王靜潔, 李暢游, 孫 標, 樊才睿, 梁麗娥, 韓知明

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 水利與土木建筑工程學院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

1963-2014年呼倫湖流域降水對徑流量變化的影響

王靜潔, 李暢游, 孫 標, 樊才睿, 梁麗娥, 韓知明

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 水利與土木建筑工程學院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

[目的] 分析呼倫湖流域降水對徑流量變化的影響，為流域水資源可持續(xù)利用和高效配置提供可參考依據(jù)。 [方法] 根據(jù)呼倫湖流域阿拉坦額莫水文站1963—2014年水文氣象數(shù)據(jù)，采用累積距平法和Mann-Kendall法結(jié)合對呼倫湖流域50 a徑流和降雨年際變化趨勢進行分析，確定出2個拐點年份，用累積量斜率變化率比較法評估降水對呼倫湖流域徑流變化的影響。 [結(jié)果] 拐點年出現(xiàn)在1972，1999年，以初始研究階段T1(1963—1972年)為基準期，不考慮潛在蒸散量變化的影響，T2(1973—1999年)和T3(2000—2014年)時期的降水量減少對于徑流量減少的貢獻率分別為0，40.70%。 [結(jié)論] 21世紀年代以后降水與徑流明顯偏少，年徑流量與降水量有很好的線性相關關系，降水減少是徑流減少的主要原因。近年來人口增多，畜牧業(yè)發(fā)展昌盛，也對徑流有一定的影響。

降水; 徑流; 呼倫湖流域; 貢獻率

文獻參數(shù)： 王靜潔, 李暢游, 孫標, 等.1963—2014年呼倫湖流域降水對徑流量變化的影響[J].水土保持通報，2017,37(2)：115-119.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.016； Wang Jingjie, Li Changyou, Sun Biao, et al. Impacts of Precipitation on Runoff Yield of Hulun Lake Basin During 1963—2014[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：115-119.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.016

影響河川徑流變化兩大因素是氣候變化和人類活動[1]。氣候變化引起的降水變化對水資源的變化起著重要作用[2]，降水的變化可以直接導致河川徑流的變化，氣溫可以通過改變蒸散發(fā)對徑流產(chǎn)生影響[3-4]。在全球變暖的趨勢下，中國一些區(qū)域氣溫逐漸上升，水資源問題增多，河流徑流量減少[5-7]。近幾十年來，隨著社會進步，人口增加、城市化進程加快，加劇了水資源供需矛盾，水短缺問題日益凸顯[8]。學術界廣泛認為在研究流域河川徑流量變化時應當是氣候和人類活動二者疊加后的效應。國內(nèi)學者對于流域徑流變化方面的研究已逐步從定性分析過渡到定量解析的階段[8-12]，對于兩大因素對徑流量變化的貢獻率也進行了許多分解探討[13-18]。中國北方寒旱地水資源時空分布變異性大，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，在草原型內(nèi)陸河流域地區(qū)尤為顯著[19-20]。研究此區(qū)域的徑流的年際變化情況，定量分析降雨量的貢獻率，為將來流域水資源可持續(xù)利用和高效配置提供可參考依據(jù)。氣候變化對徑流影響的研究方法主要有: (1) 時序分析法； (2) 不同步長的滑動平均分析法； (3) 拐點分析法，如距平累計值、Mann-Kendal秩次趨勢分析法等； (4) 歸因分析法，如多元統(tǒng)計方法等。本文利用年徑流量以及年降水量的累積距平分析方法和M-K法判斷拐點年份，以拐點年份為界，通過累積量斜率變化率確定降水量和對徑流量減小的貢獻率。

呼倫湖又名達賚湖，是中國第5大湖，亞洲中部草原區(qū)的最大的湖，克魯倫河位于呼倫湖的西南部，發(fā)源于蒙古國肯特山南麓，河長1 264 km，中國境內(nèi)長206 km。1963—1980年克魯倫河年徑流量約5.0×108m3；1981—1999年6.0×108m3，從2000年至今，克魯倫河的水量出現(xiàn)了有記載歷史以來的最小值，連續(xù)近10 a為枯水年，克魯倫河的平均徑流量不足2.0×108m3，月徑流的峰值出現(xiàn)在每年的10月，每年的12月到翌年3月基本無徑流量，這是由于在冬季克魯倫河流域全面封凍，到春天氣候轉(zhuǎn)暖后才逐漸有流量產(chǎn)生。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)整編

全面收集和整編1963—2014年呼倫湖流域克魯倫河降水及徑流數(shù)據(jù)，對于個別年份徑流資料缺測的，基于水文比擬方法，按氣候和下墊面相似性對站點觀測序列缺失數(shù)據(jù)進行插補展延，組成完整的徑流與降水序列。

1.2 研究方法

采用Mann-Kendall(M-K)檢驗方法對氣候要素序列進行降水序列突變檢測，判斷突變年份與氣候要素變化趨勢[21]，若UF值大于0，則表明序列呈上升趨勢，若小于0，則表明呈下降趨勢，當超過置信水平時，表明上升(下降)趨勢顯著。如果UF和UB的兩條曲線出現(xiàn)交點，且交點位于置信區(qū)間內(nèi)，那么交點對應的時刻即是突變開始的時刻。

