王娟娟

(新疆金達(dá)鑫工程建設(shè)有限公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

干旱區(qū)河川徑流變化及歸因分析

王娟娟

(新疆金達(dá)鑫工程建設(shè)有限公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

河川徑流變化是氣候變化和人類活動(dòng)作用的結(jié)果，也是流域水資源開發(fā)利用及治理保護(hù)的重要依據(jù)。基于干旱區(qū)某河流徑流量(1954～2010年)資料，采用MK-P法和Pettitt法進(jìn)行突變年識(shí)別及歸因分析;并借助SCRAQ法估算降水、潛在蒸發(fā)和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響。結(jié)果表明：研究區(qū)徑流量呈顯著減小趨勢(shì)，且在1979年和1996年發(fā)生兩次顯著突變。與基準(zhǔn)期相比，人類活動(dòng)強(qiáng)度較低期(1980～1996年)降水、潛在蒸發(fā)、人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響比例分別為29.2%、-3.6%，74.4%;人類活動(dòng)強(qiáng)度較高期(1997～2010年)所占比例分別為20.6%，-1.5%和80.9%。水土保持和水利工程建設(shè)對(duì)河川徑流突變具有重要影響。

徑流變化;MK-P法;SCRAQ法;干旱區(qū)

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.013

河川徑流受氣候、土壤、植被等自然條件以及人類活動(dòng)的耦合作用，其演變過程既表現(xiàn)出確定性的規(guī)律，也有強(qiáng)烈的隨機(jī)性［1，2］。20世紀(jì) 70年代以來，在氣候變化和人類活動(dòng)的共同作用下，干旱區(qū)河流域徑流序列形成的物理背景發(fā)生了較大變化，徑流演變的平穩(wěn)性遭到破壞，而呈現(xiàn)趨勢(shì)性或跳躍性。變化環(huán)境中，強(qiáng)化徑流變異分析、加強(qiáng)氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)水循環(huán)要素變異的驅(qū)動(dòng)機(jī)理研究，量化驅(qū)動(dòng)因子的相對(duì)作用，對(duì)流域水資源管理、生態(tài)環(huán)境保護(hù)及促進(jìn)流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要意義［3］。

目前國(guó)內(nèi)外主要采用一種或多種參數(shù)、非參數(shù)檢驗(yàn)方法，對(duì)徑流序列進(jìn)行趨勢(shì)性或突變性檢驗(yàn)，找到水文序列前后變化不一致的突變點(diǎn)，其中Mann-Kendall法、Pettitt檢驗(yàn)等非參數(shù)檢驗(yàn)方法，因其對(duì)總體分布所加的條件較少，較簡(jiǎn)單、實(shí)用，應(yīng)用相對(duì)較廣［4，5］。但MK和Pettitt均在一定顯著水平或置信區(qū)間內(nèi)，通過統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算，判斷趨勢(shì)或跳躍變化，當(dāng)序列長(zhǎng)度超過一定范圍，其顯著性受到影響。鑒于此，Charles Rouge提出通過Mann-Kendall法和Pettitt法的耦合，判定水文序列的趨勢(shì)或跳躍變化。因此，本文以新疆某河流1954—2010年月徑流資料為例，在趨勢(shì)變化分析基礎(chǔ)上，首先采用MK-P法和Pettitt法進(jìn)行突變分析，確定突變年份;其次進(jìn)行不同人類活動(dòng)強(qiáng)度時(shí)期徑流突變歸因研究;最后利用SCRAQ法進(jìn)行降水、潛在蒸發(fā)和人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化影響分解，以期為研究區(qū)水資源合理開發(fā)利用和優(yōu)化配置提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

某河流位于新疆南疆地區(qū)，控制流域面積9655km2，采用其徑流變化基本可以反映整個(gè)流域徑流變化的實(shí)際。1954～2010年月徑流資料來源于當(dāng)?shù)厮木终庂Y料。流域面降雨采用當(dāng)?shù)貧庀笳军c(diǎn)1954～2010年逐日降水資料，通過Kriging空間差值后，經(jīng)面積加權(quán)平均求得;潛在蒸發(fā)數(shù)據(jù)是根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳军c(diǎn)日蒸發(fā)資料，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際，潛在蒸發(fā)量和蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的比值取0.5求得。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1 MK-P檢驗(yàn)方法

MK-P法是由Charles Rouge［6］在Mann-Kendall法和Pettitt檢驗(yàn)方法耦合的基礎(chǔ)上，通過定義A(n ×n)矩陣，主要通過對(duì)比 s(1，τ)和 k(τ)變化，識(shí)別時(shí)間序列發(fā)生趨勢(shì)變化和跳躍變化的確切時(shí)間。

