近60年來渭河甘肅段徑流演變及驅(qū)動因素

田晉華, 李正勤, 柯浩成, 梁 靚, 田孟涵, 高金芳

(1.甘肅省水利廳 蘭州水土保持科學(xué)試驗(yàn)站, 蘭州 730020; 2.蘭州理工大學(xué), 蘭州 730050)

水資源是影響流域環(huán)境的重要因素。近年來，全球性的氣候變化改變了流域水文循環(huán)態(tài)勢[1]。另一方面，人類活動諸如水利工程、水土保持工程等直接或間接地影響到流域產(chǎn)匯流過程，其中以黃土高原渭河流域等最為典型。一般認(rèn)為，徑流過程受氣候變化及人類活動的綜合影響[2]，因此明確區(qū)分徑流變化原因有助于科學(xué)認(rèn)識水文過程，為指導(dǎo)地區(qū)水資源利用與管理提供科學(xué)依據(jù)。

徑流變化驅(qū)動因素響應(yīng)一直是行業(yè)研究的熱門問題，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于氣候變化及人類活動對徑流過程的影響進(jìn)行了大量研究。張建云等[3]通過模型場景預(yù)測，分析了徑流對氣候變化的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)氣溫升高和降水減少導(dǎo)致黃河中游徑流減少。劉廷璽等[4]分析1957—2010年遼河流域徑流變化，定量研究徑流驅(qū)動因素響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)不同站點(diǎn)徑流變化對氣候變化與人類活動影響的響應(yīng)程度差距較大。郭愛軍等[5]研究表明近50 a人類活動對渭河徑流減少的貢獻(xiàn)率接近70%。岳永杰等[6]研究發(fā)現(xiàn)降水是根河徑流變化的主要原因，但不同時期徑流對降水量的響應(yīng)不同。龔珺夫等[7]研究延河流域徑流過程響應(yīng)過程，發(fā)現(xiàn)人類活動對徑流減少的貢獻(xiàn)率達(dá)到56%，地區(qū)暖干化趨勢明顯。Li等[8]對漢江的研究表明氣候變化是各季徑流變化的主導(dǎo)因素，氣候變化與人類活動對徑流的影響呈現(xiàn)明顯的季節(jié)動態(tài)性。Mwangi等[9]對肯尼亞馬拉河流域的研究表明土地利用變化對徑流影響貢獻(xiàn)率達(dá)到97.5%。Yan等[10]通過VIC模型研究灤河流域，發(fā)現(xiàn)人類活動主要影響汛期徑流，耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地對徑流變化有巨大影響。由此可見，氣候變化與人類活動對不同地區(qū)徑流的影響差距較大。

現(xiàn)有渭河徑流變化及驅(qū)動因素影響的研究一般都集中于渭河關(guān)中段，對于渭河甘肅段鮮有涉及。研究渭河甘肅段水文氣象要素的演變及驅(qū)動因素的響應(yīng)，對甘肅省東南部水土保持與水資源高效利用具有十分重要的意義。

本文以渭河甘肅段為研究區(qū)域，分析地區(qū)徑流變化特征規(guī)律，在此基礎(chǔ)上計(jì)算氣候變化與人類活動對渭河徑流變化的貢獻(xiàn)率，為地區(qū)水土保持工作及水資源高效可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

渭河發(fā)源于甘肅省渭源縣，是黃河最大支流，其干支流經(jīng)陜甘寧三省，于陜西潼關(guān)匯入黃河。渭河干流全長818 km，流域總面積13.48萬km2，其中甘肅省境內(nèi)干流長316 km，北道站以上254 km，控制面積2.49萬km2。流域?qū)儆跍貛Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，大陸性氣候特征顯著，降水年內(nèi)分布差異大，主要集中在7—9月。渭河甘肅段區(qū)域年降水量400～600 mm，年平均氣溫4～10℃[11]。研究區(qū)位置見圖1。

圖1 研究區(qū)概況示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文選取渭河干流北道水文站1953—2010年的月徑流資料數(shù)據(jù)，資料來自于甘肅省水資源公報(bào)。北道站是渭河甘肅段的控制站點(diǎn)，可以較好的反映渭河甘肅段的徑流特征。氣象數(shù)據(jù)資料選擇1953—2010年天水、華家?guī)X、崆峒3個站點(diǎn)月氣象數(shù)據(jù)資料，數(shù)據(jù)來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)。土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)選用1980年與2010年30 m土地利用數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來自于地理國情監(jiān)測云平臺(http:∥www.dsac.cn/)。

