喬雪媛，石朋，2，陳喜，2，張志才，瞿思敏，吳淼

(1.河海大學 水文水資源學院，江蘇 南京 210098；2.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098)

在全球氣候變暖的背景之下，日益劇烈的人類活動，導致流域下墊面和水文循環(huán)特征發(fā)生了巨大變化[1]。極端氣候、水文事件的出現(xiàn)日益頻繁，對全球和區(qū)域的水資源與水安全構(gòu)成了嚴重威脅，并直接影響到人類社會的可持續(xù)發(fā)展[2]。認識一個區(qū)域的徑流變化規(guī)律，對研究該區(qū)水量平衡和合理開發(fā)水資源具有重要意義。而一個區(qū)域的干旱和洪澇災害，又與該區(qū)域河川徑流量的年內(nèi)分配密切相關(guān)，因此在關(guān)注區(qū)域徑流年際變化的同時，也應該將年內(nèi)變化納入研究范圍[3]。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第四次評估報告指出，在全球持續(xù)變暖的情況下，探索自然變化和人類活動影響下的水資源演變規(guī)律是一個新的水科學問題。國內(nèi)外許多學者在這一方面做了大量的研究工作。N M Velpuri和G B Senay[4]對1950—2009年期間美國共計62個城市流域的月降水、徑流和徑流系數(shù)資料進行了季節(jié)性Mann-Kendall趨勢檢驗，研究所覆蓋的21個主要城市中心分別發(fā)生了不同程度的趨勢變化。Daniela Anghileri[5]針對阿爾卑斯山流域1974—2010年間的實測資料，提出了使用MASH以探索水文氣候因子的變化趨勢以及對流域水資源的影響。劉健等[6]利用鄱陽湖流域1955—2003年3個主要水文站(外洲、李家渡、梅港)月徑流實測資料，采用統(tǒng)計方法和小波方法，分析近50年該流域徑流的年內(nèi)、年際和周期變化特征。魏紅義等[7]以渭河流域華縣站1956—2000年徑流資料為基礎(chǔ),運用R/S分析法，對渭河流域徑流序列進行了趨勢分析。劉睿等[8]以淮河流域上游漯河站為研究對象,采用Mann-Kendall法、里海哈林法和滑動游程檢驗法對1957—2010年的年降雨量和年徑流深序列跳躍變異進行診斷。時下也有許多針對全國大小流域徑流變化的相關(guān)研究，絕大多數(shù)都是以單個流域作為研究對象，而少有研究者將幾個各具代表性的流域放在一起對照分析，Gu Ying[9]等雖整理總結(jié)了中國主要河流的徑流變化趨勢，但并沒有進行過多的細節(jié)分析。為更具有參照性地分析流域徑流變化，本文選取渭河、淮河和北江三個處于不同氣候區(qū)的代表性流域，通過分析年內(nèi)分配不均勻系數(shù)、徑流集中度和集中期的時空變化規(guī)律，以此探討三大流域近年來的徑流變化特征，為流域水利工程建設(shè)、生態(tài)環(huán)境保護和水資源合理利用提供科學依據(jù)，具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。

1 研究方法

1.1 不均勻系數(shù)、集中度、集中期

由于氣象因素(氣溫、降水等)存在季節(jié)性變化，導致徑流也隨之發(fā)生季節(jié)性的變化。為反映徑流在年內(nèi)分配的不均勻程度，本文采用徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)[10]來分析徑流的年內(nèi)變化。年內(nèi)分配不均勻系數(shù)的計算公式為：

(1)

其中：

集中度和集中期的計算則是將一年中各月的徑流量作為向量，其徑流量的大小為向量長度，所處月份作為向量方向[12]。徑流集中度指各月徑流量按月以向量方式疊加，其各分量的合成向量占年徑流量的百分數(shù)，反映徑流量在年內(nèi)的集中程度。集中期是指各月徑流向量合成后向量所指方向?qū)脑路?，反映全年徑流量集中的重心指向的月份[13]。1～12月份對應的向量方位角分別為：0°，30°，60°，…，360°，將每個月的徑流量分解到x和y兩個方向上，得到x和y方向的分量分別為Rx和Ry：

(2)

(3)

D=arctan(Ry/Rx)

(4)

1.2 Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計檢驗法

Mann-Kendall檢驗法(以下簡稱為MK法)是一種時間序列趨勢的檢驗方法。對于時間序列X={x1,x2,…,xn},定義檢驗統(tǒng)計量S為[14]：

(5)

式中:

假設(shè)各變量獨立同分布，則統(tǒng)計量S近似服從正態(tài)分布，其均值、方差分別為：

E(S)=0

(6)

(7)

式中,m為序列中秩次相同的組數(shù)；tj為第j個秩次相同的組中所包含觀測值的個數(shù)。

當n>10時，用式(8)計算MK法的統(tǒng)計量。

(8)

當樣本數(shù)量n比較大時，UC近似服從標準化正態(tài)分布。假設(shè)序列無趨勢，給定顯著性水平α，則根據(jù)|UC|與臨界值Uα/2的比較結(jié)果判定序列趨勢的統(tǒng)計顯著性[15]。

2 研究區(qū)概況與資料

2.1 流域概況

渭河是黃河流域面積最大、水量最多的第一大支流，發(fā)源于甘肅省渭源縣鳥鼠山，全長818 km。渭河流域地處東經(jīng)103.5°～110.5°和北緯33.5°～37.5°之間，流域總面積13.48萬km2，北部為黃土高原，南部為秦嶺山區(qū)。流域地處大陸性季風氣候區(qū)、干旱地區(qū)和濕潤地區(qū)的過渡地帶，春暖干旱，夏季熱而多雨且有伏旱，秋涼濕潤，冬季氣候干燥寒冷、降水稀少。流域多年平均降水量610.4 mm，受地形等因素影響，流域降水分布由東南向西北遞減，南部秦嶺山麓降水充沛，最大年降水量在1 000 mm以上，平原地區(qū)年降水量約為500 mm[16]。

淮河流域位于長江和黃河兩流域間(東經(jīng)111.9°～121.8°，北緯30.9°～36.6°)，跨湖北、河南、安徽、江蘇、山東五省，流域面積27萬km2，是南北氣候帶的自然分界區(qū)?；春右员睂倥瘻貛^(qū)，以南屬亞熱帶區(qū)，該地區(qū)四季分明，雨熱同季，多年平均降水量888 mm左右，由于影響流域降水的水汽主要來自孟加拉灣和太平洋，因此南、東部的降水較北、西部多[17]?；春恿饔虻匦慰倯B(tài)勢為西高東低。流域西部、南部和東北部為山區(qū)、丘陵，約占總面積的三分之一；其余為廣闊平原，約占三分之二。

北江隸屬珠江水系，是珠江流域三大河流之一，發(fā)源于江西省信豐縣石碣大茅山的湞江。湞江向南流經(jīng)廣東省的南雄、始興，至韶關(guān)市與武江匯合后稱為北江。流域面積4.67萬km2，占珠江流域總面積的10.3%。北江流域?qū)賮啛釒Ъ撅L性氣候。北江流域徑流補給的主要方式是降水，多年平均降水量1 800 mm，自南向北遞減，變化范圍在1 300～2 400 mm之間[18]。北江上源的湞江，除源頭8 km左右為山地河流，大部分河段蜿蜒流動于始興-南雄盆地與仁化-丹霞盆地中。盆地里的地形以和緩的丘陵與平原為主，地勢較平緩，河流呈羽狀水系。

由上述三個流域基本概況可知，渭河、淮河、北江分別位于我國不同地理位置，有顯著的氣候差異與地貌差異，具有代表性，故選取這三個流域進行徑流變化特征分析。

2.2 資料情況

渭河流域、淮河流域、北江流域各站點實測徑流資料序列如表1所示。

表1 三大流域各站點實測徑流資料序列

在考慮資料系列的代表性等綜合因素后，選取了渭河、淮河、北江三個流域片共17個站點的逐日徑流資料進行研究。其中，渭河流域選取了華縣、林家村、咸陽、魏家堡、張家山5個控制站，淮河流域選取了班臺、蔣家集、漯河、沙潁河、王家壩、息縣、新蔡7個控制站，北江流域選取了長壩、高道、橫石、犁市、石角5個控制站。表1列出了各控制站選取徑流資料序列的起止年份。本文研究對象中渭河側(cè)重于中下游，淮河側(cè)重于上游片的分析。

3 徑流特征及趨勢分析

3.1 年內(nèi)分配特征

利用17個站點的逐日徑流資料，按式(1)計算各個站點不同時期的年內(nèi)分配不均勻系數(shù)，以年代劃分，經(jīng)整理后列于表2。

按式(3)和式(4)分別計算各站點的徑流集中度和集中期，按同樣的劃分標準，列于表3。

表2 三大流域各站點實測徑流量年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cv

表3 三大流域各站點實測徑流量集中度(Cd)與集中期(D)

