粵桂沿海地區(qū)主要流域徑流變化及其歸因分析

周舒佳，劉 玲，徐昝敏，馮夢(mèng)茹

(1. 常州市金壇區(qū)氣象局，江蘇 常州 213200；2. 宿遷市泗陽(yáng)縣氣象局，江蘇 宿遷 223800；3.揚(yáng)州市寶應(yīng)縣氣象局，江蘇 揚(yáng)州 225000)

1 概述

水是人類(lèi)生存和發(fā)展過(guò)程中的必要物質(zhì)，對(duì)維持社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有關(guān)鍵性的作用。自然條件下，由于氣候、地形、下墊面等因素的共同作用，流域水文過(guò)程及其變化存在一定的規(guī)律性和隨機(jī)性[1]；近年來(lái)，在強(qiáng)烈的人類(lèi)活動(dòng)影響下，流域水文過(guò)程的變化規(guī)律變得愈加復(fù)雜[2]。隨著氣候變化研究的不斷深入，區(qū)域水資源時(shí)空變異和全球水循環(huán)變化已成為重要的熱點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題[3]。

針對(duì)變化環(huán)境下水文循環(huán)變化規(guī)律，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了大量研究，并取得了一系列成果[4-6]。與此同時(shí)，為深入揭示流域徑流變化機(jī)制，學(xué)者們從氣候變化、土地利用變化、人類(lèi)活動(dòng)、CO2濃度升高等角度，采用不同的方法(如流域“配對(duì)”法、水文模型、陸面模式等)，開(kāi)展了水文過(guò)程變化歸因方面的大量研究[4-8]。如Sun等的結(jié)果顯示氣候變化是鄱陽(yáng)湖流域徑流變化的主要原因，而植被的影響較為有限[4]；竇小東等利用分布式水文模型結(jié)合不同的土地利用變化情景，指出農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)化為林地或草地導(dǎo)致了瀾滄江流域徑流量的減少[7]；Piao等指出CO2濃度升高引起的植被葉面積增加，可能是1901—1999年全球徑流下降的一個(gè)重要原因[8]。毋庸置疑，前人的研究為科學(xué)認(rèn)識(shí)水文循環(huán)過(guò)程，合理開(kāi)發(fā)和利用水資源提供了重要參考，尤其是對(duì)水資源供需矛盾突出、水生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重的國(guó)家和地區(qū)。然而，由于人類(lèi)活動(dòng)、氣候變化存在明顯的時(shí)空差異，且二者間存在復(fù)雜的相互作用，因此，水文過(guò)程變化機(jī)制也表現(xiàn)出較大的時(shí)空差異性，仍需要開(kāi)展大量典型區(qū)域的實(shí)例研究，為區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供精確的信息支持[9]。

粵桂沿海地區(qū)(20.22～22.9°N和107.47～113.04°E，見(jiàn)圖1)地處珠江流域南部，廣東和廣西交界處，總面積為55 542 km2，屬溫暖濕潤(rùn)的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨量充沛；該地區(qū)河流眾多，包括茅嶺江、欽江、南流江、鑒江、漠陽(yáng)江等。近年來(lái)，隨著國(guó)家“西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略”和廣東省“東融西聯(lián)、南拓北優(yōu)”等開(kāi)發(fā)策略的推進(jìn)，該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展[10]。然而，由于氣候變化加劇、人類(lèi)活動(dòng)規(guī)模的不斷增大增強(qiáng)，粵桂沿海地區(qū)已出現(xiàn)水資源短缺問(wèn)題，同時(shí)還造成了水土流失、水環(huán)境下降等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，一定程度上制約了區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1，11]。以往研究多針對(duì)粵桂沿海地區(qū)單個(gè)流域水文要素變化[1，12-13]，缺乏區(qū)域整體化的研究；此外，就粵桂沿海地區(qū)徑流變化機(jī)理的定量化歸因分析依然少見(jiàn)，尤其是年代際變化。因此，系統(tǒng)分析粵桂沿海地區(qū)氣候和徑流變化規(guī)律，揭示氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)在其中的作用，可以為改善本地區(qū)水資源管理及綜合利用水資源提供重要參考。

