1956-2016年拉薩河徑流量變化及影響因素分析

蔡俐辰，李志威,2，游宇馳，黃 草,2

(1.長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114)

1 研究背景

全球氣候變暖和人類活動的共同作用對流域水資源系統(tǒng)產(chǎn)生了劇烈影響[1]。降水量的增大和氣溫的升高引起河流補給量的增減，體現(xiàn)為河流徑流量、輸沙量等水文要素的變化[2-4]；人類活動則通過土地利用類型變化、河道外引水調(diào)水和梯級水庫建設(shè)運行等方式[5-6]對河流水文要素造成影響。近年來，諸多學(xué)者圍繞河流徑流演變規(guī)律及其歸因開展了大量研究[7-8]，如潘扎榮等[9]通過非參數(shù)檢驗法分析淮河流域徑流量的演變規(guī)律，結(jié)果表明流域大部分地區(qū)年徑流量呈減少趨勢，且受人類活動影響，流域內(nèi)徑流突變年份存在一定時空差異；王少麗等[10]運用Mann-Kendall法、雙累積曲線法分析北京市漫水河流域的降水量和下墊面對徑流量貢獻(xiàn)率情況，結(jié)果表明該流域徑流量的突變點為1980年，且2000年后人類活動貢獻(xiàn)率均在50%以上；Wu等[11]采用Yamamoto法和ABCD模型分析拉薩河流域枯季徑流變化情況，結(jié)果表明近60年流域枯季徑流量增加的主要原因為氣候變化，其次是人類活動和耦合作用項。

青藏高原生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜多樣，氣候變暖背景下高原冰川加速消融、流域下墊面變化顯著，同時不斷增加的人類活動也改變著河流水文情勢，使洪水等極端水文事件發(fā)生更加頻繁[12]。拉薩河位于青藏高原南部，是雅魯藏布江中游的主要支流，屬于農(nóng)業(yè)發(fā)展和城鎮(zhèn)化集中的河谷地區(qū)，為拉薩市等城鎮(zhèn)提供了水資源保障[13]。研究表明，拉薩河6-10月徑流與降水顯著相關(guān)，10-次年2月徑流與氣溫相關(guān)性較高[14-15]，冬季氣溫的升高使流域內(nèi)積雪和冰川凍土消融加快，從而增加了河流補給量[16]。另一方面，近30年來拉薩河流域的建筑用地面積增幅為82.65%[17]，嚴(yán)重侵占了流域面積，且拉薩河干流梯級水電站的建設(shè)阻斷了河流連續(xù)性，水電站工程對下泄流量的控制又使河流的多項水文指標(biāo)發(fā)生了改變[18-19]，同時城鎮(zhèn)化發(fā)展使居民生產(chǎn)生活引水量增加。因此，影響拉薩河徑流變化的要素復(fù)雜多元，在降水和氣溫等氣候因素的影響下，其徑流直接受到大量人類活動的干擾，而關(guān)于降水和人類活動對徑流變化定量化影響的研究還較為缺乏。

本文以拉薩河干流的拉薩水文站以上流域為研究對象，采用1956-2016年拉薩河流域的水文與氣象數(shù)據(jù)分析徑流的演變規(guī)律和突變年份，并通過雙累積曲線法進(jìn)一步定量評估降水和人類活動對汛期拉薩河流域徑流的影響。研究結(jié)果可為拉薩河流域水資源的合理開發(fā)利用和水利工程的建設(shè)等提供科學(xué)依據(jù)，為流域生態(tài)保護(hù)管理和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供重要參考。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

拉薩河是雅魯藏布江中游左側(cè)的主要支流，海拔高度3 580～5 500 m，是全世界海拔最高的辮狀河流之一[20]。拉薩河流域范圍在29°20′N ～31°15′ N、90°05′E ～93°20′ E之間，全長568 km，流域面積32 896 km2。拉薩河流域氣候以半干旱、半濕潤氣候為主，太陽輻射強烈，常年氣溫偏低，日溫差大，多年平均降水量在400 ～500 mm范圍內(nèi)，降水主要集中在6-9月，約占全年總降水量的84%。拉薩河流域內(nèi)河流水系分布較發(fā)達(dá)，水資源較豐富，多年平均流量為288 m3/s，年徑流總量為90.8×108m3。拉薩河流域概況圖如圖1所示。

