近50年伊洛河流域徑流演變歸因分析

倪用鑫 ，余鐘波，呂錫芝，馬 力，張秋芬，王建偉

(1. 黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院 河南省黃河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003；2. 河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

氣候變化和人類活動對水文過程的影響是全球水文學(xué)研究的熱點(diǎn)問題。氣候變化和人類活動對徑流過程的影響十分敏感，氣候變化導(dǎo)致了全球極端降雨等降雨模式的變化，人類活動變化則改變了流域水文過程的時(shí)空模式，兩者的共同作用導(dǎo)致了嚴(yán)重的供水危機(jī)和生態(tài)環(huán)境問題[1]。近50年來，伊洛河流域徑流量發(fā)生趨勢性銳減[2]，可利用水資源急劇衰減，進(jìn)一步加劇了流域水資源短缺的形勢，已引起政府決策部門和公眾的廣泛關(guān)注。

徑流變化成因有降水的影響，有氣候變暖的影響，也有植被恢復(fù)、取用水等人類活動的影響。量化氣候變化和人類活動對徑流量的影響，可以更好地揭示徑流變化的主導(dǎo)因素，對水資源管理者和決策者有著重要的參考價(jià)值。評估氣候變化和人類活動對徑流演變影響的常用方法有經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和水文模型等方法。賀瑞敏等利用澳大利亞水量平衡模型對伊洛河流域徑流進(jìn)行模擬，得出降水減少是該流域徑流銳減的主要原因[3]。王國慶采用流域水文模型分析了伊洛河流域不同年代徑流變化原因，指出氣候變化是伊洛河流域徑流減少的主要因素[4]。劉綠柳等針對黃河流域水資源短缺問題，應(yīng)用SWAT模型對伊洛河等流域的徑流變化進(jìn)行分析，認(rèn)為氣候變化對徑流變化貢獻(xiàn)大于人類活動[5]。然而，其他研究者利用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法或其他模型得到了相反的結(jié)論。Luan等利用雙累積曲線、新安江模型等方法分析徑流減少的貢獻(xiàn)，指出下墊面變化是徑流變化的主導(dǎo)因素[6]。方宏陽等利用流域尺度水均衡模型評估了氣候變化和人類活動對徑流的影響，指出人類活動是主要原因[7]。以往的研究利用上述方法就流域徑流變化的歸因分析進(jìn)行了大量研究，但難以得到一致的結(jié)論。在現(xiàn)有方法尚不完善的情況下，準(zhǔn)確估計(jì)氣候變化及人類活動對徑流變化的影響尚存在困難。

除了上述方法，基于Budyko理論的方法由于具有明顯的物理意義且計(jì)算過程相對簡單，已成為近年來的研究熱點(diǎn)且得到了成功的應(yīng)用[8-10]。因此，本研究在系統(tǒng)分析水循環(huán)要素的變化趨勢的基礎(chǔ)上，利用Budyko假設(shè)分析了伊洛河流域水循環(huán)演變機(jī)理與水資源衰減原因，量化解析了徑流對各驅(qū)動因素變化的敏感性，評估了各環(huán)境因素對徑流變化的貢獻(xiàn)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

伊洛河屬于黃河中游下段的一級支流，流經(jīng)陜西、河南兩省的21個(gè)縣市（圖1），全長974 km，主要干流伊河和洛河分別長265和447 km，流域出口控制水文站為黑石關(guān)站，控制面積為18 563 km2，地處33°39' N～34°54' N和109°43' E～113°11' E之間，海拔為92～2 616 m。伊洛河流域多年平均降水量約690 mm，氣候分區(qū)為濕潤和半濕潤地區(qū)。伊洛河上游為土石山區(qū)，植被較好；下游為黃土丘陵區(qū)，植被相對稀疏，水土流失嚴(yán)重[3]。近年來受氣候和人類活動等因素影響，流域內(nèi)可利用水資源急劇減少，面臨嚴(yán)重的缺水危機(jī)。

伊洛河流域1970—2018年的徑流數(shù)據(jù)來源于《中華人民共和國水文年鑒》的黃河流域水文資料，對其進(jìn)行還原計(jì)算得到天然徑流。降水?dāng)?shù)據(jù)取自流域內(nèi)的142個(gè)雨量站，氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn），選取流域周邊11個(gè)氣象站點(diǎn)的日平均氣壓、降水、蒸散發(fā)、平均相對濕度、日照時(shí)數(shù)、平均溫度、最高溫度、最低溫度和平均風(fēng)速等，潛在蒸散發(fā)量由Penman-Monteith公式計(jì)算。30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（www.giscloud.cn），用于表示地形分布特征和提取流域邊界。1 km分辨率的土地利用數(shù)據(jù)和歸一化植被指數(shù)NDVI數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（https://www.resdc.cn）。