圖1 粵桂沿海地區(qū)氣象站和水文站分布示意

2 資料與方法

2.1 資料及處理

氣象要素均來(lái)自國(guó)家氣候中心，包括1961—2010年間33個(gè)常規(guī)氣象站(見(jiàn)圖1)的逐日降水、日照時(shí)數(shù)、10 m風(fēng)速、相對(duì)濕度，及最低、最高和平均溫度觀測(cè)資料。由于缺少輻射資料，本研究采用Allen等[14]推薦的凈輻射公式，以日照時(shí)數(shù)估算凈輻射。1961—2010年陸屋、黃屋屯、博白、常樂(lè)、化州和荊山6個(gè)水文站(見(jiàn)圖1)的逐年徑流及其流域面積來(lái)自廣西自治區(qū)水文水資源局和廣東省水文局，為了估算流域蒸散發(fā)(ET)，根據(jù)流域面積將逐年徑流轉(zhuǎn)換為地表徑流。潛在蒸散發(fā)(PET)采用世界糧農(nóng)組織推薦的FAO56 Penman-Monteith公式計(jì)算，具體計(jì)算公式見(jiàn)Allen等[14]。首先，將研究時(shí)段分為1961—1970年(20世紀(jì)60年代，即基準(zhǔn)期)、1971—1980年(20世紀(jì)70年代)、1981—1990年(20世紀(jì)80年代)、1991—2000年(20世紀(jì)90年代)和2001—2010年(21世紀(jì)00年代)，采用反距離權(quán)重法對(duì)年降水(P)進(jìn)行空間插值，獲得各流域不同年代平均降水；根據(jù)流域水量平衡法估算不同年代蒸散發(fā)(即P-Q)。氣候和水文分量年代變化，以各時(shí)段減去基準(zhǔn)期表示。

2.2 歸因方法

流域水量平衡：

P=ET+Q+ΔS

(1)

式中：

ΔS——流域儲(chǔ)水量變化；多年尺度上(本研究取為10 a)，可以近似為0。

根據(jù)Zhang等[15]的研究，多年平均ET可以由以下公式計(jì)算：

(2)

式中：

ω——與植被類(lèi)型有關(guān)的模型參數(shù)。

P和PET的變化均會(huì)對(duì)水量平衡產(chǎn)生影響，因此，二者引起的徑流變化(ΔQclim)可表示為[16-17]：

ΔQclim=CP+CPET

(3)

CP=β·ΔP

(4)

CPET=γ·ΔPET

(5)

(6)

(7)

式中：

ΔP和ΔPET——P和PET的變化；

β和γ——徑流對(duì)P和PET的敏感性系數(shù)[16]；

CP和CPET——由P和PET引起的徑流變化。

假設(shè)基準(zhǔn)期，流域不受人類(lèi)活動(dòng)影響，則可以采用公式(2)和基準(zhǔn)期的P、PET、ET，估算參數(shù)ω；然后利用公式(6)和(7)分別估算β和γ。第p個(gè)年代徑流相對(duì)基準(zhǔn)期的變化(ΔQp)可以認(rèn)為是由氣候(即P和PET)變化和人類(lèi)活動(dòng)共同影響造成的，則ΔQp可表示為：

(8)

式中：

根據(jù)本文所采用的公式(2)，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流的影響主要表現(xiàn)在與水土保持相關(guān)的措施，如植樹(shù)造林通過(guò)增加對(duì)降水的截留和蒸散導(dǎo)致徑流的減小[17]。

3 結(jié)果分析

3.1 氣候變化特征

由表1可見(jiàn)，除陸屋、黃屋屯和荊山，其他流域20世紀(jì)60年代的降水均在1 600 mm以上；除陸屋和黃屋屯外，其他4個(gè)流域PET均大于1 200 mm。由圖2可見(jiàn)，降水和PET變化表現(xiàn)出明顯的時(shí)空差異。降水變化(見(jiàn)圖2a)：陸屋20世紀(jì)70年代和21世紀(jì)00年代表現(xiàn)為增加，其他兩個(gè)年代減少；黃屋屯、化州和荊山各時(shí)期的降水較基準(zhǔn)期均增加；而博白和常樂(lè)(除2 000s)各年代降水均有所減少。PET變化(見(jiàn)圖2b)：陸屋除了20世紀(jì)70年代略有增加，其他年代均減少；黃屋屯、化州和荊山的各個(gè)年代PET均表現(xiàn)為減少；博白和常樂(lè)，除21世紀(jì)00年代的PET略微增加，其他年代均減小。

表1 各流域20世紀(jì)60年代的降水、PET和徑流

a 降水變化

3.2 徑流變化特征

由表1可知，陸屋和荊山20世紀(jì)60年代的徑流分別為856.91 mm和897.34 mm，而其他流域徑流均在800 mm以下。在氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的共同影響下，各流域不同年代的徑流較基準(zhǔn)期均發(fā)生了變化，但表現(xiàn)出明顯的時(shí)空差異。由圖3可見(jiàn)，陸屋和常樂(lè)各年代徑流均減少，與之相反，化州各年代徑流增加；黃屋屯20世紀(jì)70年代和80年代徑流較基準(zhǔn)期有所增加，增幅大于60 mm，而其他兩個(gè)年代減??；博白20世紀(jì)70年代和21世紀(jì)00年代徑流略微增加，而其他年代減少；荊山20世紀(jì)70年代和90年代徑流增加，其他兩個(gè)年代減小。