由表2可以看出以下幾點。

1)三大流域的徑流年內(nèi)分配不均性具有明顯的地域性差異，北江各站點的Cv值皆未超過1.00，總體上小于淮河和渭河流域的Cv值。從大于1.00的Cv值所占的比例來看，淮河流域的比例要稍高于渭河流域。

2)年內(nèi)分配不均勻程度不僅在流域之間存在著明顯差異，流域各站點間也呈現(xiàn)不同的差異，如渭河流域中張家山的Cv值始終大于同時期的華縣和咸陽站；在淮河流域中僅有班臺站一直稍大于同時期的息縣站，其它站點之間則無明顯的大小關(guān)系；北江流域的長壩站Cv值亦始終小于同時期的高道和橫石站。

3)在自然因素和人為因素的多重影響下，各個流域的徑流年內(nèi)分配情況在近幾十年間也發(fā)生了不同程度的變化，其中淮河流域各站點的Cv值年際變化未呈現(xiàn)趨勢性，表現(xiàn)為隨年代交替變化；渭河流域中除林家村站的不均勻程度有明顯的增長趨勢，其余5個站點的Cv值皆為無趨勢性的波動變化。而北江流域的分析表明，各站點的年內(nèi)分配不均勻性皆有減小趨勢，且上世紀70年代與之前相比有明顯的減幅。

從表3可以看出以下幾點。

1)渭河流域的集中期稍晚一些，在7～9月間波動，淮河流域的集中期在6月中下旬至8月之間波動，北江流域的集中期稍早一些，處于5～7月間。流域各自站點之間總體來說比較接近，相近程度與流域的尺度和所處的地理位置有關(guān)，從表3可知北江流域各站點的集中期最為接近的。

2)三大流域的集中期沒有隨時間變化的明顯趨勢，又以北江的最為穩(wěn)定。值得注意的是，渭河流域各站點的集中期都在2000年之后達到一個新的峰值。

3)集中度的規(guī)律與不均勻系數(shù)一致，北江流域的集中度呈一定的遞減趨勢，淮河流域的站點皆無明顯的變化趨勢。

圖1列舉了渭河流域的林家村、華縣、張家山三站的不均勻系數(shù)和集中度隨時間變化趨勢圖，從圖中可以直觀看出，三個站點的Cv與Cd變化趨勢基本吻合，其中，林家村的不均勻程度增加趨勢明顯，而華縣、張家山及其余站點并未呈現(xiàn)出特定趨勢。

圖1 林家村、華縣、張家山不均勻系數(shù)(Cv)及集中度(Cd)時間序列變化圖

3.2 徑流年際變化趨勢

同樣，在氣候條件變化和人類活動影響等多重作用下，各流域的年徑流量和年內(nèi)分配也發(fā)生了一定變化，采用MK非參數(shù)統(tǒng)計檢驗法檢驗各站點的實測徑流量變化趨勢及顯著性。

按式(8)計算各月份及月平均徑流量的MK統(tǒng)計量，列于表4中，圖2給出了三大流域月平均MK值站點分布圖。

表4 三大流域各站點實測徑流量MK統(tǒng)計結(jié)果

圖2 三大流域月平均MK值站點分布圖

從表4可以看出以下幾點。

1)渭河流域的徑流年際變化趨勢明顯，年序列變化的MK統(tǒng)計量絕對值皆大于2.58，滿足99%的顯著性檢驗，呈明顯的徑流減少趨勢，其中又以林家村的趨勢最為明顯，其統(tǒng)計量達到-5.95。所有測站12個月份的月徑流量無一不呈現(xiàn)衰減趨勢，而且非汛期的MK統(tǒng)計值的絕對值明顯大于汛期的統(tǒng)計值。徑流年際變化的傾斜度與顯著性并無相關(guān)性，其中以華縣的減小程度最大，其次為咸陽站，張家山徑流減弱程度最小。

2)淮河流域徑流量總體呈不顯著的衰減趨勢，各站之間存在較大的差異，其中蔣家集月平均徑流量的MK統(tǒng)計量為-1.69，通過90%的顯著性檢驗，漯河站和沙潁河站的統(tǒng)計量分別為-2.09和-2.34，皆通過了95%的顯著性檢驗。從各月的分析結(jié)果來看，除王家壩、息縣外，其余5個測站一年至少有10個月的統(tǒng)計量為負值，表現(xiàn)為徑流量的衰減趨勢，所有測站的MK月統(tǒng)計量在12個月份中以6月份的值最大，說明淮河流域一年中徑流在6月份有最強的增加趨勢或者最弱的衰減趨勢。從空間分布格局而言，北部衰減趨勢強于流域上游地區(qū)。傾斜度與顯著性的變化具有較好的一致性，整體變化幅度較小，而流域西北部，例如沙潁河、漯河站的削減幅度較為明顯，而西南部的王家壩、息縣站則有微弱的增幅。