1.3 研究方法

1.3.1 Mann-Kendall法 Mann-Kendall法[11]是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，其應(yīng)用不受個別異常值的干擾，計(jì)算過程簡便，因此適用于水文氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，可用來分析水文氣象時間序列趨勢性與變異性。

構(gòu)造時間序列x的秩序列Sk

(1)

式中:Sk是第i時刻數(shù)值大于第j時刻數(shù)值個數(shù)的累計(jì)數(shù),i≥j。

定義統(tǒng)計(jì)量

(2)

式中：

(3)

(4)

其計(jì)算步驟為(1) 分別構(gòu)造順序與逆序時間序列的秩序列Sk，計(jì)算對應(yīng)UFk與UBk。(2) 給定置信度α，若UFk>Uα/2，證明通過置信度為α的顯著性檢驗(yàn)，時間序列趨勢顯著。(3) 繪制UFk與UBk兩條曲線，臨界區(qū)間內(nèi)的曲線交點(diǎn)為潛在突變發(fā)生時刻。

1.3.2 R/S分析法 Mann-Kendall檢驗(yàn)只能對已有數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢性判斷，如對未來趨勢進(jìn)行判斷，則需要利用Hurst系數(shù)。R/S分析法[12]定義了定義極差R與標(biāo)準(zhǔn)差S。其比值即

R(t)/S(t)=(Ct)H

(5)

式中:H為Hurst指數(shù),通過線性回歸分析即可求取H。

H>0.5，未來變化表現(xiàn)為與原有趨勢一致的正持續(xù)性，H越大，正持續(xù)性越強(qiáng)。H=0.5，則代表未來序列隨機(jī)獨(dú)立。如果0≤H<0.5，則代表反持續(xù)性。

1.3.3 累積距平法 累積距平法[13]可根據(jù)圖像曲線變動直觀判斷數(shù)據(jù)變化。對于序列x，其t時刻的累積距平值表示為

(6)

1.3.4 變差系數(shù)Cv變差系數(shù)Cv[14]是評價數(shù)據(jù)離散程度的相對指標(biāo)，一般用來分析數(shù)據(jù)波動情況。Cv值越大，代表數(shù)據(jù)變化幅度越大。其計(jì)算公式為

(7)

式中:Ki為模比系數(shù),即實(shí)測序列與均值的比值。

1.3.5 小波分析 小波分析[15]可以通過變換突出時間序列中的多種變化周期，因此用來分析水文氣象要素的周期性變化。在水文氣象要素分析中選擇小波函數(shù)時，一般選擇復(fù)Morlet小波函數(shù)做為基函數(shù)。為降低噪聲影響需要先對水文要素作標(biāo)準(zhǔn)化處理，其標(biāo)準(zhǔn)化方法如下[16]:

(8)

1.3.6 累積量斜率變化率法 累積量斜率變化率法[17]是一種定量分離出氣候變化和人類活動對徑流量變化的貢獻(xiàn)率的方法，該方法通過計(jì)算基準(zhǔn)期與人類活動影響期各累積量斜率變化率與徑流累積量斜率變化率的比值，從而計(jì)算各因素變化對徑流變化影響的貢獻(xiàn)率。

將基準(zhǔn)期定為a時期，影響期定為b時期，則前后兩個時期的徑流量為SRa與SRb，氣溫分別為STa與STb，降水分別為SPa與SPb。設(shè)降水對徑流變化的貢獻(xiàn)率為CP，氣溫對徑流變化貢獻(xiàn)率為CT，人類活動對徑流變化貢獻(xiàn)率Ch=1-CP-CT。其中

CP=(SPa-SPb)/|SPb|/((SRa-SRb)/|SRb|)×100%

(9)

CT=-(STa-STb)/|STb|/((SRa-SRb)|SRb|)×100%

(10)