圖3 較20世紀(jì)60年代，各流域不同時(shí)期徑流變化示意

3.3 徑流變化歸因分析

圖4為降水、PET和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)各流域不同年代徑流變化的貢獻(xiàn)，隨著降水的增加(減少)，徑流將增加(減少)；而隨著PET的增加(減少)，徑流將減少(增加)。由于降水和PET變化的時(shí)空差異及參數(shù)ω的空間差異，降水、PET和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)也表現(xiàn)出明顯的時(shí)空差異。降水在黃屋屯、化州和荊山對(duì)各年代徑流變化都有正的貢獻(xiàn)，而在博白對(duì)各年代徑流都有負(fù)的貢獻(xiàn)，在陸屋則使得20世紀(jì)70年代和21世紀(jì)00年代徑流增加，其余兩個(gè)年代減少，在常樂(lè)使得21世紀(jì)00年代徑流略有增加，其余年代使徑流減少。除了20世紀(jì)70年代的陸屋和21世紀(jì)00年代的博白和常樂(lè)，PET對(duì)絕大多數(shù)流域的徑流變化都起到正的貢獻(xiàn)，其中20世紀(jì)80年代和90年代的貢獻(xiàn)較大。受人類(lèi)活動(dòng)影響，絕大多數(shù)流域的徑流都有所減小，除了20世紀(jì)70年代和21世紀(jì)00年代的博白，20世紀(jì)80年代的黃屋屯以及20世紀(jì)80年代—21世紀(jì)00年代的化州徑流略有增加。

a 降水貢獻(xiàn)

對(duì)比降水、PET和人類(lèi)活動(dòng)的貢獻(xiàn)，可以得到各年代徑流變化的主控因子(見(jiàn)表2)。陸屋和博白各年代徑流變化對(duì)應(yīng)的主控因子均為人類(lèi)活動(dòng)，而化州均為降水；黃屋屯20世紀(jì)70年代徑流變化主要受控于降水，其他年代則受控于人類(lèi)活動(dòng)；常樂(lè)降水主導(dǎo)了20世紀(jì)90年代的變化，其余年代主控因子為人類(lèi)活動(dòng)；荊山20世紀(jì)70年代和20世紀(jì)90年代可歸因于降水，其余年代主控因子為人類(lèi)活動(dòng)。

表2 各流域不同時(shí)期徑流變化的主控因子

4 結(jié)論與討論

以粵桂沿海地區(qū)主要流域?yàn)槔?，本研究詳?xì)分析了6個(gè)流域1971—2010年間不同年代降水、PET和徑流變化(相對(duì)20世紀(jì)60年代)特征，并基于氣候彈性度方法，估算了氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)，開(kāi)展了歸因分析，得到以下結(jié)論：

1) 研究區(qū)降水和PET變化都表現(xiàn)出明顯的時(shí)空差異性，在氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)共同影響下，除了化州，其他流域徑流量都出現(xiàn)不同程度的減少，其中20世紀(jì)70年代有1/3的流域徑流減少，其余年代有2/3的流域徑流減小，且20世紀(jì)80年代和90年代減少幅度較大，使得粵桂沿海地區(qū)水資源綜合管理面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2) 對(duì)比氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的貢獻(xiàn)可以得出，陸屋和博白，各年代徑流變化對(duì)應(yīng)的主控因子均為人類(lèi)活動(dòng)，而化州均為降水；黃屋屯20世紀(jì)70年代徑流變化主要受控于降水，其他年代則受控于人類(lèi)活動(dòng)；常樂(lè)降水主導(dǎo)了20世紀(jì)90年代的變化，其余年代為人類(lèi)活動(dòng)；荊山降水主導(dǎo)了20世紀(jì)70年代和90年代，其余年代為人類(lèi)活動(dòng)。在大多數(shù)流域中，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流的影響不可忽視，這主要與研究區(qū)植樹(shù)造林，水利工程修建等舉措有關(guān)。

本研究甄別了控制各流域徑流年代際變化的主控因子，有助于各流域制定合理的應(yīng)對(duì)水資源問(wèn)題的措施。本研究可能存在一定的不確定性，如資料處理中采用固定的地表反照率(設(shè)置為常數(shù)0.23)估算凈輻射，可能會(huì)對(duì)PET估算造成偏差[18]；氣象觀測(cè)(尤其是降水)經(jīng)常受儀器和觀測(cè)場(chǎng)條件的影響[19]，進(jìn)而給本研究帶來(lái)不確定性；FAO56 Penman-Monteith公式并未考慮CO2濃度升高對(duì)植被生理特征(如氣孔導(dǎo)度和植被結(jié)構(gòu)特征)的影響，進(jìn)而造成PET估算的偏差[20]；剝離各因子貢獻(xiàn)的方法其核心為假設(shè)20世紀(jì)60年代流域陸面水文過(guò)程少受或不受人類(lèi)活動(dòng)的影響，但事實(shí)并非如此，進(jìn)而帶來(lái)一定的不確定性。