基于水熱耦合平衡方程的六沖河上游流域徑流變化歸因分析

龍 達，董前進*，楊榮芳

(1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072；2.貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550005)

隨著社會經濟的發(fā)展，人類活動對流域產匯流及水文循環(huán)過程的干擾加劇，同時全球變暖也對水資源產生了重大影響[1]，因此變化環(huán)境對區(qū)域水資源的影響已成為目前水資源研究的主要方向[2]，而河川徑流是水文水資源的重要組成部分，連接著地球大氣、陸地與海洋圈層系統(tǒng)間的物質能量交流，在區(qū)域水文水資源循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，河川徑流變化反映了流域水文循環(huán)對氣候、下墊面狀況等環(huán)境條件變化的響應[3]，定量分析徑流變化歸因不僅是支撐水資源管理的重要基礎工作，也是目前國際水文研究中的重要科學問題[4]。

目前許多科學家對徑流歸因辨識進行了研究，劉綠柳等[5]基于SWAT模型對伊洛河徑流變化進行人類活動和氣候變化的貢獻率分析，魏曉婷等[6]采用累積量斜率變化率比較法進行涇河流域徑流變化貢獻率分解。在Budyko假設提出后，許多科學家基于該假設進行歸因分析，如Abera等[7]使用Budyko假設和遙感數據來評估氣候和地表變化對埃塞俄比亞水資源供應的空間影響，Li等[8]基于Budyko假設研究土地利用/覆被變化(LUCC)和氣候變化對黃河流域的徑流變化的貢獻度，Choudhury[9]基于Budyko假設提出了水熱耦合平衡方程，得到了廣泛的應用，Xu等[10]運用水熱耦合平衡方程對海河流域近50年徑流變化進行歸因分析，Shen等[11]運用該方程對中國224個流域進行了歸因分析。由于水量耦合平衡方程輸入變量和參數相對較少，且只需利用數據中簡單的線性關系便可分析計算，因此本文將利用水熱耦合平衡方程對六沖河上游流域徑流變化進行歸因分析，從而有助于認識區(qū)域水文過程變化規(guī)律，服務區(qū)域水資源精準管理。

1 研究區(qū)概況

貴州烏江地處中國西南喀斯特腹地，是貴州八大流域中巖溶發(fā)育最典型、最復雜、面積最大的山區(qū)流域[12]，六沖河是烏江最大的一級支流。六沖河流域地處貴州省西北部畢節(jié)市及云南省鎮(zhèn)雄縣西南部境內，集水面積約10 820 km2，干流全長273.4 km，天然落差1 243 m，河床平均坡降4.6%。受地貌及水文地質條件的制約，河流迂回曲折，河谷深切，河面狹窄，落差較大[13]。

六沖河流域屬于北亞熱帶溫涼濕潤季風氣候，水熱資源適中。年平均降水量848.6～1 394.4 mm，月際變化大，70%左右的降水量集中在5—9月，年蒸發(fā)量1 050.0～1 200.0 mm，相對濕度78%～88%。每年5月初至10月底為六沖河汛期，最大洪峰主要集中在6—7月，其次為5、8、9月。受晚近構造運動影響，流域內形成山盆期、大婁山期和烏江期等多級巖溶臺面。地貌類型包括峰叢洼地、峰叢溝谷、峰叢谷地和溶丘洼地等巖溶地貌和構造中山、深切溝谷等構造侵蝕地貌[14]。

2 研究方法

根據貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司提供的數據，六沖河流域七星關水文站日流量年限為1971—2009年且1994—1997年數據缺失，為了填補缺失數據，采用瓜仲河水文站1988—2009年月數據與七星關站對應年份月數據進行線性相關插補，進而得到七星關站1994—1997年月數據，因此本文最終選取六沖河流域七星關水文站1971—1993年和1998—2009年的日平均流量序列以及七星關站1994—1997年月數據進行徑流變化分析，七星關站位置見圖1。除此之外，由于六沖河上游流域內沒有氣象站點，因此選取了距離研究區(qū)域最近的畢節(jié)、威寧2個氣象站1971—2009年的日降水、日平均氣溫和日照時間數據，進行六沖河七星關站以上流域(流域面積約2 970 km2)蒸發(fā)和降水量的計算，這些數據來源于中國地面氣候資料日值數據集。

圖1 六沖河上游流域水系

2.1 徑流變化的彈性系數

在全球水量和能量平衡分析時，多年平均實際蒸散發(fā)量主要取決于大氣的水分供給(降水量)和能量供給(凈輻射量或潛在蒸散發(fā)量)之間的平衡[15]，Budyko認為流域年平均實際蒸散發(fā)量E與年平均降雨量P的比值是年平均潛在蒸散發(fā)量E0與年平均降雨量P比值的函數，即Budyko假設[16-17]。

