氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)西漢水上游徑流影響的定量研究

祝宗禮

(甘肅省隴南水文站, 甘肅 成縣 742500)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域水資源量時(shí)空變化的影響逐年加劇。經(jīng)濟(jì)建設(shè)速度加快,區(qū)域需水量大幅度增加,相關(guān)研究顯示,全球200條河流中,22%的河流徑流呈逐年顯著減少趨勢(shì)[1-2]。水資源量的時(shí)空分布不均,已經(jīng)成為制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最主要因素,在我國(guó)西北地區(qū),這種影響更為突出,干旱氣候條件對(duì)西北地區(qū)河川徑流產(chǎn)生很大程度的影響,如何將氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)河川徑流的影響進(jìn)行量化研究,一直以來是許多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。近些年,很多新的分析技術(shù)被廣泛使用,如水保分析調(diào)查法[3-4]、水文模擬還原法[5-6],上述分析方法雖然在河川徑流變化歸因研究中取得良好效果,但模擬法存在很大的不確定性,受制于資料系列長(zhǎng)度,模擬結(jié)果得不到很好的驗(yàn)證,在模擬時(shí)天然徑流量與實(shí)際徑流量有很大偏差。王隨繼等[7]提出了累積斜率變化率法,采用現(xiàn)有的資料,通過要素斜率變化來區(qū)分氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流產(chǎn)生的影響量,被大量學(xué)者[8-12]所采用,已成為徑流變化歸因分析很有效的手段。

西漢水地處甘肅省隴南山區(qū),流域內(nèi)人類活動(dòng)頻繁,極端氣候天氣時(shí)有發(fā)生,對(duì)流域徑流產(chǎn)生不同程度的影響。陳凱等[13]采用Pearson、Correl相關(guān)系數(shù)對(duì)輸沙率與降水量、流量進(jìn)行相關(guān)性分析,分時(shí)段建立輸沙對(duì)降水、徑流響應(yīng)變化的線性和非線性回歸方程,以SSE、RMSE、R-square值分析擬合度。結(jié)果表明:西漢水流域降水、徑流對(duì)輸沙的影響程度在1993年發(fā)生突變。楊亞軍[14]采用Mann-Whitney法、Pearson相關(guān)系數(shù)法、模比系數(shù)差積曲線法對(duì)西漢水流域水沙序列變異做了診斷,研究認(rèn)為西漢水流域徑流呈逐年減少趨勢(shì),且序列在1993年后出現(xiàn)突變。申雄達(dá)[15]對(duì)1960—2020年西漢水徑流做了研究,結(jié)果表明:1960—1970年徑流呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),1970—2020年徑流量基本呈現(xiàn)減少的趨勢(shì),整體呈減少的趨勢(shì)。由此可見,關(guān)于西漢水徑流泥沙方面的研究屬于熱點(diǎn),但是針對(duì)西漢水上游徑流的變化歸因研究較少。西漢水上游是指大橋水文站以上流域,上游區(qū)屬于西秦嶺與黃土高原交匯區(qū),地勢(shì)平坦,多為河谷平原,人口稠密,水電站密度較大。因此,對(duì)上游區(qū)的徑流變化進(jìn)行歸因分析很有必要。上述文獻(xiàn)在徑流變化研究方面雖取得了一定的研究成果,但針對(duì)性稍有欠缺。本文收集了上游控制站大橋水文站實(shí)測(cè)徑流資料,在前述文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上,采用累積斜率變化率法,對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響展開定量研究,以期為流域水資源合理利用、水利工程建設(shè)提供科技支撐。本次研究對(duì)西漢水上游區(qū)水土保持、水資源規(guī)劃具有深遠(yuǎn)意義,同時(shí)可對(duì)其他流域研究徑流變化歸因提供參考。

1 研究區(qū)概況

西漢水[16]地處嘉陵江上游,是嘉陵江水系較大支流之一,發(fā)源于天水境內(nèi)的齊壽山,跨越黃土高原區(qū)和西秦嶺山地兩大地質(zhì)區(qū),發(fā)源地海拔在1951m以上,為黃土高原溝壑區(qū),甘肅省境內(nèi)河長(zhǎng)約243km,流經(jīng)天水市天水鎮(zhèn),隴南市禮縣、西和縣、康縣、成縣,于成縣鐔家壩村下游約30km處進(jìn)入陜西省略陽縣,河流上游多為河谷平原,植被覆蓋率低,人口密度大,耕地發(fā)達(dá)。為了研究需要,以成縣、西和兩縣交界為界限,以上為上游區(qū)。大橋水文站位于西和縣大橋鄉(xiāng),集水面積6491km2,為國(guó)家重要水文站,可以作為西漢水上游段的控制斷面,多年平均徑流量為7.15億m3。

