渭河水文情勢變化評估及歸因分析

李歡瑋, 趙廣舉,2, 穆興民,2, 田 鵬, 張舒羽

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實驗室,陜西 楊凌712100; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實驗室,陜西 楊凌 712100; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

黃河是中華民族的母親河，黃河流域在我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生態(tài)建設(shè)等方面發(fā)揮著重要的作用。黃河流域?qū)俑珊蛋敫珊祬^(qū)域，長期面臨水資源短缺、生態(tài)環(huán)境脆弱、區(qū)域發(fā)展不平衡等諸多問題，其生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展已上升為重大國家戰(zhàn)略[1]。自20世紀(jì)50年代以來，黃土高原大規(guī)模水土保持措施的實施致使黃河水文情勢發(fā)生顯著變化[2-5]。渭河是黃河流域的最大支流，流域水文情勢受到人類活動和氣候變化的影響，尤其近年來日益增強(qiáng)的人類活動導(dǎo)致河流水文情勢發(fā)生不同程度改變，河流生態(tài)系統(tǒng)遭受嚴(yán)重威脅，因此，探討渭河流域水文情勢及其潛在驅(qū)動因素對區(qū)域水資源優(yōu)化配置與調(diào)整水土流失治理格局具有重要意義，同時對促進(jìn)黃河流域水資源管理和河流生態(tài)保護(hù)至關(guān)重要。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在水文情勢變化評估方面進(jìn)行了大量研究[6-8]。Richter等[6]提出水文變化指標(biāo)法(Indicators of Hydrologic Alteration，IHA)來衡量生態(tài)的破壞程度，并為評估和管理河流生態(tài)環(huán)境而針對IHA指標(biāo)體系提出了變化范圍法(Rang of Variability Approach，RVA)。目前IHA-RVA法被廣泛的應(yīng)用于國內(nèi)外河流水文情勢變化評估，探討人類活動對河流生態(tài)環(huán)境的影響。程俊翔等[7]總結(jié)了水文改變指標(biāo)體系在水文情勢改變評估、生態(tài)環(huán)境影響評估、生態(tài)環(huán)境流量估算等方面的應(yīng)用。Tian等[8]采用IHA-RVA法對無定河水文情勢變化及成因進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)水庫/大壩建設(shè)和土地利用變化對該流域水文情勢影響較大。張洪波等[9]基于IHA指標(biāo)，運(yùn)用層次聚類法構(gòu)建了分區(qū)指標(biāo)體系，明確了渭河流域不同區(qū)域河流生態(tài)水文聯(lián)系的變化情況。本文在分析渭河流域徑流變化特征的基礎(chǔ)上，采用IHA-RVA法對該流域的水文情勢進(jìn)行評估，計算分析降雨與人類活動因素對流域內(nèi)徑流變化的貢獻(xiàn)率，通過分析人類活動造成下墊面變化對水文情勢的影響，以期為今后水土保持工作的開展和流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和治理提供參考。

1 研究區(qū)概況

渭河是黃河最大一級支流，起源于甘肅省定西市渭源縣鳥鼠山，經(jīng)陜西渭南市潼關(guān)縣匯入黃河，干流全長818 km，河道較寬，多沙洲，水流分散。渭河支流較多，北洛河是渭河的第二大支流，起源于陜西省定邊縣魏梁山，于大茘縣東南注入渭河，河流全長680.3 km，流域面積約為2.69萬km2。渭河流域總面積約為13.5萬km2，涉及陜西、甘肅、寧夏3個省(區(qū))，分別占流域總面積的49.8%，44.1%和6.1%；海拔為320～3 916 m，總體上呈西高東低的態(tài)勢。流域多年平均降水量550 mm，降水自西北向東南遞減、分配不均，主要集中在汛期6—9月[10]，夏季多雨，冬季寒冷干燥，降水稀少(圖1)。

圖1 研究區(qū)概況

2 材料和方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

本研究收集并整理了渭河干流咸陽、華縣站(出口控制站)和北洛河出口控制站狀頭站3個水文站點(diǎn)1965—2018年實測日徑流數(shù)據(jù)序列資料，以及研究區(qū)內(nèi)19個氣象站的月降雨量數(shù)據(jù)。其中，各站54年間日徑流數(shù)據(jù)序列資料來源于水利部出版的《黃河流域水文資料》；降雨量數(shù)據(jù)源于中國氣象數(shù)據(jù)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng) (http:∥cdc.cma.gov.cn/)，并應(yīng)用反距離加權(quán)方法插值得到了年均降水量。