1.2.2 Pettitt檢驗(yàn)法

Pettitt法［7］是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，前提是序列存在趨勢(shì)性變化，其核心是計(jì)算統(tǒng)計(jì)量k的變化及P值顯著性水平，來確定序列躍變時(shí)間，若P (τ)＜0.5，則認(rèn)為τ點(diǎn)為顯著變異點(diǎn)。

1.2.3 累計(jì)斜率法(SCRAQ)

SCRAQ［8］是在變異點(diǎn)識(shí)別的基礎(chǔ)上，分離基準(zhǔn)期和不同人類活動(dòng)時(shí)期;并以時(shí)間為自變量，徑流、降水或潛在蒸發(fā)的累計(jì)量為因變量，根據(jù)不同時(shí)期徑流、降水、潛在蒸發(fā)量累計(jì)斜率差值，計(jì)算降水、潛在蒸發(fā)和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響。采用時(shí)間這一客觀變量為自變量，徑流累計(jì)為因變量，與降水、徑流雙累計(jì)曲線相比，有效避免了變化率一致帶來的誤差。其計(jì)算步驟如下:①根據(jù)變異點(diǎn)劃分，通過回歸分析得出不同時(shí)期累計(jì)徑流量、累計(jì)降水量、累計(jì)潛在蒸發(fā)量的斜率值，變點(diǎn)前后的徑流量、降水量和潛在蒸發(fā)量累計(jì)斜率分別記為: KRb、KRa、KPb、KPa、KEb、KEa，則降水、潛在蒸發(fā)和人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響分別記為CP、CE和CH。②不同時(shí)期的斜率變化值為:RKR=100%× (KRa-KRb)/|KRb|，PKP=100%×(KPa-KPb)/| KPb|;EKE=-100%×(KEa-KEb)/|KEb|;③CP=100%×PKP/|RKR|，CE=-100%×EKE/|RKR|，CH=1-CP-CE。

2 結(jié)果與分析

2.1 年徑流變化趨勢(shì)

該河流1954～2010年徑流總體呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，線性遞減率約為1.26億m3/10a;在1979年以前年徑流量均值為7.4億m3，比多年均值高37.69%;1979～1996年徑流量在均值上下波動(dòng)，比多年平均值低4.6%;1997～2010年徑流量均值為1.93億m3，比多年平均值低64.4%，說明該序列可能在1979和1996年趨勢(shì)或跳躍變化，如圖1所示。借助Mann-Kendall相關(guān)檢驗(yàn)法進(jìn)一步檢驗(yàn)其顯著性，統(tǒng)計(jì)量Z為-3.73，通過a=0.05的顯著性檢驗(yàn)，且 Z為負(fù)值，表明1954～2010年徑流量序列呈顯著減少趨勢(shì)。

圖1 1954～2010年徑流變化趨勢(shì)線

2.2 徑流突變檢測(cè)

采用MK-P法檢測(cè)，根據(jù)研究區(qū)實(shí)際，選取D/n=0.45，則一級(jí)突變年份為1980年點(diǎn)，二級(jí)突變年為1994年。為驗(yàn)證徑流的突變特征，進(jìn)一步采用Pettitt法進(jìn)行突變檢驗(yàn)，如圖2所示。由圖2可知，k值曲線在1979和1996年發(fā)生了明顯變化。統(tǒng)計(jì)量k分別為543和589，則 P(τ)分別為0.00011和0.00024均遠(yuǎn)小于0.5。因此，1954～ 2010年徑流序列的突變年份為1979和1996年?；贛K-P、Pettitt檢驗(yàn)分析結(jié)果，結(jié)合流域內(nèi)水土保持實(shí)際，確定1979年和1996年為徑流量的突變點(diǎn)，并將徑流序列劃分為三個(gè)時(shí)期:基準(zhǔn)期(1956～1979年)，人類活動(dòng)強(qiáng)度較低期(1980～1996年)和人類活動(dòng)強(qiáng)度較高期(1997～2012年)。

圖2 Pettitt法k值曲線圖

2.3 突變歸因識(shí)別

影響徑流突變因素是相互作用、相互聯(lián)系的，主要分為氣候變化和人類活動(dòng)兩方面。降水是地表產(chǎn)流的動(dòng)力條件，直接影響徑流的時(shí)空演化規(guī)律;流域內(nèi)潛在蒸散發(fā)雖不能代表流域內(nèi)的實(shí)際蒸散發(fā)，但在一定程度上反映了流域內(nèi)氣象要素的變化，對(duì)流域水循環(huán)有重要的影響，而水土保持、水利工程建設(shè)等人類活動(dòng)改變了流域下墊面條件，也使產(chǎn)匯流機(jī)制發(fā)生了變化。因此，選用降水和蒸發(fā)作為氣候變化因子，以水土保持、水利工程建設(shè)及生態(tài)環(huán)境等作為人類活動(dòng)評(píng)價(jià)因子，分析氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流突變的影響。