2 資料及方法

2.1 資料來源

選取上游控制水文站大橋站的實(shí)測(cè)徑流資料,通過多種方法對(duì)資料系列插補(bǔ)延長(zhǎng),將其展延到1956年,序列長(zhǎng)度為1956—2021年。其中展延的資料已經(jīng)在甘肅省第三次水資源評(píng)價(jià)中使用,經(jīng)過驗(yàn)證,可以供研究使用,建站以來的實(shí)測(cè)資料均為經(jīng)過整編后的水文年鑒資料,均通過了三性審查。

2.2 研究方法

對(duì)于時(shí)間序列變異年份的識(shí)別,一種研究方法很難確定其變異時(shí)間。對(duì)大橋站的年徑流采用滑動(dòng)t檢驗(yàn)法、Pettitt檢驗(yàn)法[21]、雙累積曲線法對(duì)變異年份進(jìn)行識(shí)別,確定序列突變時(shí)間。在此基礎(chǔ)上,采用累積斜率變化率法,建立序列基準(zhǔn)期和變異期,分析氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)量。

2.2.1 滑動(dòng)t檢驗(yàn)法

滑動(dòng)t檢驗(yàn)法是通過對(duì)兩組樣本的平均值的差異是否顯著來檢驗(yàn)突變。其原理是通過兩組樣本的均值是否存在顯著差異來判斷總體平均值有無差異,當(dāng)兩組序列的均值差異超過了一定的顯著水平時(shí),可以判斷出均值發(fā)生了變化,變化點(diǎn)即為整個(gè)水文序列的突變點(diǎn)。假設(shè)x1、x2為序列突變前后的兩個(gè)序列,則構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量:

2.2.2 Pettitt檢驗(yàn)法

Pettitt檢驗(yàn)法的檢驗(yàn)原理與Mann-Kendall檢驗(yàn)法的原理極其相似,是一種非參數(shù)檢驗(yàn)法,其統(tǒng)計(jì)量為

假如t0時(shí)刻滿足:

kt0=max|sk|,k=2,3,…,n

則說明t0為序列突變點(diǎn),其統(tǒng)計(jì)量如下:

P=2exp[-6kt02/(n3+n2)]

假如P≤0.5,則認(rèn)為該點(diǎn)為序列的突變點(diǎn)。

2.2.3 累積斜率變化率法

累積斜率變化率法是在雙累積曲線法的基礎(chǔ)上,以其因變量累積值的斜率變化情況來分辨對(duì)變量的影響程度的一種辦法。這種方法不但可以通過兩組序列的雙累積曲線識(shí)別序列的突變時(shí)間,還可以通過斜率變化率識(shí)別因變量與自變量之間的受影響程度,假設(shè)降水量的累積斜率為Kp,累積徑流量斜率為KR,氣候變化貢獻(xiàn)率為Cp,人類活動(dòng)貢獻(xiàn)率為CH,其計(jì)算公式如下:

CP=|KP/KR|×100%

CH=1-CP

式中:YRa和YRb分別為拐點(diǎn)前后變量的斜率;YPa和YPb分別為累積降水量在拐點(diǎn)前后的斜率。

3 結(jié)果與分析

3.1 年徑流變異診斷

圖1 西漢水上游徑流量滑動(dòng)t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)曲線

圖2 西漢水上游徑流量Pettitt檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)曲線

西漢水流域在1984年暴發(fā)了特大暴雨洪水,由于上游地質(zhì)條件屬黃土區(qū),本次洪水對(duì)河流的沖刷力度較大,對(duì)徑流造成了很大影響,徑流有可能在1985年以后出現(xiàn)突變,加之上游支流水量豐富,1990年后加快水利工程建設(shè),對(duì)徑流也造成了影響。因此,上述兩種檢驗(yàn)方法還不能更好地識(shí)別徑流序列的變異時(shí)間,在此繼續(xù)引入雙累積曲線法,相對(duì)上述兩種檢驗(yàn)方法,雙累積曲線法更具優(yōu)點(diǎn),對(duì)序列的變異轉(zhuǎn)折表現(xiàn)得相對(duì)明顯。對(duì)徑流轉(zhuǎn)折點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別,確定其變異時(shí)間,為進(jìn)一步量化分析氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響打下基礎(chǔ)。

采用GIS軟件進(jìn)行鄰域分析,對(duì)流域內(nèi)降水量進(jìn)行垂直平分(泰森多邊形)插值計(jì)算,得到西漢水上游多年平均降水量。點(diǎn)繪多年平均降水量-徑流量雙累積曲線,見圖3。

圖3 西漢水上游多年平均降水量-徑流量雙累積曲線

從圖4中不難看出,徑流序列出現(xiàn)了兩個(gè)很明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。經(jīng)分析,這兩個(gè)點(diǎn)分別是1969年、1993年,也就是說序列在1969年、1993年出現(xiàn)了突變。將上述三種變異檢驗(yàn)結(jié)果歸納統(tǒng)計(jì)于表1。三種檢驗(yàn)方法均顯示1993年出現(xiàn)變異,綜合三種方法,最終確定1969年、1993年為序列的變異時(shí)間。檢驗(yàn)結(jié)果與陳凱等[13]、楊亞軍[14]、申雄達(dá)[15]等學(xué)者研究結(jié)果基本一致。