2.2 研究方法

本文主要采用線性回歸、Mann-Kendall趨勢檢驗和累積距平法分析渭河3個水文站年徑流量的變化趨勢和突變特征。采用徑流量與降雨量雙累積曲線的斜率變化確定水文變量階段特征，并根據(jù)回歸方程量化水文情勢變化受降雨與人類活動的影響程度。由于上述方法均較常見，本文不再贅述，具體計算步驟參見相關(guān)文獻(xiàn)[11-14]。

2.2.1 水文改變指標(biāo)法 水文改變指標(biāo)(Indicators of Hydrologic Alteration，IHA)是由Richter提出[6]，通過計算長時間序列日流量變化特征，反映河川徑流水文情勢變化，該方法包括33個水文指標(biāo)，分別表征河流水文情勢的流量、流量脈沖、發(fā)生時間、歷時和改變率等5類特征，具體參數(shù)見表1。

表1 IHA流量指標(biāo)

2.2.2 水文情勢變化程度 Richter等[6]在水文改變指標(biāo)法(IHA)基礎(chǔ)上提出了變化范圍法(RVA)，評估水文指標(biāo)變化程度，并以各指標(biāo)的平均值加減標(biāo)準(zhǔn)差或頻率75%和25%作為各個指標(biāo)的上下限，即為RVA的目標(biāo)。

2.2.3 水文改變度

(1) 單個指標(biāo)水文改變度Di。為了量化IHA方法33個指標(biāo)中單一指標(biāo)受影響后的變異程度，采用水文改變度Di進(jìn)行計算：

(1)

式中:Di為第i個指標(biāo)的水文改變程度;N0i為變異后的徑流序列IHA值在25%～75%分類范圍內(nèi)的年數(shù);Ne為相應(yīng)的期望年數(shù)(Ne=Ri×NT,Ri為50%,NT為變異后徑流序列的總年數(shù))。

(2) 整體水文改變度D0?；诿總€指標(biāo)的水文改變度Di，變異后整體水文改變度D0計算如下：

(2)

為了客觀反映水文指標(biāo)的變異程度，一般將Di和D0劃分為3個等級進(jìn)行量化評價，當(dāng)|Di|和|D0|的值介于0 ～ 33%為無改變或低改變度，用L表示；33% ～ 67%為中改變度，用M表示；67% ～100%為高改變度，用H表示。

3 結(jié)果與分析

3.1 年徑流變化趨勢特征

對渭河流域3個水文站1965—2018年徑流數(shù)據(jù)序列進(jìn)行線性趨勢分析(圖2)，各站年徑流量呈明顯下降趨勢。其中，華縣站流量的減少速率(0.678 6億m3/a)最大，顯著高于其他兩個站點(diǎn)。采用M-K趨勢檢驗方法分析，渭河年徑流呈現(xiàn)顯著下降趨勢(p<0.05)，狀頭站的統(tǒng)計量-4.01，在3個站中年際變化最為明顯，徑流量顯著減小，其次為華縣站，咸陽站較前兩者變化最小。

圖2 渭河流域3站年徑流量變化及趨勢

3.2 年徑流突變特征

圖3為咸陽、華縣和狀頭水文站年徑流量累積距平曲線。由圖可知，各站年徑流量累積距平曲線形狀較為相似，咸陽和華縣站年徑流量在1965—1993年呈上升趨勢，此后呈下降趨勢，兩站突變年份均為1993年。狀頭站年徑流量在1965—1994年呈上升趨勢，此后呈下降趨勢，其突變年份為1994年。以突變年份為分界點(diǎn)，可將水文序列劃分為基準(zhǔn)期與變化期，基準(zhǔn)期代表水文序列受人為活動影響較小，而變化期則受人類活動影響顯著。

3.3 流域水文指標(biāo)變化

根據(jù)水文序列突變特征，采用水文改變指標(biāo)法和變化范圍法分別計算基準(zhǔn)期和變化期的水文變異指標(biāo)。表2展示了5組指標(biāo)的具體變化特征。

圖3 渭河流域3站徑流量累積距平突變

表2 渭河流域各站33個IHA指標(biāo)改變度及變化率

(1) 各月中值流量變化：由表2可知，3站各月中值流量變異程度存在一定差異，與基準(zhǔn)期相比，咸陽站各月中值流量均呈減小趨勢，尤其是雨季，如7月份平均徑流為122 m3/s減少至變化期的43.1 m3/s；華縣站除1月、12月徑流量分別增加2%和52%外，其余月份均減小，且4月、9月流量減少量最大；狀頭站各月中值流量均呈減小趨勢，6月流量的變化率最小為23%，其余各月流量變化率均在30%～50%。咸陽站各月中值流量發(fā)生中改變度居多，而6月、7月、11月份改變度大于67%，均屬于高改變度；1月、2月、8月份改變度小于33%，均屬于低改變度。華縣站僅6月中值流量變化最為劇烈，屬于高改變度。狀頭站僅4月、7月份均為高改變度