2 結(jié)果與分析

2.1 渭河水文氣象要素變化

2.1.1 渭河甘肅段徑流變化特征 對渭河甘肅段水文氣象要素年際變化特征值進(jìn)行計(jì)算處理，其詳細(xì)結(jié)果見表1，表2。渭河近58年年徑流量平均值為11.06億m3，最大年徑流量為30.34億m3(1967年)，最小年徑流量僅1.287億m3(1997年)。通過線性回歸分析對渭河甘肅段年徑流趨勢進(jìn)行了判斷，其結(jié)果見圖2，由圖2可知，渭河甘肅段徑流量年際整體呈現(xiàn)下降趨勢，年徑流量以0.2億m3/a的速度減少。徑流序列Mann-Kendall檢驗(yàn)通過置信水平α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，Hurst指數(shù)H=0.87，表明未來一段時間內(nèi)徑流仍會呈現(xiàn)下降趨勢，且下降趨勢十分強(qiáng)烈。

表1 渭河甘肅段徑流降水氣溫年際變化特征值

表2 水文氣象要素趨勢分析相關(guān)參數(shù)

2.1.2 渭河甘肅段降水變化特征 渭河甘肅段近58年平均年降水量499.84 mm，其年際變化情況見圖3。由圖3可知，渭河甘肅段年降水量整體呈下降趨勢，平均以1.52 mm/a的趨勢減少。降水序列Mann-Kendall檢驗(yàn)通過置信水平α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，Hurst指數(shù)H=0.72，證明降水量未來下降趨勢依然較為顯著。

圖2 徑流量年際趨勢

2.1.3 渭河甘肅段氣溫變化特征 近58 a來，渭河流域甘肅段年平均氣溫為7.88℃，其年際變化情況見圖4，由圖4可知流域平均氣溫呈上升趨勢，其H=0.76，表明趨勢性較強(qiáng)。年平均最低氣溫序列H=0.88，趨勢性十分強(qiáng)烈，年平均最高氣溫序列H=0.67，趨勢性較強(qiáng)，3個特征值Mann-Kendall檢驗(yàn)均通過置信水平α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，其中最低氣溫上升對于氣溫升高的貢獻(xiàn)更大，未來氣溫整體依然會延續(xù)顯著上升趨勢，與全球變暖背景相對應(yīng)。

圖3 降水量年際趨勢

圖4 年平均氣溫年際趨勢

2.1.4 渭河甘肅段水文氣象要素趨勢預(yù)測 通過R/S分析法對渭河甘肅段徑流、降水及氣溫序列進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)計(jì)算其Hurst指數(shù)均大于0.5，其中徑流序列H=0.87，降水序列H=0.72，平均氣溫序列H=0.88，3個特征均表現(xiàn)為強(qiáng)正持續(xù)性，即未來的水文氣象要素總體變化趨勢與過去趨勢相一致。結(jié)合Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為未來一段時期內(nèi)，渭河流域甘肅段整體會沿著氣溫升高、徑流減少的趨勢發(fā)展。

2.2 渭河甘肅段水文氣象要素變異特征

2.2.1 渭河甘肅段徑流變異特征 繪制年徑流累積距平曲線判斷變異點(diǎn)見圖5。由圖5可以看出，1986年與1991年前后，累積距平值出現(xiàn)了趨勢變化，由增加轉(zhuǎn)為減少。

通過Mann-Kendall法對徑流序列進(jìn)行變異點(diǎn)的識別，取置信水平α=0.05，U(0.05/2)=1.96，繪制Mann-Kendall檢驗(yàn)曲線圖，其結(jié)果見圖6。由圖6可知，UF與UB兩條曲線在1991年前后相交，交點(diǎn)處于兩條臨界線之內(nèi)，因此可以認(rèn)為徑流序列突變發(fā)生在1991年。

圖5 徑流量累積距平

圖6 徑流Mann-Kendall檢驗(yàn)

2.2.2 渭河甘肅段降水變異特征 繪制降水累積距平曲線見圖7。由圖7可知，渭河甘肅段降水量累積距平值在1991年前后發(fā)生趨勢改變，認(rèn)為1991年為降水序列突變年。

