nóng)業(yè)灌溉引蓄水等水利水保工程（淤地壩、水庫(kù)、水窖）對(duì)徑流的減少起到很大的作用[11]。1996年起陜甘地區(qū)實(shí)施“集雨窖灌”工程，每年集蓄雨水約600萬(wàn)m3，對(duì)比漢江源區(qū)，渭河源區(qū)土地利用覆被變化、農(nóng)業(yè)灌溉、水土保持與水利工程實(shí)施及快速城市化對(duì)河川徑流變化的影響更為劇烈，是該區(qū)徑流減少的主要因素。
5 結(jié) 論
以南北過(guò)渡帶秦嶺南麓漢江源區(qū)和北麓渭河源區(qū)為研究區(qū)，采用線性趨勢(shì)回歸和累積距平等方法分析其徑流變化特征，運(yùn)用彈性系數(shù)法量化氣候和人類活動(dòng)對(duì)南北過(guò)渡帶秦嶺南、北麓徑流變化的貢獻(xiàn)，主要結(jié)論如下。
（1）南北過(guò)渡帶的漢江源區(qū)和渭河源區(qū)1975—2015年徑流量均呈減少趨勢(shì)，且渭河源區(qū)減少趨勢(shì)更加顯著。漢江源區(qū)年徑流量減少速率為0.070億m3/a，渭河源區(qū)為0.128億m3/a;受氣候干濕交替影響，兩流域年徑流量分別在1990年和1993年發(fā)生突變，突變后年均徑流量分別減少了4.35億m3和3.54億m3。
（2）過(guò)渡帶南北氣候差異明顯，渭河源區(qū)干旱指數(shù)>1>漢江源區(qū)干旱指數(shù)。采用彈性系數(shù)法計(jì)算發(fā)現(xiàn)兩流域?qū)邓兓顬槊舾校己釉磪^(qū)徑流對(duì)氣候變化的敏感性高于漢江源區(qū)。漢江源區(qū)徑流對(duì)氣候和下墊面變化的敏感性分別呈不顯著增強(qiáng)和減弱趨勢(shì)，而渭河源區(qū)對(duì)兩者的敏感性均呈顯著增強(qiáng)趨勢(shì)，尤其是下墊面變化。
（3）漢江源區(qū)降水、潛在蒸散發(fā)、下墊面特征對(duì)徑流變化貢獻(xiàn)率分別為65.23%、6.02%、28.75%，而渭河源區(qū)三者的貢獻(xiàn)率分別為24.51%、26.62%、48.87%。由此可見，漢江源區(qū)徑流受氣候變化影響更為顯著，而渭河源區(qū)人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率接近50%，原因一方面是大規(guī)模的水土保持措施顯著減少了地表徑流，另一方面是農(nóng)業(yè)灌溉、雨水集蓄等貢獻(xiàn)較大。
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【責(zé)任編輯 張 帥】
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