(2) 年極端流量大小：咸陽站年極端流量中值在1993年后均有不同程度減小，年均90 d最大流量的減少量最多；僅年均1 d，30 d最大流量水文改變度為高改變度。華縣站年均1 d，3 d，30 d最小流量中值呈增加趨勢，其余指標(biāo)均減??；年均最小、最大流量中值主要為高改變度。狀頭站自1994年后年極端流量中值均呈減小趨勢；3 d，7 d最小流量均為高改變度，且7 d最小流量改變度高達(dá)100%。3站中，僅華縣站1995年11月30日發(fā)生斷流，斷流天數(shù)為低改變度(4%)，咸陽和狀頭站無斷流天數(shù)。相關(guān)研究表明，造成華縣站斷流的原因可能是進(jìn)入90年代后渭河水沙偏枯，流量減少，高含沙小洪水增多且潼關(guān)高程居高不下，導(dǎo)致渭河下游河道發(fā)生明顯萎縮[15]。

(3) 年極端流量發(fā)生時間：在變化期，咸陽與華縣站年最小流量出現(xiàn)時間分別提前了15 d和3 d，而年最大流量出現(xiàn)時間分別推遲了1 d和6 d。狀頭站每年極端流量出現(xiàn)時間均推遲。3站年極端流量發(fā)生時間中僅狀頭站最小流量出現(xiàn)時間為38%，屬于中改變度，其余均為低改變度。3站基流指數(shù)較突變前僅狀頭站呈減小趨勢。

(4) 高、低流量的頻率及歷時：咸陽、華縣和狀頭站的高流量脈沖次數(shù)與歷時中值均減小，低流量脈沖次數(shù)均增加，而咸陽站和狀頭站的低流量脈沖歷時中值減小，華縣站的低流量脈沖歷時中值增加。咸陽站高、低流量脈沖次數(shù)與歷時中值均為低改變度。華縣站僅高流量脈沖次數(shù)為中改變度，其余均為低改變度。3站中僅狀頭站低脈沖歷時中值變化最為明顯，水文改變度達(dá)75%，為高改變度，低流量脈沖次數(shù)與高流量脈沖歷時中值為中改變度。

(5) 流量變化改變率及頻率：突變后，各站流量變化率中值均減小，每年流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)中值均增加。咸陽站流量變化率中值水文改變度超過80%，在3站中變化最為顯著，屬于高改變度；華縣站和狀頭站流量的逆轉(zhuǎn)次數(shù)增加幅度顯著，改變度分別為89%和100%，均屬于高改變度。

3.4 整體水文改變度分析

對比3個站33個水文指標(biāo)變化情況，狀頭站的水文改變程度較咸陽和華縣站的水文改變程度更高。見圖4，受水文突變的影響，華縣站發(fā)生高(低)度改變的水文指標(biāo)所占比例最高，占24%(52%)，咸陽和狀頭站的高(低)度改變的指標(biāo)所占比例次之，分別為21%(43%)和18%(36%)；狀頭站中度改變的水文指標(biāo)所占比例最高，為46%，咸陽和華縣站的中度改變依次降低，分別為36%和24%；3個站點(diǎn)均高改變度水文指標(biāo)占比最少。

表3為咸陽、華縣和狀頭3個水文站各組指標(biāo)的整體水文改變度，表中H，M和L分別表示高、中和低改變度。分析可知，咸陽和華縣站第3，4組為均低改變度，第1，2組為中改變度，僅第5組為高改變度。狀頭站第2，3組為低改變度，其余各組均為中改變度，無高改變度組。采用RVA法計算的咸陽、華縣和狀頭站的整體水文改變度D0分別為48%，46%和50%，均屬于中改變度。表明突變后，3站的水文指標(biāo)發(fā)生較為顯著的改變。

圖4 渭河流域3站不同等級變化度所占比例

表3 各水文站流量序列整體水文改變度

3.5 水文情勢變化歸因分析

采用雙累積曲線法量化人類活動與降雨因素對渭河流域水文情勢的影響程度。由圖5可知，3個站的徑流—降雨關(guān)系曲線斜率發(fā)生偏移時間與累積距平計算結(jié)果一致。通過徑流—降雨雙累積曲線回歸分析，計算得到突變前后兩個時段內(nèi)各站降雨與人類活動對徑流變化的貢獻(xiàn)(表4)。咸陽、華縣和狀頭站的徑流計算值均遠(yuǎn)大于實測值，說明流域的徑流量受人類活動的影響比氣候變化更加顯著。華縣站，人類活動與降雨對徑流減少的貢獻(xiàn)率分別為74.24%和25.76%；而咸陽站和狀頭站，人類活動對徑流減少的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降雨的貢獻(xiàn)率，分別為90.32%和96.41%。