通過Mann-Kendall法對徑流序列進(jìn)行變異點(diǎn)的識別，取置信水平α=0.05，U(0.05/2)=1.96，繪制降水序列Mann-Kendall檢驗(yàn)曲線圖，其結(jié)果見圖8。由圖8可知，渭河甘肅段降水序列在置信區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)了多個交點(diǎn)，表明研究期內(nèi)存在多個潛在變異點(diǎn)。

圖7 降水累積距平

圖8 降水Mann-Kendall檢驗(yàn)

2.2.3 渭河甘肅段徑流變異年份 有研究表明，進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，渭河流域出現(xiàn)干旱，且持續(xù)時間較長[18]。綜合徑流與累積距平曲線、Mann-Kendall檢驗(yàn)曲線及實(shí)證分析，認(rèn)為降水與徑流均于1991年發(fā)生了突變。因此將1953—1990年認(rèn)為是受人類活動影響較小的基準(zhǔn)期，1991—2010年為人類活動影響期。

2.3 渭河甘肅段徑流周期性變化

通過Matlab的小波分析工具箱[19]，計(jì)算處理序列的小波系數(shù)實(shí)部和小波方差，制作小波系數(shù)實(shí)部值等值線圖與時間尺度小波方差圖，分別見圖9—10。小波系數(shù)實(shí)部值的正負(fù)代表年徑流量豐枯，正值為豐水年，負(fù)值為枯水年，小波方差出現(xiàn)峰值的時間尺度即為徑流變化的周期。小波方差的峰值越大，則代表該尺度的周期性越明顯[20]。

分析小波系數(shù)實(shí)部等值線圖，研究發(fā)現(xiàn)徑流序列存在18～23 a，8～18 a，3～4 a等3個時間尺度的周期特征，小波方差圖中存在3 a，14 a以及23 a等3個明顯的峰值，與小波系數(shù)實(shí)部等值線圖相對應(yīng)。其中3 a尺度的變化在六七十年代表現(xiàn)穩(wěn)定，23 a尺度的變化在1975年后表現(xiàn)穩(wěn)定。14 a尺度對應(yīng)小波方差最大峰值，說明14 a尺度左右的周期性更強(qiáng)，徑流序列周期變化主要受14 a尺度周期控制，整個58 a在14 a時間尺度上經(jīng)歷了約3個豐—枯轉(zhuǎn)換周期。渭河徑流序列在近58 a內(nèi)存在明顯的豐枯變化，上述3個周期控制著徑流序列在整個研究時間區(qū)間內(nèi)的的變化特征，周期性特征顯著。

圖9 徑流小波系數(shù)實(shí)部等值線

圖10 小波方差

2.4 渭河甘肅段徑流變化影響因素定量分析

利用高橋蒸發(fā)模型[21]對地區(qū)蒸發(fā)量進(jìn)行估算，發(fā)現(xiàn)渭河甘肅段年平均蒸發(fā)量為363 mm/a，整體蒸發(fā)量呈現(xiàn)微弱下降態(tài)勢，線性回歸方程系數(shù)b=-0.312 4，蒸發(fā)量以每年0.3 mm的速度減少，相較于蒸發(fā)總量，可認(rèn)為蒸發(fā)量變化不明顯。降水量的減少直接導(dǎo)致徑流量的減少，由于蒸發(fā)量相對變化不大，而徑流資料變動比氣象資料變動更劇烈，由此定性推測人類活動影響在其中發(fā)揮較大作用。

研究采用累積量斜率變化率法定量計(jì)算各種影響因素對徑流變化的貢獻(xiàn)率，該方法計(jì)算方便，已在黃河流域與黑河流域有較好應(yīng)用[22]。

渭河流域甘肅段人類活動影響期較基準(zhǔn)期相比，徑流量下降8.02億m3，下降率高達(dá)57.99%。降水量影響期較基準(zhǔn)期下降61.97 mm，下降率為11.89%。年平均氣溫上升0.9℃，上升率為11.89%(表3)。

不同時期各影響要素累積線性擬合方程見表4，對影響因素貢獻(xiàn)率進(jìn)行定量分析，發(fā)現(xiàn)氣候變化貢獻(xiàn)率為37.57%(降水貢獻(xiàn)15.99%，氣溫貢獻(xiàn)21.58%)，人類活動影響貢獻(xiàn)率高達(dá)62.43%?？梢钥闯觯谖己痈拭C段，人類活動的對徑流減少的影響極為顯著。

