賈憲，趙長森

（1. 西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西 西安 710048；2. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；3. 北京師范大學(xué) 地理與遙感學(xué)院，北京 100875）

全球氣候變化已經(jīng)是不必爭議的科學(xué)事實(shí)。據(jù)全球范圍的觀測表明，近100年（1906—2005年）全球平均地表溫度上升了0.74 ℃（0.56～0.92 ℃）[1]。由于氣候變化的影響，水資源的年際變化很大，旱澇頻繁發(fā)生，水資源供需矛盾突出，給國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展設(shè)置了巨大的障礙。因此，認(rèn)清氣候變化的趨勢及其對(duì)水資源的影響對(duì)于合理開發(fā)利用水資源具有重要的意義。

在這種大環(huán)境下，我國西北地區(qū)的氣候變化得到了學(xué)者的關(guān)注[2]，對(duì)于灞河流域水文氣象研究也已取得了一定的成果[3-5]，但是都存在著雨量站數(shù)量少、代表性低，水文氣象資料序列較短等問題，因此對(duì)于灞河流域氣候變化及其對(duì)水資源的影響還需進(jìn)一步研究。

1 研究區(qū)域概況

灞河隸屬于黃河流域，渭河水系，是渭河右岸一級(jí)支流，位于陜西省西安市東南部，東經(jīng)109°00′～109°47′、北緯33°50′～34°27′之間，南起秦嶺，北至渭河，流域全長104.1 km，總流域面積2 581.0 km2。灞河是一條典型的不對(duì)稱水系，左岸支流少而長，主要有清河、輞川河和浐河；右岸支流多而短小。

2 數(shù)據(jù)和研究方法

本文氣溫資料采用藍(lán)田氣象站1961—2010年逐月平均氣溫，徑流資料采用馬渡王水文站1959—2010年逐月徑流量資料，降水量資料是對(duì)灞河流域內(nèi)12個(gè)雨量站根據(jù)泰森多邊形[6-7]（圖1）求得的面平均降水量，其中各個(gè)雨量站的權(quán)重及控制面積見表1。

圖1 灞河流域面積的泰森多邊形示意圖Fig. 1 Thiessen polygon in the Bahe River basin area

表1 灞河流域雨量站的權(quán)重和控制面積Tab. 1 The weight and controlled basin area of rain station in the Bahe river basin

2.1 Mann-Kendall法

2.1.1 趨勢分析方法

由下式計(jì)算統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)值Zc：

當(dāng)β值為正表示上升趨勢，即變量隨時(shí)間的增加而增大，當(dāng)β值為負(fù)表示下降趨勢，即變量隨時(shí)間的增加而下降。

2.1.2 顯著性檢驗(yàn)

本文采用的檢驗(yàn)方法是t檢驗(yàn)，構(gòu)造檢驗(yàn)總計(jì)均值的t統(tǒng)計(jì)量公式為：

2.2 雙累積曲線法

雙累積曲線[8]是檢驗(yàn)兩個(gè)參數(shù)間關(guān)系一致性及其變化的常用方法。

建立雙累積曲線的基本方法為：設(shè)有一個(gè)參考變量或基準(zhǔn)變量X和被檢驗(yàn)變量Y，n年的觀測期間得到相應(yīng)的觀測值Xi和Yi，其中i=1，2，…，n。然后對(duì)變量X和Y按時(shí)間順序進(jìn)行累積計(jì)算，得到新的累積值序列X′i和Y′i，其中i=1，2，…，n，即：

然后，在直角坐標(biāo)系中繪制兩個(gè)變量所對(duì)應(yīng)點(diǎn)累積值的關(guān)系曲線，通常以被檢驗(yàn)的變量為縱坐標(biāo)，參考變量或基準(zhǔn)變量為橫坐標(biāo)。

2.3 復(fù)回歸模型法

通過建立水文系統(tǒng)與氣候變量之間的數(shù)學(xué)模型近似地模擬二者之間的復(fù)雜關(guān)系是合理可行的。本文將實(shí)測徑流量作為因變量，將流域內(nèi)的氣溫和降水作為自變量，建立它們之間的復(fù)回歸方程來探究灞河流域氣候變化對(duì)徑流的影響。該模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，Q為徑流量；T為平均氣溫；P為平均降水；a，b，c為系數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 水文氣象要素趨勢分析

根據(jù)1961—2010年灞河流域內(nèi)的年平均氣溫、年降水量和年徑流量資料，采用Mann-Kendall法對(duì)灞河流域水文氣象要素進(jìn)行趨勢分析，結(jié)果見表2，可以看到，雖然流域內(nèi)的氣溫和降水在1961—2010年的時(shí)間里的MK值沒有通過90%的置信度檢驗(yàn)，表明趨勢變化不明顯，但結(jié)合圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)氣溫有升高的趨勢，降水有減少的趨勢；流域內(nèi)徑流減少的趨勢很顯著，已通過99%的置信度檢驗(yàn)。

表2 灞河流域水文氣象要素Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)Tab. 2 Mann-Kendall test for hydrological and meteorological elements in in Bahe river basin

圖2 灞河流域年平均氣溫趨勢圖Fig. 2 The annual average temperature trends of the Bahe river basin

3.2 氣候變化對(duì)徑流的影響

由于水源地氣候、下墊面條件及人為因素的影響，改變了徑流產(chǎn)生模式、水文事件發(fā)生的時(shí)間、頻率和流量，氣溫和降水的微小變化能夠引起徑流的顯著變化[9]。灞河流域內(nèi)的氣溫-徑流雙累積曲線見圖4，氣溫變化對(duì)年徑流量的影響存在3個(gè)突變點(diǎn)，分別是1980、1986和2002年，其中1980年前后斜率增大，表明年徑流量增多；1986年后斜率減小，表明年徑流量減少；2002年后斜率增大，表明年徑流量又有增多。