圖1 拉薩河流域位置及水系、氣象水文站分布

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文采用拉薩河干流3個水文站的月平均觀測流量數(shù)據(jù)(旁多站：1956-2003年、2008-2016年，唐加站：1956-2016年，拉薩站：1956-2016年)。由于旁多站與唐加站在同一時期內(nèi)的流量顯著相關(guān)(在0.01置信區(qū)間內(nèi)，顯著性系數(shù)為0.00)，因此旁多站缺測的2004-2007年的月流量數(shù)據(jù)可通過TREND函數(shù)進(jìn)行插值獲得。

氣象資料收集了流域內(nèi)3個氣象站的日實測降水?dāng)?shù)據(jù)(拉薩站：1956-2016年，墨竹工卡站：1978-2016年，當(dāng)雄站：1963-2016年)。因?qū)崪y降水?dāng)?shù)據(jù)部分缺失，當(dāng)缺測數(shù)據(jù)為1 d時，采用前后兩日平均值代替；當(dāng)缺測數(shù)據(jù)大于1 d時采用當(dāng)月平均值補足。其中墨竹工卡氣象站位于唐加水文站的西南方約8 km處，當(dāng)雄氣象站位于旁多水文站的西北方約40 km處，且當(dāng)雄氣象站和旁多水文站均位于拉薩河流域的中上部，因此本文選用墨竹工卡、當(dāng)雄氣象站的降水?dāng)?shù)據(jù)分別代表唐加、旁多水文站的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

2.3 研究方法

2.3.1 Mann-Kendall趨勢分析 Mann-Kendall趨勢分析法是檢測變量序列變化趨勢的常用方法之一，能有效分析溫度、降水和徑流等水文氣象要素的趨勢變化特征[21]。該方法中樣本xi(i=1,2,…,n)為隨機分布的時間序列，其構(gòu)造的統(tǒng)計變量S計算如下式[22]：

(1)

其中：

(2)

將S統(tǒng)計量標(biāo)準(zhǔn)化后得到Z，當(dāng)n>10時，對Z進(jìn)行顯著性檢驗，公式如下：

(3)

式中：方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。

該方法是通過判斷統(tǒng)計量Z的正或負(fù)，來辨別樣本存在的趨勢為增大或減小。對于給定的趨勢檢驗顯著性水平α，若│Z│≥Z(1-α/2)，表明序列數(shù)據(jù)的變化趨勢不顯著；若│Z│≥Zα/2，表明其存在顯著增大或減小趨勢。本文選取置信水平α=0.05，臨界值Zα/2=±1.96。

2.3.2 累積距平與滑動t檢驗 累積距平法與滑動t檢驗法常被用于統(tǒng)計分析水文序列的突變性。徑流樣本序列xi(i=1,2,…,n)在任一時刻t的累積距平的計算公式如下[23]：

(4)

(5)

(6)

(7)

2.3.3 雙累積曲線法 通過雙累積曲線法計算和量化拉薩河流域內(nèi)降水與人類活動對汛期6-9月的徑流量變化的貢獻(xiàn)情況[24]。降水-徑流雙累積曲線法是以同一時期內(nèi)的累積降水量和累積徑流深分別為直角坐標(biāo)系的x軸、y軸，其中基準(zhǔn)期的累積徑流深與累積降水量存在以下線性回歸關(guān)系：

∑R=k∑P+b

(8)