表3 基準(zhǔn)期與人類活動影響期多年平均值變化

表4 不同時期累積量線性擬合方程

3 討 論

3.1 氣候變化對渭河甘肅段徑流的影響

氣候變化是改變徑流的主要因素。一般來說，徑流量與降水量成正相關(guān)，與氣溫呈負(fù)相關(guān)[23]。降水減少直接導(dǎo)致徑流減少，氣溫變化與潛在蒸發(fā)量成正相關(guān)關(guān)系[24]，氣溫升高，區(qū)域內(nèi)的潛在蒸發(fā)量增加。夏軍等[25]研究表明渭河流域自1956—2000年干旱程度逐漸加深，氣溫增高導(dǎo)致徑流系數(shù)減小，且認(rèn)為氣候的暖干化將人類活動的不利影響進(jìn)一步放大。研究表明，渭河甘肅段近58年來年降水量下降78.3 mm，年平均氣溫上升1.44℃，兩個特征變化趨勢均對徑流減少有正向作用。

3.2 人類活動對渭河甘肅段徑流的影響

人類活動對徑流減少的影響主要體現(xiàn)在兩個方面，直接方面如人類大規(guī)模取水、調(diào)水工程等，導(dǎo)致徑流量的直接減少，間接方面在于人類活動例如城市地面硬化、水土保持工程等，改變了下墊面土地利用情況，影響到流域產(chǎn)匯流進(jìn)而改變徑流量[26]。

本文選取基準(zhǔn)期(1980年)與影響期(2010年)的土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，制作土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣分析基準(zhǔn)期與影響期的土地利用變化情況，以分析人類活動對于徑流變化的影響(表5)。

表5 渭河甘肅段1980-2010年土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣 km2

從土地利用轉(zhuǎn)移矩陣中可以看出，從1980—2010年，渭河甘肅段建設(shè)土地面積顯著增加，增加幅度為25.37%，建設(shè)土地增加對應(yīng)人類聚居區(qū)的擴(kuò)大、人口增長與用水需求上升，有研究發(fā)現(xiàn)城市化背景下土地利用類型的變化是導(dǎo)致徑流變化的主要因素[10]。耕地總面積雖然減少，但是由于近年來渭河沿線諸如武山縣等大力發(fā)展蔬菜種植產(chǎn)業(yè)，加大了農(nóng)業(yè)取水量，也在一定程度上導(dǎo)致渭河徑流量的減少。區(qū)域內(nèi)林草總面積增加，植被通過增加降雨入滲、攔蓄徑流影響地表徑流[27]，導(dǎo)致地表徑流減少。此外，多年來渭河流域修建了眾多淤地壩，新修淤地壩具備攔蓄功能，淤地壩淤滿后則具備減洪作用[28]，綜合來看，黃土高原地區(qū)水土保持措施對徑流量的減少有促進(jìn)作用[29]。

4 結(jié) 論

(1) 渭河甘肅段水文氣象要素特征分析表明，地區(qū)年徑流呈現(xiàn)極顯著下降趨勢，年降水呈現(xiàn)不顯著下降趨勢，年均氣溫呈現(xiàn)顯著上升趨勢。年徑流序列存在明顯突變，突變年份為1991年。氣溫、降水和徑流變化均表現(xiàn)為正持續(xù)性，未來一段時間內(nèi)渭河流域甘肅段整體會沿著氣溫增加、徑流減少的趨勢發(fā)展。

(2) 渭河甘肅段徑流周期性分析表明，年徑流變化呈現(xiàn)明顯的周期性，存在3 a，14 a，23 a共3個時間尺度的周期特征，其中14 a的的時間尺度為第一主周期，徑流在過去58 a經(jīng)歷了約3個豐—枯轉(zhuǎn)換期。

(3) 渭河甘肅段徑流驅(qū)動因素分析表明，人類活動影響期較基準(zhǔn)期，多年平均徑流量減少8.02億m3，下降57.99%。其中氣候變化對徑流減少的貢獻(xiàn)率為37.57%(降水貢獻(xiàn)15.99%，氣溫貢獻(xiàn)21.58%)，人類活動影響占比62.43%。