表1 三種檢驗(yàn)方法變異時(shí)間統(tǒng)計(jì)

圖4 西漢水上游年徑流分時(shí)段降水量-徑流量雙累積曲線

3.2 基準(zhǔn)期、變異期時(shí)段劃分

采用累積斜率變化率法分析氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響,是在基準(zhǔn)期、變異期時(shí)段劃分的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。根據(jù)圖4給出的結(jié)論,對(duì)年徑流序列進(jìn)行基準(zhǔn)期、變異期確定。最終確定1956—1968年為基準(zhǔn)期,考慮到1969年序列已經(jīng)變異,1969—1992年、1993—2020年為變異期,基準(zhǔn)期記作Ja,變異期分別記作Ba1、Ba2。

3.3 氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流影響的定量分析

按照3.2中的基準(zhǔn)期、變異期的時(shí)段劃分,將降水量(P)-徑流量(Q)雙累積曲線分點(diǎn)繪為1956—1968年、1969—1992年、1993—2020年三個(gè)階段,西漢水上游年徑流分時(shí)段降水量-徑流量雙累積曲線見圖4。

采用累積斜率變化率計(jì)算公式計(jì)算,徑流量第一個(gè)變異期Ba1(1969—1992年)內(nèi),氣候變化、人類活動(dòng)對(duì)其影響貢獻(xiàn)率分別為45.9%、54.1%;第二個(gè)變異期Ba2(1993—2020年)內(nèi),氣候變化、人類活動(dòng)對(duì)其影響貢獻(xiàn)率分別為36.8%、65.9%。很明顯,第二個(gè)變異期Ba2受人類活動(dòng)的影響明顯要大。上述計(jì)算結(jié)果是相對(duì)于基準(zhǔn)期的絕對(duì)變化量,而相對(duì)變化量為變異期Ba2、Ba1貢獻(xiàn)率差值,則氣候變化貢獻(xiàn)率相對(duì)值為-9.1%,人類活動(dòng)貢獻(xiàn)率相對(duì)值為11.8%,說明人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響在逐年增大。基準(zhǔn)期Ja的徑流量多年平均值為10.1億m3,Ba1、Ba2的徑流量多年平均值為7.783億m3、4.919億m3,絕對(duì)減少值分別為2.316億m3、5.180億m3,相對(duì)減少值為2.864億m3。

按照氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響貢獻(xiàn)率計(jì)算,在Ba1時(shí)段,氣候變化和人類活動(dòng)的絕對(duì)影響量分別為1.063億m3、1.253億m3;在Ba2時(shí)段,氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的絕對(duì)影響量分別為1.906億m3、3.274億m3;氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流量的相對(duì)影響量分別為0.261億m3、2.603億m3。氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響貢獻(xiàn)量統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流平均值的影響統(tǒng)計(jì) 單位:億m3

4 結(jié)論及建議

本文采用滑動(dòng)t檢驗(yàn)法、Pettitt檢驗(yàn)法、雙累積曲線及累積斜率變化率法對(duì)西漢水上游的徑流變異時(shí)間做了研究,并對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流量的絕對(duì)、相對(duì)影響量進(jìn)行了計(jì)算。得出以下主要結(jié)論:

a.1993年前,西漢水上游徑流呈現(xiàn)增大趨勢(shì),1993年后,序列變異,徑流出現(xiàn)逐年減少趨勢(shì),整體呈減少趨勢(shì)。

b.經(jīng)三種方法綜合診斷,最終確定徑流量變異年份為1969年、1993年。

c.徑流量第一個(gè)變異期Ba1內(nèi),氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)其影響貢獻(xiàn)率分別為45.9%、54.1%;第二個(gè)變異期Ba2內(nèi),氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)其影響貢獻(xiàn)率分別為36.8%、65.9%。Ba1、Ba2絕對(duì)減少值分別為2.316億m3、5.180億m3,相對(duì)減少值為2.864億m3。

d.在Ba1時(shí)段,氣候變化和人類活動(dòng)的絕對(duì)影響量分別為1.063億m3、1.253億m3;在Ba2時(shí)段,絕對(duì)影響量分別為1.906億m3、3.274億m3;對(duì)徑流量的相對(duì)影響量分別為0.261億m3、2.603億m3。

e.西漢水上游屬黃土高原區(qū),農(nóng)業(yè)高度發(fā)達(dá),下一步的研究中,可加入土地利用變化量,分析徑流、輸沙量與土地利用變化之間的響應(yīng)關(guān)系,將徑流分析進(jìn)一步深入。