將變化期的累積降水量∑P代入線性方程式(7)，擬合出該關(guān)系式下的變化期累積徑流深∑R，再計算得到模擬徑流深。現(xiàn)設(shè)定Ri′為模擬徑流深(mm)，Ri為實測徑流深(mm)，其中i=1、2，分別表示基準(zhǔn)期、變化期，ΔR為變化期相對于基準(zhǔn)期的實測徑流深的變化量。當(dāng)變化期與基準(zhǔn)期的下墊面條件相似時，徑流受降水或人類活動影響而出現(xiàn)的變化量可由模擬徑流深與實測值的差值計算得到，即人類活動和降水對徑流量的變化量ΔQh和ΔQp可表示為：

ΔQh=R2-R2′

(9)

ΔQp=R2′-R1

(10)

則人類活動和降水對徑流深改變值的相對貢獻(xiàn)率ηQ-h和ηQ-p分別為：

ηQ-h=ΔQh/ΔR×100%

(11)

ηQ-p=1-ηQ-h

(12)

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流量年際與年內(nèi)變化特征

3.1.1 徑流量年際變化特征 根據(jù)1956-2016年拉薩河流域年徑流數(shù)據(jù)，繪制拉薩河干流3個水文站的徑流量年際變化曲線和多年平均值線，如圖2(a)所示。在雙變量相關(guān)性分析的p=0.01置信區(qū)間下，旁多站、唐加站與拉薩站徑流通過顯著性水平檢驗(顯著性系數(shù)為0.00)，說明3個水文站在同一時期內(nèi)的徑流量顯著相關(guān)，因此選取拉薩站為代表，在其徑流量年際變化曲線的基礎(chǔ)上繪制徑流量5 a滑動平均曲線，見圖2(b)。

由圖2(a)可知，1956-2016年旁多、唐加和拉薩水文站的多年平均徑流量分別為62.14×108、76.96×108、90.99×108m3(圖2(a))；拉薩站共有28 a的徑流量大于平均值，即偏豐年約占46%，5 a滑動平均曲線存在豐、枯年份的波動特征，但徑流量在2000年前后呈明顯上升趨勢，達(dá)到極大值后至2016年徑流量呈現(xiàn)波動減少趨勢(圖2(b))。通過Mann-Kendall趨勢檢驗可知，旁多、唐加和拉薩水文站年徑流量的統(tǒng)計量Z分別為0.37、-0.03、0.21；在顯著性水平α=0.05的條件下，旁多站和拉薩站年徑流量均表現(xiàn)為不顯著的增大趨勢，唐加站表現(xiàn)為不顯著的減少趨勢，說明拉薩河年際徑流量變化較為平穩(wěn)。

圖2 1956-2016年拉薩河3個水文站徑流量的年際變化情況

3.1.2 徑流量年內(nèi)變化特征 圖3(a)為拉薩河3個水文站1956-2016年的月平均徑流量箱形圖。由于2007年在拉薩河干流唐加水文站上游約13 km處修建直孔水電站，2015年在旁多水文站上游約3 km處建成旁多水利樞紐，將研究總時段1956-2016年劃分為建庫前的1956-2006年和建庫后的2007-2014、2015-2016年3個時段來對比分析水庫建成前、后月均徑流的變化，拉薩河流域3個水文站在建庫前、后的月平均徑流量情況如圖3(b)、3(c)、3(d)所示。

圖3 1956-2016年拉薩河3個水文站月平均徑流量及建庫前后年內(nèi)徑流量變化情況

分析圖3(a)可知，拉薩河3個水文站徑流量年內(nèi)分布不均且季節(jié)性變化特征一致，汛期6-9月徑流量占全年的75.9%～76.4%，月均值在11.0×108～17.4×108m3之間；非汛期10-次年5月徑流量僅占全年的23.6%～24.1%，月均值在1.8×108～2.7×108m3之間。而且3個水文站在8和9月的最小徑流量值與最大徑流量值的最大差值達(dá)到42.8×108m3，遠(yuǎn)大于其他月份的平均最值差(7.1×108m3)。由圖3(b)、3(c)、3(d)可看出，直孔水庫建成后，唐加站和拉薩站的月平均徑流量在汛期和非汛期均出現(xiàn)小幅減?。慌远嗨畮旖ǔ珊?，3個水文站的汛期月平均徑流量總體減小而非汛期月平均徑流量小幅增大或基本持平，說明這兩座水庫建成后對河段下泄徑流量進(jìn)行了削峰補枯控制。