圖1 伊洛河流域地理位置Fig. 1 Location of the Yiluo River basin

2 研究方法

2.1 徑流系列趨勢分析與突變檢驗(yàn)

本研究趨勢分析和突變檢驗(yàn)選用Mann-Kendall（MK）檢驗(yàn)方法，該方法是水文氣象系列常用的趨勢分析和突變檢測方法[11]。統(tǒng)計(jì)值Z為MK趨勢顯著性檢驗(yàn)值，其正負(fù)表示系列存在增加或減少趨勢。如果Z的絕對值大于α顯著性水平值Z1-α/2，則表明系列在1 -α/2置信區(qū)間趨勢顯著。

系列變量的突變點(diǎn)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值為UF和UB，UF的正負(fù)表示系列的上升和下降趨勢，超出α顯著性水平說明變化趨勢明顯。如果UF和UB在顯著性水平之間存在交點(diǎn)，則該點(diǎn)即為突變點(diǎn)[12]。突變點(diǎn)將系列變量分為基準(zhǔn)期和變化期，本研究采用滑動t檢驗(yàn)方法驗(yàn)證兩個(gè)子系列樣本平均值是否存在顯著性差異。

2.2 徑流變化的歸因分析方法

歸因分析采用基于Budyko假設(shè)的水熱耦合平衡方程，在長時(shí)間尺度上蒸散發(fā)量主要受供水條件和輻射能量的平衡關(guān)系決定，結(jié)合水量平衡方程（P=Q+E，P、Q、E分別為年平均降水量、年徑流量、年平均實(shí)際蒸散發(fā)量）可推算出流域的徑流量。該方程最初由Budyko提出[13]，函數(shù)形式為E/P=f(E0/P)，描述了流域氣候、水文和下墊面之間的相互作用。方程經(jīng)過以往研究的不斷完善已發(fā)展為多種形式，其中Choudhury-Yang公式被普遍用于流域?qū)嶋H蒸散發(fā)量計(jì)算[14]，表達(dá)式如下：

式中：E0為年平均潛在蒸散發(fā)量；n為流域特征參數(shù)，與流域的地形地貌、土地利用類型、植被等因素相關(guān)。

結(jié)合敏感性系數(shù)定義和水量平衡方程，對Choudhury-Yang公式求偏導(dǎo)，可得到Q對P、E0和流域特征參數(shù)n的敏感性系數(shù)計(jì)算公式，n由最小二乘法求得，具體結(jié)合Excel中單變量求解方法。

根據(jù)各因素突變前后兩階段的變化量ΔX，結(jié)合式（2）～（4）推導(dǎo)的敏感性系數(shù)，可計(jì)算求得徑流變化各因素影響量ΔQX及 其貢獻(xiàn)率FP：

2.3 徑流變化歸因結(jié)果檢驗(yàn)

歸因分析結(jié)果驗(yàn)證采用降雨-徑流雙累積曲線方法，假設(shè)不受人類活動影響時(shí)，降水量與徑流量的雙累積曲線是一條直線，其線性變化反映了人類活動對流域徑流的影響。利用變化期降雨量代入擬合的基準(zhǔn)期降雨-徑流關(guān)系式，可推算出僅受降雨影響下的徑流量，與基準(zhǔn)期實(shí)測徑流量的差值即為降雨變化的影響量，由此可計(jì)算得到人類活動的影響量及相應(yīng)的貢獻(xiàn)率。雙累積曲線表達(dá)式如下：

式中：xi表示第i年的降水量；yi表示第i年的徑流。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 流域水文氣象要素變化特征

1970—2018年伊洛河流域徑流呈現(xiàn)減小趨勢（-1.05 mm/a），降水呈減小趨勢（-0.62 mm/a），平均氣溫呈增加趨勢（0.03 ℃/a），蒸散發(fā)呈增加趨勢（0.43 mm/a）。降水減少、氣溫增加表明氣候存在暖干化的趨勢，加上蒸散發(fā)消耗的加劇，直接導(dǎo)致了流域徑流的減少。MK趨勢分析結(jié)果表明，徑流和氣溫統(tǒng)計(jì)值Z分別為-1.89和4.75，均通過了95%的顯著性檢驗(yàn)，氣溫甚至超過了99%的顯著水平，這說明徑流和氣溫變化趨勢顯著，降水和蒸散發(fā)量的統(tǒng)計(jì)值為-0.49和0.85，變化趨勢不顯著。具體見圖2。

圖2 伊洛河流域水文氣象要素變化線性趨勢Fig. 2 The linear trend of changes in hydrological and and meteorological elements in the Yiluo River basin