2.3.1 氣候變化

對(duì)1954～2010年逐月降水和徑流量采用相關(guān)系數(shù)法計(jì)算可知:降水量的變化與河川徑流演化相關(guān)關(guān)系十分密切，1954～2010年 兩者的相關(guān)系數(shù)為0.64。其中1954～ 1979年相關(guān)系數(shù)為0.74，而1980～1996年降為0.67，1997～2010年進(jìn)一步降低為0.049，降水和徑流演變規(guī)律并不完全同步，1979年之后，特別是自1996年以后，流域降水和徑流量的相關(guān)關(guān)系明顯減弱，初步推測(cè)徑流突變主要是人類活動(dòng)介入所致。1957～2010年潛在蒸散發(fā)有緩慢增加趨勢(shì)，而降水量呈減少趨勢(shì)。在其它條件不變的前提下，流域水分消耗量增大，對(duì)徑流量的減少產(chǎn)生影響。

2.3.2 人類活動(dòng)

水土保持對(duì)徑流突變的影響。流域內(nèi)各項(xiàng)水保和退耕還林措施，通過對(duì)下滲、蒸發(fā)等水循環(huán)要素的影響，使地表徑流易于向地下徑流轉(zhuǎn)化，促使徑流發(fā)生趨勢(shì)或跳躍變化。1970年以前，流域的水土流失治理規(guī)模較小;20世紀(jì)70年代后期，尤其是1979年以后水土保持面積顯著增加。林草覆蓋率大幅度提高，可降低雨滴動(dòng)能，增大地表滲透率，增強(qiáng)生態(tài)蓄水能力和蒸發(fā)量，具有明顯減少河川徑流量的作用。因此，推斷大規(guī)模水土保持措施是造成徑流量在1996年發(fā)生突變的不可忽略的一項(xiàng)重要因素。

綜上所述:研究區(qū)徑流量的變化是氣候變化和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果，降水與徑流變化密不可分，蒸發(fā)量增加趨勢(shì)不顯著，對(duì)徑流變化有一定影響。人類活動(dòng)的介入進(jìn)一步加劇了徑流演變趨勢(shì)，且人類活動(dòng)的類型和強(qiáng)度直接決定了徑流的演變程度。70年代開始的大規(guī)模水土保持，可能是1979年徑流量突變重要原因之一;而1996年徑流量突變主要與大規(guī)模水土保持，同時(shí)水利工程和生態(tài)環(huán)境建設(shè)等也對(duì)徑流突變?cè)斐闪艘欢ㄓ绊憽?/p>

3 結(jié)論

(1)通過對(duì)研究區(qū)1954～2010年河川徑流量序列的趨勢(shì)和顯著性檢驗(yàn)，表明徑流量序列具有顯著減少趨勢(shì);采用MK-P和Pettitt非參數(shù)檢驗(yàn)，確定1954～2010年徑流量序列突變年份為1979和1996年，并以突變年為界，將徑流序列劃分為基準(zhǔn)期、人類活動(dòng)強(qiáng)度較低期和人類活動(dòng)強(qiáng)度較高期。

(2)研究區(qū)徑流量變化是氣候變化和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果。降水與徑流量變化密不可分，蒸發(fā)對(duì)徑流有一定影響，但是徑流流量的減少與氣候變化并不一致。人類活動(dòng)的介入使徑流量變化受人為因素影響進(jìn)一步增強(qiáng)。1979年徑流量突變，可能與20世紀(jì)70年代以來水土保持大面積增加有關(guān);水土保持是導(dǎo)致1996年徑流量突變的重要原因;水利工程的建成、運(yùn)行直接改變了徑流的時(shí)間分配過程，導(dǎo)致水文監(jiān)測(cè)斷面徑流量的變化;近年來的生態(tài)環(huán)境建設(shè)導(dǎo)致蒸發(fā)量增加的同時(shí)，對(duì)徑流量突變也造成一定影響。

(3)與基準(zhǔn)期相比，人類活動(dòng)強(qiáng)度較低期徑流變化量為-2.11×108m3/a，變化率為-29.0%，降水、潛在蒸發(fā)、人類活動(dòng)及潛在蒸發(fā)和人類活動(dòng)之和對(duì)徑流的影響比例分別為29.2%，-3.6%，74.4%，70.8%;人類活動(dòng)強(qiáng)度較期徑流變化量-5.5×108m3/ a，變化率為-75.6%，降水、潛在蒸發(fā)、人類活動(dòng)及潛在蒸發(fā)和人類活動(dòng)之和對(duì)徑流的影響比例分別為20.6%，-1.5%，80.9%，79.4%。

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2015-02-18

王娟娟(1981年—)，女，工程師。