對1978-2016年拉薩河流域3個水文站汛期的氣溫T、降水量P和徑流量Q進(jìn)行多元回歸分析。在回歸統(tǒng)計區(qū)域中，三者之間建立的回歸模型為Q=58.8-5.05T+0.155P(R2=0.675)；在p=0.01的置信區(qū)間下，降水量與徑流量通過顯著性水平檢驗(顯著性系數(shù)為0.00)，氣溫與徑流量未通過顯著性水平檢驗(顯著性系數(shù)為0.06)。因而拉薩河流域汛期徑流量與降水量顯著相關(guān)，與氣溫的相關(guān)性較低，說明汛期徑流變化主要受降水量的直接影響。

3.2 拉薩河流域汛期徑流量的突變分析

圖4為拉薩河3個水文站的標(biāo)準(zhǔn)化年徑流量序列累積距平曲線，由圖4可看出，3個水文站的累積距平曲線變化趨勢基本相同，因此以拉薩站為例，對其年內(nèi)徑流量按全年、汛期和非汛期3個不同時段進(jìn)行分析，見圖5。由圖5可知，拉薩站的年徑流量與汛期6-9月徑流量的變化趨勢和突變性情況基本一致，且標(biāo)準(zhǔn)化汛期徑流量累積距平曲線在1995-2004年呈明顯上升趨勢，2005-2016年呈明顯下降趨勢。選取累積量極值出現(xiàn)的年份作為初始變點進(jìn)行滑動t檢驗，汛期徑流量累積距平極大值出現(xiàn)在2005年，累積距平極小值出現(xiàn)在1995年，3個水文站的汛期徑流量滑動t檢驗計算結(jié)果見表1。

圖4 拉薩河3個水文站的標(biāo)準(zhǔn)化年徑流量序列累積距平曲線 圖5 拉薩水文站不同分析時段的標(biāo)準(zhǔn)化徑流量序列累積距平曲線

表1 拉薩河3個水文站汛期徑流量的滑動t檢驗

由表1可知，各水文站在1995和2005年均通過顯著性檢驗，表明1995和2005年為拉薩河的汛期徑流量發(fā)生突變的年份。以1995、2005年作為序列分界點，選取1956-1994年為拉薩河汛期徑流量趨勢分析的基準(zhǔn)期，1995-2004年作為變化期Ⅰ，2005-2016年作為變化期Ⅱ。

3.3 降水與人類活動對流域汛期徑流量變化的貢獻(xiàn)率

根據(jù)拉薩河流域3個水文站1956-2016年徑流數(shù)據(jù)，計算出汛期在基準(zhǔn)期、變化期Ⅰ和變化期Ⅱ 3個階段的平均徑流量、平均徑流深和平均降水量，如表2所示?；诮邓蛷搅魃畹臅r間序列數(shù)據(jù)，將1995-2004年(變化期Ⅰ)和2005-2016年(變化期Ⅱ)的累積降水?dāng)?shù)據(jù)代入基準(zhǔn)期的線性關(guān)系式，計算變化期的模擬累積徑流深，繪制旁多、唐加和拉薩水文站的降水-徑流深雙累積曲線圖，見圖6。