圖5 3站1965-2018年降雨—徑流雙累積曲線

4 討 論

在氣候變化與人類活動共同作用下，流域水文情勢發(fā)生顯著變化，干旱地區(qū)河川徑流量銳減[16]。研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)烈的人類活動是導(dǎo)致渭河河川徑流銳減的主要影響因素。20世紀(jì)70年代以來渭河流域修建了大量的水利工程。截至2000年底，渭河流域已修建大、中及小型水庫302座，總庫容達(dá)27.3億m3，興利庫容為15.5億m3[17]。汛期通過壩庫工程調(diào)蓄洪水，降低洪峰流量，延長泄洪滯時，非汛期通過水庫調(diào)度，增加枯季流量，進(jìn)而調(diào)整徑流年內(nèi)分配，對河流水文情勢產(chǎn)生影響。渭河年徑流量呈顯著下降趨勢，但I(xiàn)HA指標(biāo)減小幅度不大，整體改變度為中度改變，月中值流量在汛期減少而非汛期略有增加，同時一定程度上減少了高脈沖發(fā)生的次數(shù)，對枯水期的影響尤為明顯[18]。

同時，渭河中下游累積建成引水工程2 600余處，有效灌溉面積達(dá)121萬hm2[17]，其中大型灌區(qū)9處，如寶雞峽灌區(qū)、交口抽渭灌區(qū)等，因此農(nóng)業(yè)灌溉是改變河川徑流的主要因素之一。

表4 不同時段降水與人類活動對各站的徑流減少貢獻(xiàn)分析

渭河是黃河泥沙主要貢獻(xiàn)支流之一。1957—2000年，多年平均輸沙量為3.52億t，占龍門—潼關(guān)區(qū)間河段輸沙高達(dá)98.9%[19]。為有效減少入黃泥沙，渭河流域?qū)嵤┝舜笠?guī)模的梯田[20]、淤地壩建設(shè)[21]、退耕還林(草)等[22]水土保持措施，這些措施極大的改變了流域坡面與溝道的水文過程，進(jìn)而改變了河川徑流的水文情勢。截至2006年，全流域興修梯田206萬hm2，造林種草325萬hm2，淤地壩壩控面積1.41萬hm2[23]。渭河上游分布大面積的梯田，其有效的改變了地表坡度，縮短坡長，攔蓄地表徑流，增加地表入滲。退耕還林(草)措施使得渭河流域林草植被覆蓋率顯著提高，如北洛河上游林草植被覆蓋率由70年代的24.3%增加至2013年的53%[23]。植被蓋度與豐富度的增加，顯著提高了冠層降雨截留，減少達(dá)到地面的雨量[24]；林下枯枝落葉層增加土壤濕度和水分入滲量，同時增大了地表匯流阻力，降低流速，延長匯流時間，進(jìn)而減少地表徑流。

5 結(jié) 論

本文利用渭河流域咸陽、華縣及狀頭3個代表性水文站1965—2018年實測徑流資料，采用線性回歸法、Mann-Kendall法、累積距平法及雙累積曲線法對渭河流域徑流變化特征及其驅(qū)動因素進(jìn)行了分析，結(jié)合IHA-RVA法綜合評估渭河流域3站突變前后水文指標(biāo)改變程度，分析揭示水利工程建設(shè)、水土保持生態(tài)建設(shè)等人類活動對水文情勢的影響。取得如下結(jié)論：

(1) 渭河主干和子流域北洛河流域年徑流量呈顯著減少趨勢，干流咸陽站和華縣站分別減少5.5×107m3/a和6.8×107m3/a，北洛河流域減少速率為8.0×106m3/a。咸陽和華縣水文站年徑流量變化突變年份為1993年，狀頭站年徑流量變化突變年份為1994年。

(2) 咸陽、華縣和狀頭站水文綜合改變度分別為48%，46%，56%，均屬于中等改變度。較突變點(diǎn)前，咸陽站流量變化改變率及頻率為高度改變度，各月中值流量均呈下降趨勢，4—7月中值流量變化幅度較大；華縣站IHA指標(biāo)減少幅度不顯著，月中值流量在汛期減少而非汛期增加，高脈沖發(fā)生的次數(shù)減少；狀頭站各月中值流量、年極端流量均不同程度減少，水文情勢變化對4月、7月中值流量與3 d，7 d最小流量、流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)為高改變度。

(3) 人類活動是引起河川徑流變化的主要原因，水利工程可以有效調(diào)節(jié)徑流年內(nèi)分配，起到減洪補(bǔ)枯的作用；農(nóng)業(yè)灌溉引水工程改變原有水流路徑的同時顯著減少河川徑流量；退耕還林(草)措施等水土保持措施攔蓄地表徑流，增加降雨入滲，對河道徑流的影響主要以減水作用為主。