3)北江流域月徑流量總體呈緩慢增長的趨勢，以1月份增幅最為明顯；其中犁市站全年12月MK統(tǒng)計量皆為正值，并且月平均的MK統(tǒng)計量達到2.32，通過95%的顯著性檢驗，其余4個測站在5、6月份皆出現(xiàn)了徑流衰減的趨勢；北江流域各站點非汛期MK統(tǒng)計量的明顯大于汛期的值，干流西北側(cè)增加趨勢較東南側(cè)更為明顯。流域所有站點傾斜度皆為正值，除表現(xiàn)出最大的年徑流增幅的橫石站，其余站點顯著性與傾斜度具有較好的相關(guān)性。

3.3 徑流響應分析

近40年來渭河流域年均氣溫逐年升高趨勢明顯，到90年代平均氣溫急劇上升，冬季上升最顯著，整體上來從東向西、從南向北遞減的趨勢。徑流與氣溫變化呈負相關(guān)關(guān)系，即氣溫的升高會導致徑流的減少。流域大部分地區(qū)潛在蒸散量呈增大趨勢，空間上呈現(xiàn)出由東北向西南遞減[19-20]。流域年內(nèi)降水集中在夏季和秋季，年降水量從1951—2009年有逐年下降的趨勢。1990年后降水量急劇下降且變化明顯。序列分析表明，氣候因素和人類活動的影響對渭河徑流量的影響基本各占1/2，變化期相對基準期的年平均徑流變化量中，氣候因素貢獻率為49.0%，人類活動貢獻率占51.0%[21]。氣候變化對徑流的影響主要表現(xiàn)為變化期降水減少45.9 mm，潛在蒸散增加35.0 mm[21]。自1970 年以來，由于流域開展了大規(guī)模的水利水保工程建設(shè)，如寶雞峽灌溉工程、交口抽渭灌溉工程、馮家山水庫和石頭河水庫等一批大型灌區(qū)和水庫的建設(shè)，人類對水資源的需求不斷加大，工農(nóng)業(yè)耗水量呈上升趨勢。渭河上中游林家村、魏家堡、咸陽站控制流域中人類活動對徑流變化影響分別占65%、59%和55%，這意味著人類活動相比氣候變化而言，對徑流減少具有相對重要的作用[22]。上世紀70 年代以來，建設(shè)水利水保工程等對地表徑流的攔蓄利用而使徑流量的減少十分顯著，進入20 世紀90年代渭河徑流量的減少主要受氣候作用的影響較大。

淮河流域近50年來平均氣溫呈顯著上升趨勢，冬季平均氣溫的增溫幅度最大，春、秋季次之；相較而言，淮河流域東部尤其是東北部地區(qū)的升溫趨勢更加明顯[23]。淮河流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量存在顯著的下降趨勢。在一年的四季中，春夏季節(jié)蒸發(fā)量最大，下降趨勢最強；淮河流域北部和西部蒸發(fā)量最大，下降趨勢最強[24-25]?；春恿饔蚪邓陜?nèi)分布主要集中在6月下旬至7月中旬，空間分布基本呈南高北低的格局，較南部地區(qū)而言，北部地區(qū)降水相對集中[17]。降水質(zhì)心呈向西南方向偏移趨勢，其中向南偏移更為顯著[26]。對于流域降水集中度的變化與遷移，徑流有相一致的變化，從表2可以看出，處于北部的沙潁河、漯河、班臺三個站點的Cv值相對同時期的流域其他站點都要高一些，并且表現(xiàn)為隨時間推移而減小。近45年來淮河流域降水量的年際振蕩較為劇烈，年降水量呈下降趨勢，各季節(jié)變化趨勢不一，但均未達顯著水平。流域內(nèi)汛期和年降水量的年際變化則具有明顯的階段性，主要表現(xiàn)在上世紀90年代前基本為下降趨勢，2000年后明顯上升。流域6～8月份的總降雨均呈減少趨勢，但淮河水系6月份呈增加趨勢[27]，解釋了表4中淮河流域各站點徑流的弱減少趨勢以及6月份的反常變化。45年來，降水的空間格局發(fā)生了一定的變化，表現(xiàn)在淮河中上游和淮河沿岸地區(qū)的降水量增加，而流域東北部的降水量則呈減少趨勢[17]。對照圖2，可以發(fā)現(xiàn)徑流發(fā)生了一致性變化，流域北部出現(xiàn)較明顯的衰減趨勢，而上游部分則呈現(xiàn)較弱的衰減或者弱增加趨勢。