基于Budyko假設，Choudhury提出了流域水熱耦合平衡方程，其表達式如下[18]：

(1)

式中E0——年平均潛存蒸散發(fā)量；P——年平均降雨量；n——反映流域下墊面特征的綜合參數。

結合流域水量平衡方程及彈性系數[19]，年徑流量R的變化可表示為以下全微分形式[18]：

(2)

(3)

2.2 徑流變化貢獻量分析

根據徑流變化突變點將研究時段分為變化前、后2個子時段，徑流受到氣候變化及流域下墊面變化的影響，于是ΔR可以表示為[18]：

ΔR=ΔRP+ΔRE0+ΔRn

(4)

其中 ΔR——變化前、后時段徑流變化的差值；ΔRP、ΔRE0和ΔRn——P、E0及n變化引起的徑流變化，可由式(5)分別進行計算[18]：

(5)

最后，降水、潛在蒸散發(fā)和下墊面變化對徑流變化的貢獻率可由式(6)估算[21]：

(6)

式中Cxi——流域因子xi為P、E0或n時對徑流變化的貢獻率。

3 結果分析

3.1 水文要素變化趨勢分析

各水文要素趨勢變化及徑流突變情況見圖2，從圖2a可以看出，降水量整體呈現下降趨勢，且最大降水量出現在1983年，為1 240.8 mm，最小值出現在1989年，為584.4 mm，兩者相差近一倍，與圖2c相比，可以發(fā)現降水量與徑流量年際變化幾乎一致，斜率分別為-3.02和-1.25，且極大值與極小值出現時間相同，表明降水量在徑流變化中有著重要影響，從圖2b可以看出，潛在蒸發(fā)量整體呈下降趨勢，斜率為-6.16，最大值出現在1972年，為1 693.3 mm，最小值出現在2008年，為1 195.7 mm。

運用M-K趨勢分析方法[22]對六沖河七星關水文站年徑流量序列進行趨勢顯著性判斷，結果發(fā)現在置信水平為0.05時下降趨勢不顯著(統(tǒng)計量絕對值為0.94小于1.96)。再運用Pettitt法[23]對六沖河七星關站徑流量進行突變點判斷，算得的統(tǒng)計量U結果見圖2d，U值在1986年達到最大值132，則突變點為1986年，其中檢驗統(tǒng)計量p值為0.36大于0.05，因此突變點在統(tǒng)計意義上也不顯著。

a)年平均降水量

3.2 P、E0及n敏感性分析

六沖河上游流域各水文要素以及彈性系數的值見表1，對于氣象水文要素而言，影響期的多年平均降水量，多年平均徑流量和多年平均潛在蒸發(fā)量相比于基準期有所下降，分別減小了10.27%、7.77%和15.58%，而下墊面指數相較于基準期有所增加，增大了5.14%，其中干燥指數E0/P較基準期有所增大(從1.57到1.61)，增大了2.78%，而徑流系數R/P較基準期有所減小(從0.47到0.44)，減小了5.92%。

表1 六沖河上游流域氣象水文要素特征值及彈性系數

對于彈性系數而言，在影響期εp的值最大，其次是εn，最后是εE0，表明徑流對降水的變化最為敏感，且只有εP的值大于零，為1.51，表明降水每增大10%，徑流將增大15.1%，而εE0和εn的值分別為-0.51和-0.41，表明潛在蒸散發(fā)和下墊面指數每增大10%，徑流將分別減小5.1%和4.1%。相對于基準期，εP和εE0的絕對值在影響期有所增大，表明降水和潛在蒸散發(fā)在影響期對徑流變化的作用更大，而εn的絕對值相比于基準期有所減小，表明在影響期下墊面對徑流變化的作用變小。

圖3為降水、潛在蒸發(fā)量和下墊面指數的彈性系數在1971—2009年的變化，可以看出，εP和εE0的絕對值在1971—2009年的變化趨勢趨于水平且兩者變化趨勢一致，這是因為εP+εE0=1，因此兩者絕對值之差為1，但εP和εE0的絕對值在1986年均達到最大值，表明1986年降水及蒸發(fā)變化對徑流變化影響最大。而εn的絕對值在1986年后增加不少，表明下墊面對徑流變化的作用逐漸增大，但前面的分析表明下墊面在影響期的彈性系數絕對值略微減小，這可能是因為下墊面指數增大對εn減小的影響超過了干燥指數增大對εn增大的影響，因此各年與影響期整體算得的結果存在差異。