表2 1956-2016年不同階段拉薩河3個水文站汛期徑流量和降水量特征值

圖6 1956-2016年不同階段拉薩河3個水文站汛期降水量-徑流深雙累積曲線

由圖6可知，旁多站基準(zhǔn)期的累積徑流深(∑R)與累積降水量(∑P)之間的關(guān)系為∑R=0.7109∑P-0.0169(R2=0.9996)，實測平均徑流深為277.28 mm，模擬徑流深為279.07 mm，則旁多站該階段徑流深的絕對誤差為1.79 mm，相對誤差為0.65%，且唐加和拉薩水文站的雙累積曲線的擬合系數(shù)R2也均大于0.99，表明該方法的線性擬合精確度較高，可以通過降水-徑流雙累積曲線關(guān)系式分離徑流量受降水或人類活動影響而出現(xiàn)的變化量。具體計算結(jié)果見表3。

由表3可知，1995-2004年，拉薩河流域旁多、唐加、拉薩站以上流域段汛期徑流量的改變度受人類活動因子的影響率在37.0%～49.7%之間，2005-2016年，旁多、唐加站以上流域段汛期徑流量的人類活動因子影響率分別增加至71.5%、74.4%。對拉薩站以上流域段，降水與人類活動因子共同影響使徑流深的減少量達(dá)到23.34 mm，變化期Ⅱ模擬徑流深較基準(zhǔn)期實測徑流深增加了20.00 mm，變化期Ⅱ的實測徑流深較模擬徑流深減少了43.33 mm，人類活動因子導(dǎo)致徑流量顯著減少，其影響率占比為185.7%，降水因子影響率為-85.7%。

表3 雙累積曲線法量化降水與人類活動對不同階段拉薩河汛期徑流量變化的影響

由此可得出結(jié)論，1995-2004年拉薩河流域汛期徑流量變化主要受降水因子的影響；2005-2016年人類活動因子成為研究區(qū)汛期徑流量改變的主要影響因素，且越往流域下游，人類活動的影響率越大。這與近十幾年來拉薩河中下游的城鎮(zhèn)迅速發(fā)展，以及旁多至拉薩河段建成的能夠進(jìn)行季調(diào)節(jié)的直孔水庫和能夠進(jìn)行年調(diào)節(jié)的旁多水庫有關(guān)，兩座水庫控制了河段下泄流量，并使得與河流流量相關(guān)的多項水文指標(biāo)參數(shù)均發(fā)生不同程度的改變。

4 結(jié)論與討論

(1)拉薩河干流3個水文站在同一時期內(nèi)的徑流量顯著相關(guān)，均存在年際振蕩特征，其中2000年前后徑流量開始呈明顯上升趨勢，達(dá)到極大值后至2016年徑流呈現(xiàn)波動下降趨勢。1965-2016年旁多和拉薩水文站的年徑流量均為不顯著的增大趨勢，唐加水文站的年徑流量為不顯著的減少趨勢，即拉薩河年際徑流變化較平穩(wěn)，且汛期徑流主要受降水量的直接影響。

(2)結(jié)合累積距平-滑動t檢驗法和降水-徑流雙累積曲線法對拉薩河3個水文站汛期徑流序列進(jìn)行突變性檢驗，判斷1995和2005年均為顯著性突變點，根據(jù)突變點將水文序列劃分為基準(zhǔn)期(1956-1994年)和變化期Ⅰ(1995-2004年)、變化期Ⅱ(2005-2016年)。1995-2004年，3個水文站的降水對拉薩河流域徑流量變化的貢獻(xiàn)率均在50%以上，該階段拉薩河流域主要受降水因子的影響。2005-2016年，人類活動對拉薩河流域徑流量變化的貢獻(xiàn)率均提高至70%以上，成為拉薩河流域徑流量變化的主要影響因素，且越往流域下游人類活動的貢獻(xiàn)率越大，其中梯級水庫建設(shè)運行、農(nóng)業(yè)發(fā)展和生活用水是人類活動影響拉薩河流域徑流量變化的主要表現(xiàn)形式。

(3)在不考慮蒸散發(fā)影響的情況下，定量評估人類活動與降水對徑流量的影響，可為流域水資源的合理開發(fā)利用提供一定科學(xué)依據(jù)。因此，之后的分析重點可放在流域汛期時人類活動因子與氣候因子的耦合關(guān)系上。