圖3 灞河流域年降水量趨勢圖Fig. 3 The annual precipitation trends of the Bahe river basin

圖4 灞河流域氣溫-徑流雙累積曲線圖Fig. 4 Accumulation curves of the mass temperature and mass runoff in the Bahe river basin

同樣采用雙累積曲線觀察降水與徑流的關(guān)系，灞河流域內(nèi)的降水-徑流雙累積曲線見圖5?？梢钥吹浇邓兓瘜?duì)年徑流量的影響存在3個(gè)突變點(diǎn)，分別是1976、1986和2008年，1976和1986年兩次的突變都是斜率變小，表明兩次變化均是徑流量減少，2008年后斜率增大，表明徑流量增多。

圖5 灞河流域降水-徑流累積曲線Fig. 5 Accumulation curves of the mass precipitation and mass runoff in the Bahe river basin

將流域內(nèi)年徑流量作為因變量，將流域內(nèi)的年平均氣溫和年降水量作為自變量，作復(fù)回歸分析，結(jié)果見表3，其中由F分布表可知，F(xiàn)0.01=5.087。

可見，徑流量和氣溫、降水的復(fù)相關(guān)性很好，復(fù)相關(guān)系數(shù)為88.8%，且F達(dá)到了99%信度（87.98>5.087）。對(duì)于流域內(nèi)的年徑流量而言，當(dāng)氣溫不變時(shí)，降水每增加1 mm，徑流量增加0.013億m3，當(dāng)降水不變時(shí)，氣溫每增加1 ℃，徑流量減少0.106億m3。所以氣溫升高和降水減少是灞河流域內(nèi)徑流減少的主要原因。

表3 灞河流域徑流量與氣溫、降水的回歸模型Tab. 3 Regressive model of annual mean runoff with annual precipitation and annual mean temperature in the Bahe river basin

4 結(jié)論

1）在1961—2010年的期間，灞河流域的年徑流量顯著減少，年平均氣溫和年降水量均無顯著的變化趨勢，僅僅表現(xiàn)為氣溫略升高、降水稍減少的變化。

2）氣溫變化和降水變化對(duì)徑流量的影響各自存在3個(gè)突變點(diǎn)，突變點(diǎn)前后徑流量增加或減少的變化明顯，根據(jù)回歸分析可知，氣溫升高、降水減少是徑流量減少的主要原因。

[1] IPCC. Climate Change 2007：The physical Science Basis，Summary for Policy markers[M]. Cambridge: Cambridge University Press，2007.

[2] 施雅風(fēng)，沈永平，胡汝驥. 西北氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的信號(hào)、影響和前景初步探討[J]. 冰川凍土，2002，24（3）: 219-226.SHI Yafeng，SHEN Yongping，HU Ruji. Preliminary study on signal，impact and foreground of climatic shift from warm-dry to warm-humid in northwest China[J]. Journal of Glaciology and Geocryology，2002，24（30）: 219-226（in Chinese）.

[3] 馬新萍，白紅英，侯欽磊，等. 1959年至2010年秦嶺灞河流域徑流量變化及其影響因素分析[J]. 資源科學(xué)，2012，34（7）: 1298-1305.MA Xinping，BAI Hongying，HOU Qinlei，et al. Runoff change of bahe river basin in Qinling mountains and its influencing factors[J]. Resources Science，2012，34（7）:1298-1305（in Chinese）.

[4] 王戰(zhàn)平，沈冰，呂繼強(qiáng). 氣候變化及人類活動(dòng)對(duì)灞河源流區(qū)徑流的影響[J]. 資源與水工程學(xué)報(bào)，2012，23（6）:97-99.WANG Zhanping，SHEN Bing，L譈Jiqiang. Impact of climate variation and human activities on runoff in the source area of the bahe river basin[J]. Journal of Water Resources & Water Engineering，2012，23（6）: 97-99（in Chinese）.

[5] 王戰(zhàn)平. 灞河流域水文特性分析[J]. 資源與水工程學(xué)報(bào)，2009，20（5）: 176-179.WANG Zhanping. Hydrologic characteristics analysis in the bahe river basin[J]. Journal of Water Resources &Water Engineering，2009，20（5）: 176-179（in Chinese）.

[6] THIESSEN A H. Precipitation averages for large areas[J].Monthly Weather Review，1911（39）: 1082-1084.

[7] 龍胤慧，廖梓龍. 基于泰森多邊形的慶陽市面雨量計(jì)算[J]. 河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，29（3）:64-67.LONG Yinhui，LIAO Zilong. Surface precipitation calculation of Qingyang area based on thiessen polygons method[J].Journal of Hebei University of Engineering： Natural Science Edition，2012，29（3）: 64-67（in Chinese）.

[8] 穆興民，張秀勤，高鵬，等. 雙累積曲線方法理論及在水文氣象領(lǐng)域應(yīng)用中應(yīng)注意的問題[J]. 水文，2010，30（4）: 47-51.MU Xingmin，ZHANG Xiuqin，GAO Peng，et al. Theory of double mass curve and its application in hydrology and meteorology[J]. Journal of China Hydrology，2010，30（4）:47-51（in Chinese）.

[9] 林啟才，李懷恩. 氣候變化及寶雞峽引水對(duì)渭河徑流量的影響分析[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2013，32（3）: 71-74.LIN Qicai，LI Huaien. Analysis on impacts of climate changes and Baojixia water diversion on wei river runoff[J].Journal of Hydroelectric Engineering，2013，32（3）: 71-74（in Chinese）.