圖3 各氣象水文要素彈性系數年際變化

3.3 徑流量歸因分析

六沖河上游流域P、E0及n對徑流變化的貢獻見表2，具體計算見式(5)。其中徑流實際變化量與式(4)計算得到的徑流變化量兩者比較接近，由此認為本文計算得到的貢獻量能夠較好評估氣候變化(降水量與潛在蒸發(fā)量變化)和人類活動造成的下墊面變化對徑流變化的影響程度。降水量的減少對徑流變化的貢獻度為-64.95 mm，貢獻率高達113.3%，其次下墊面變化對徑流變化的貢獻度為-15.87 mm，貢獻率為14.4%，而潛在蒸發(fā)量增加對徑流量變化的貢獻度為-8.23 mm，貢獻率為-27.7%，因此，降水量的減少是徑流變化的主要原因，其次是下墊面變化帶來的影響。其中，降水量的減少對徑流變化的貢獻率超過100%，這主要是因為潛在蒸散發(fā)在1971—2009年下降趨勢較大，而降水和徑流下降趨勢相對較小，因此蒸散發(fā)對徑流為負貢獻，降水對徑流為正貢獻，而下墊面指數變化率僅為5.14%，對徑流的正貢獻小于蒸散發(fā)對徑流的負貢獻，因此對徑流減小的正貢獻主要集中在降水上，且貢獻率將超過100%。

表2 六沖河上游流域氣象水文要素貢獻

3.4 討論

氣候變化和人類活動是影響流域徑流變化的兩個最重要的因素。本文研究表明：影響六沖河上游流域徑流變化的主要因素為降水變化，其次是下墊面變化。部分學者也對烏江流域徑流變化歸因進行過研究，如陳焰犢等[24]對畢節(jié)市1961—2010年降水量變化進行研究，發(fā)現畢節(jié)市七星關區(qū)近50年的降水量存在一定的波動性，降水的減少在20世紀80年代后期至90年代前期比較明顯；熊亞蘭等[25]對烏江降雨徑流變化進行研究，發(fā)現降雨在1981—1994年偏枯。在喀斯特氣候變化影響方面，Liu等[26]發(fā)現喀斯特地區(qū)植被可利用水量較非喀斯特地區(qū)少一些，生態(tài)系統(tǒng)更依賴降水，因此降水帶來的影響更大，Wu等[27]對貴州省喀斯特地區(qū)中氣候變化和人類活動對徑流變化的貢獻率進行了分析，發(fā)現降水帶來的變化最大，且穩(wěn)定在50%～60%，而人類活動對徑流變化的影響比起非喀斯特地區(qū)相對較小。由于六沖河上游流域位于西南喀斯特地區(qū)，20世紀80年代降水的減少對該流域徑流影響較大，本文分析結果與已有研究結果比較一致。

下墊面條件改變也是影響六沖河上游流域徑流變化的重要原因。人類活動對下墊面的影響主要體現在土地利用的變化上，黃威廉[28]對六沖河上游流域土地資源利用情況進行分析，發(fā)現耕地面積占比最大，其次是林地和草地。而流域內不同的土地利用類型使其具有不同的水循環(huán)及水文效應，如草地面積的減小，使得土壤含水量降低，對流域徑流的調節(jié)能力下降；耕地面積的增加將改變流域用水分配，同時間接的影響流域其他土地利用方式，通過改變其產匯流條件來影響徑流的變化[21]。由于六沖河上游流域耕地占比較大，田少土多，以旱作為主，且大多為坡土，而20世紀80年代隨著人口增加，很多陡坡已被墾荒耕種，因此水土流失較為嚴重，林地中森林覆蓋率較低，這些下墊面的變化也對徑流產生一定的影響。

4 結論

本次研究對貴州省六沖河徑流變化進行了趨勢和突變診斷，并對六沖河上游流域進行徑流變化的歸因分析，得到的初步結論如下。

a)七星關站的徑流量呈顯著下降趨勢，且在1986年發(fā)生顯著突變。降水量與徑流量年際變化相一致，且極大值與極小值出現時間相同，表明降水量在徑流變化中有著重要影響。

b)對幾個參數進行敏感性分析，發(fā)現降水量彈性系數最大，即徑流對降水的變化更為敏感。比起基準期，降水和潛在蒸散發(fā)在影響期對徑流的作用更大，并在1986年達到最大值，而下墊面條件在影響期對徑流變化的作用較小，但作用在每年逐漸增大。

c)降水量的減少對六沖河上游流域徑流變化的貢獻率高達113.3%，其次是下墊面的變化，貢獻率為14.4%，而潛在蒸發(fā)量對徑流變化貢獻率較小，因此，可認為徑流量在1986年后顯著減少的主要原因是降水量的減少。