MK突變檢驗(yàn)結(jié)果表明徑流系列在1991年發(fā)生突變（圖3），突變點(diǎn)的滑動t檢驗(yàn)值為2.83，超過0.01顯著性水平，說明徑流在1991年突變顯著。徑流量突變的年份與流域內(nèi)故縣水庫下閘蓄水的時(shí)間相吻合，表明徑流量從此開始受人類活動影響。突變點(diǎn)將徑流系列分為基準(zhǔn)期（1970—1990）和變化期（1991—2018），和基準(zhǔn)期相比，變化期多年平均徑流減少了46.43 mm，減少34.32%。

圖3 伊洛河流域突變檢驗(yàn)及變化前后對比Fig. 3 Runoff mutation test in Yiluo River basin and comparison during the two periods

3.2 流域徑流對氣候和下墊面變化的敏感性分析

將流域降水、徑流和潛在蒸散發(fā)各階段均值代入式（1）進(jìn)行最小二乘法計(jì)算，得到各階段的下墊面參數(shù)n（表1），結(jié)合式（2）～（4）可求得伊洛河流域徑流變化對降水、潛在蒸散發(fā)和下墊面參數(shù)的敏感性系數(shù)分別為0.42、-0.18和-78.36。結(jié)果表明伊洛河流域降水量每增加1 mm將導(dǎo)致徑流增加0.42 mm，潛在蒸散發(fā)量每增加1 mm將導(dǎo)致徑流減少0.18 mm，下墊面參數(shù)每增加1個(gè)單位將導(dǎo)致徑流減少78.36 mm。

表1 伊洛河流域水文要素階段特征值及變化量Tab. 1 Characteristic values and changes of hydrological elements in the Yiluo River Basin

3.3 伊洛河流域徑流變化歸因分析

結(jié)合徑流對各變量變化的敏感性系數(shù)，以及相應(yīng)的兩階段變化量，代入式（5），可分別計(jì)算出各因素變化導(dǎo)致的徑流變化量。伊洛河流域降水、潛在蒸散發(fā)和下墊面參數(shù)引起的徑流變化量為-15.80、-3.98和-26.17 mm，Budyko框架模擬的徑流變化總量為-45.95 mm，與實(shí)測的徑流變化量46.43 mm的誤差僅為-0.48 mm（1.04%），這表明Budyko假設(shè)應(yīng)用于伊洛河流域模擬徑流的階段變化結(jié)果與實(shí)測值基本一致。

徑流變化歸因分析結(jié)合式（2），可求得氣候變化和下墊面變化對徑流變化的貢獻(xiàn)率（表2）。由表2可見，降水變化和下墊面特征變化為徑流變化的主導(dǎo)因素。

表2 徑流演變各影響因素貢獻(xiàn)率Tab. 2 Contribution rate of each influencing factor to runoff evolution

3.4 雙累積曲線結(jié)果驗(yàn)證

對伊洛河流域的降水和徑流系列數(shù)據(jù)進(jìn)行雙累積曲線分析，結(jié)果如圖4所示。在1991年前降水-徑流擬合關(guān)系良好，決定性系數(shù)R2為0.988，可以認(rèn)為流域徑流過程處于天然狀態(tài)，受人類影響較小。累積降水和累積徑流的關(guān)系在1991年發(fā)生明顯的變化，這表明在1991年后徑流開始受人類活動影響，偏離量說明了降水和人類活動的影響量。

圖4 伊洛河流域雙累積曲線及降水-徑流關(guān)系Fig. 4 The double accumulation curve and precipitation-runoff relationship of the Yiluo River basin

根據(jù)擬合的1970—1990年降水-徑流關(guān)系線，結(jié)合變化期1991—2018年的平均降水，可計(jì)算出不受人類活動影響時(shí)1991—2018年的模擬徑流結(jié)果，即僅考慮降水變化時(shí)的徑流量為116.01 mm，降水變化導(dǎo)致的徑流變化量為19.27 mm，結(jié)合實(shí)測的兩階段徑流變化量46.43 mm，可推算出人類活動的影響量為27.16 mm，降水和人類活動的貢獻(xiàn)率分別為41.50%和58.50%，這與基于Budyko假設(shè)計(jì)算的影響量和貢獻(xiàn)率基本一致，說明計(jì)算的結(jié)果是可信的。

3.5 結(jié)果討論

以往研究[15-16]表明，影響徑流的因素可以概括為氣候變化和人類活動。由于降水、溫度和風(fēng)速的變化，氣候變化改變了水資源的空間分布，對干旱和洪水等極端水文事件有直接影響。人類活動通過改變植被條件、土地利用方式及水利水保工程建設(shè)等影響了流域的水循環(huán)過程，是流域徑流減少的主導(dǎo)因素，這與本研究的結(jié)論基本一致。同樣，也存在一些與本研究相悖的結(jié)論，這些研究[3-5]利用水文模型歸因分析時(shí)通常選用土地利用變化作為人類活動的影響，通過對1980—2018年近5期的土地利用數(shù)據(jù)分析可知土地利用面積整體變化不大（圖5），而土地利用面積的變化無法真實(shí)反映下墊面變化的影響，往往導(dǎo)致模擬時(shí)低估了人類活動的影響，因此得出了與本研究相反的結(jié)論。