北江流域年平均氣溫整體呈顯著上升趨勢，各季節(jié)平均氣溫均有上升趨勢，其中夏秋兩季上升較為明顯[28]。就流域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量而言，北江上游有微弱增加趨勢而下游地區(qū)則呈顯著減少趨勢，針對各個月份，除6、11、12 月3個月份呈不顯著增加趨勢外，其余9個月份均呈不同程度的下降趨勢，其中1月份下降最為顯著。北江流域雨量多、強度大，降雨多集中在汛期的4～9月，又以5月降水最多[29-30]。對比可知，北江的徑流集中期由此早于渭河和淮河流域。近四十年來，流域降雨量總體呈不顯著的增加趨勢，其中西北部趨勢較明顯，后汛期(7～9月)較前汛期(4～6月)趨勢更明顯，1月份的降水增加趨勢顯著，近20年來汛期徑流占年徑流的比例略有減小，強降水期有“6月-5月-6月”的推移過程[30]，與表4結(jié)論中徑流變化特征一致，同時也對應了表2中北江流域徑流集中期的波動變化。北江流域降雨與徑流的相關(guān)性較好，降雨序列基本上不存在趨勢，而徑流序列呈緩慢上升趨勢，這說明徑流的增加主要受到了人類活動的影響。人類活動的間接影響主要表現(xiàn)為植被改變、水土流失、城鎮(zhèn)化等造成的下墊面條件變化。近20年來，人類活動導致了流域內(nèi)水土流失的進一步發(fā)生與發(fā)展，植被覆蓋率呈下降趨勢。人類活動間接減小了流域的蒸發(fā)和蒸騰量，這是引起流域內(nèi)徑流增加的主要原因[31]。同時由于1970年后流域內(nèi)興建了較多的水利工程，如飛來峽水庫、北江大堤等，加大了對流域徑流的調(diào)節(jié)力度，使得其年內(nèi)分配不均勻系數(shù)于上世紀70年代有明顯的減幅。

4 結(jié) 論

1)三個流域的徑流年內(nèi)分配存在地域性差異，北江流域的徑流年內(nèi)分配不均勻程度要小于渭河和淮河流域，并且流域各測站間的差異明顯，較集中期的分布差異而言，北江流域也明顯早于渭河、淮河流域。

2)在受到不同程度的自然氣候條件和人類活動等多重影響下，北江流域的不均勻程度和集中度隨時間變化一致呈減小趨勢，渭河除了林家村站有明顯增大的趨勢，其余站點與淮河均無明顯變化趨勢；渭河流域的各站點年徑流量一年12個月皆呈明顯的衰減趨勢，淮河流域年徑流量呈緩慢衰減趨勢，6月份存在反常的趨勢，空間上北部趨勢較流域上游更為明顯，而北江流域呈緩慢增長趨勢，干流西北側(cè)的趨勢較為明顯。

3)徑流變化響應分析中，渭河流域受到自然和人為因素影響各占1/2，其中自然因素表現(xiàn)為降雨量的下降和潛在蒸發(fā)量的增大，以及上世紀70 年代以來，建設(shè)水利水保工程等對地表徑流的攔蓄利用而使徑流量的減少十分顯著；對應于淮河流域降水集中度、降水周期、格局的變化，其徑流具有一致性的時空變化，表現(xiàn)為流域北部站點徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)較高并呈減小趨勢，所有站點年、月徑流量(除6月份徑流量)呈不顯著的減弱趨勢，在徑流空間格局中亦有流域北部衰減更為明顯的現(xiàn)象。北江流域的徑流集中度隨降水發(fā)生了一致的推移變化，降雨徑流相關(guān)性較好，而降雨序列基本上不存在趨勢，而徑流序列呈緩慢上升趨勢，這說明徑流的增加主要受到了人類活動的影響。

本文針對選取的渭河、淮河、北江三大流域著重進行了徑流量的年內(nèi)分配不均勻系數(shù)、徑流集中度與集中期的變化及月、年徑流量的變化趨勢，在前人研究基礎(chǔ)上分析了徑流變化對于氣候變化的響應，仍有部分現(xiàn)象無法解釋，有待采用更多的徑流變化指標來定量分析流域徑流變化趨勢及其背后原因。

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