圖5 伊洛河流域土地利用和植被覆蓋度變化趨勢Fig. 5 Land use and vegetation change trends in the Yiluo River basin

降水和蒸發(fā)是徑流變化的最直接的影響因素。在全球氣候變暖的背景下，相對于基準(zhǔn)期（1970—1990），伊洛河流域變化期（1991—2018）多年平均降水減少了37.77 mm，多年平均潛在蒸散發(fā)量增加了22.44 mm。降水減少而蒸散發(fā)增加，流域暖干化趨勢明顯，是導(dǎo)致伊洛河流域徑流銳減的主要驅(qū)動因子。基于Budyko假設(shè)的Choudhury-Yang公式中，下墊面參數(shù)n代表了植被、土壤和地形，由于在一定的時(shí)間尺度內(nèi)，土壤和地形相對變化不大，下墊面的變化主要反映了植被在內(nèi)的土地利用的變化。同時(shí)，為了減少水土流失改善生態(tài)環(huán)境，流域內(nèi)開展了一系列的水土保持措施建設(shè)。根據(jù)國務(wù)院第一次水利普查水土保持情況專項(xiàng)普查成果統(tǒng)計(jì)，截止到2011年，流域內(nèi)修建梯田186.24 km2，種植水土保持林等植被措施2 163.61 km2，修建淤地壩1 079座，累積淤地面積21.95 km2，這些措施極大地改變了伊洛河流域的下墊面特征，改善了流域的植被條件，反映了人類活動對徑流變化的影響。利用伊洛河流域1980、1990、2000、2010、2018的5期土地利用數(shù)據(jù)（圖5）和轉(zhuǎn)移矩陣（表3）分析流域土地利用變化情況，發(fā)現(xiàn)耕地面積明顯減少，耕地逐漸轉(zhuǎn)變成林地、草地和居住用地，居住用地顯著增加，反映了城市化建設(shè)的影響。草地、林地和耕地等植被面積占比超過90%，是下墊面變化的主要因素，顯著影響了流域徑流過程。

表3 伊洛河流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Tab. 3 Land use transfer matrix of Yiluo River basin 單位：%

根據(jù)1981—2018年伊洛河流域的植被NDVI指數(shù)，結(jié)合一元線性回歸θslope公式和F檢驗(yàn)，分析流域的植被時(shí)空變化趨勢。結(jié)果表明：在時(shí)間上，1981—2018年伊洛河流域植被覆蓋明顯增加（P＜0.01）；在空間上，流域70.76%以上的區(qū)域植被覆蓋顯著增加，植被覆蓋顯著減少區(qū)域僅占10.27%，其他區(qū)域變化趨勢不明顯。植被的葉面截留和蒸騰消耗了相當(dāng)一部分降水，是水文循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此植被也是徑流變化的間接影響因子，在產(chǎn)匯流過程中起著重要作用，是準(zhǔn)確評估可利用水資源的最大不確定因子。然而，目前的研究無法準(zhǔn)確量化植被變化對徑流變化的貢獻(xiàn)。因此，在缺水嚴(yán)重的黃河流域，植被變化的影響對準(zhǔn)確評估可利用水資源顯得至關(guān)重要。

4 結(jié) 語

以伊洛河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，基于Budyko理論的Choudhury-Yang公式，分別對研究區(qū)徑流變化中氣候變化和人類活動的影響進(jìn)行歸因分析，得出主要結(jié)論如下：

（1）伊洛河流域1970—2018年徑流呈顯著的減小趨勢，且在1991年發(fā)生突變，突變前后徑流變化了46.43 mm（34.32%）。

（2）徑流變化對降水、潛在蒸散發(fā)和下墊面參數(shù)的敏感性系數(shù)分別為0.42、-0.18和-78.36，即降水每增加1 mm將導(dǎo)致徑流增加0.42 mm，潛在蒸散發(fā)量每增加1 mm將導(dǎo)致徑流減少0.18 mm，下墊面參數(shù)每增加1個(gè)單位將導(dǎo)致徑流減少78.36 mm。

（3）降水、潛在蒸散發(fā)和下墊面變化對徑流變化的貢獻(xiàn)分別為34.03%，8.58%和56.36%，與雙累積曲線分析結(jié)果基本一致，人類活動引起的下墊面變化是徑流變化的主要驅(qū)動因素，降水變化的影響也不可忽視。

（4）由于流域下墊面特征主要受植被、地形和土壤等因素影響，而地形和土壤等因素在短時(shí)期內(nèi)變化不大，因此下墊面變化主要受植被變化主導(dǎo)。