累積距平法(CA)[22-23]是通過觀察差積曲線判斷數(shù)據(jù)點離散程度和變化趨勢的一種非線性統(tǒng)計方法。該方法可以判斷離散數(shù)據(jù)與其均值之間離散幅度的大小，若得到的累積距平值>0，表明離散數(shù)據(jù)>均值，反之則<均值，如果差積曲線包括以上兩部分，則可用來確定變化趨勢的拐點。CA法可以直接反映不同時期徑流量的變化進程，判斷降水量和徑流量的突變年份且突變點較為清晰，雙累積量在拐點前后的線性擬合程度較好。以確定出的突變年份為界分為基準期和措施期，與基準期相比，在措施期人類活動對于徑流的影響擾動較大。

累積量斜率變化率比較法[11]假設累積徑流量年份線性關系式的斜率在拐點前后兩個時期分別為SRb和SRa(108m3/a)累積降水量年份線性關系式的斜率在拐點前后2個時期分別為SRb和SRa(mm/a),則累積徑流量斜率變化率RSR(%)為：

由于財政困難，投入資金仍有限，有的設施蔬菜園區(qū)水、電、路等基礎設施配套不完備，過去修建的部分日光溫室標準不高，設施老化破損，維修資金短缺，一些日光溫室冬季甚至不能生產(chǎn)蔬菜。鄉(xiāng)、村技術服務體系不健全，缺少技術服務人才，培訓農(nóng)民難度大，技術服務工作跟不上，一些適合本地種植的主栽品種的引進篩選、更新?lián)Q代工作滯后，制約了蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

RSR=100×(SRa-SRb)/SRb=100×(SRa/SRb-1)

(1)

累積降水量斜率變化率RSp(%)為:

RSp=100×(Spa-Spb)/Spb=100×(Spa/Spb-1)

(2)

式中：RSR，RSp——正數(shù)表示斜率增大，負數(shù)表示斜率減小。降水量變化對徑流量變化的貢獻率Cp(%)可以表示為:

Cp= 100×Rsp/RSR=100×

(Spa/Spb-1)/(SRa/SRb-1)

(3)

2 結(jié)果與分析

呼倫湖流域克魯倫河1961—2014年降雨量多年平均值236.96 mm,標準差95.03 mm，變差系數(shù)0.40。圖1給出了呼倫湖流域克魯倫河年降水量距平及5 a滑動平均變化曲線。由圖1可見，克魯倫河年降水量有明顯的年際年代變化特征。年降雨量最大值是577.4 mm，最小為102.8 mm。其中1980—2000年變化幅度較大，但總體趨勢較為穩(wěn)定,2000—2014年降雨量減少。

2.2 徑流的年際和年代變化

克魯倫河1963—2014年徑流量的平均值4.48×108m3/s，標準差2.64，變差系數(shù)0.59，圖1分別為克魯倫河1963—2014年徑流量距平及5 a滑動平均變化曲線。有圖1可以看出，克魯倫河年徑流有明顯的年際、年代際的變化特征。1963—2014，1990年徑流量最大為1.01×109m3/s，2007年徑流量最小為3.90×107m3/s。1963—2014年中，從年代際的變化來看，20世紀60—90年代徑流量較為平穩(wěn)，70—90年代徑流量較少低于前期和后期，且從80年代中期到20世紀初期波動較為劇烈，21世紀初期徑流量顯著下降，21世紀10年代徑流量顯著增加。

圖1 呼倫湖流域克魯倫河1961-2014年降雨和徑流距平(相對于1961-2014年)及5 a滑動平均變化

2.3 降雨量與徑流量的相關性

河川徑流是大氣降水與流域下墊面和蒸散發(fā)共同作用的產(chǎn)物，降水的變化會影響河川徑流的變化，氣溫也可通過改變蒸散發(fā)對徑流造成影響[21]。雖然徑流的變差系數(shù)大于降水，但年際波動大的時期都出現(xiàn)在20世紀80年代中后期21世紀初期?？唆攤惡?0世紀70年代到21世紀10年代，一般降水多的季節(jié)對應的徑流也大。

2.4 降雨量與徑流量的拐點年份

由圖2累積距平圖可以得出，1963—2014年克魯倫河年徑流累積距平呈現(xiàn)先上升后下降再上升的M形趨勢，1963—1975年呈現(xiàn)上升趨勢，1976—1983呈現(xiàn)下降趨勢，1984開始上升1999年達到峰值。用Mann-Kendall法對克魯倫河1963—2014年平均徑流進行突變檢驗分析。由圖3可以看出，UF曲線在1963—1971年呈現(xiàn)波動小幅度上升的趨勢，1972—1983之后呈現(xiàn)下降趨勢，1984—1999年轉(zhuǎn)為上升趨勢，2005超過了顯著性水平0.05的置信水平。UF曲線在置信區(qū)間內(nèi)與UB曲線有一個交點(1999—2000年)。徑流突變可能發(fā)生在1999年左右(圖4)。結(jié)合兩種方法的分析結(jié)果，判斷克魯倫河年徑流在1999—2000年發(fā)生了由豐水到枯水的突變。

圖2 克魯倫河1963-2014年徑流和年降雨量累積距平曲線

圖3 克魯倫河年徑流和年降雨量M-K法統(tǒng)計量(臨界值顯著性水平α=0.05)

年降雨量的Mann-Kendall法檢驗結(jié)果顯示1961—1971年波動下降，1972—1999波動上升，在UF線在置信區(qū)間內(nèi)與UB線有5個交點(1968，1973，1975，1976—1977年，1999—2000年)。累積距平分析表明，1961—2014年克魯倫河降雨量存在明顯的變化趨勢，1961—1965年有小幅度上升趨勢，1966—1972年明顯下降并在1972年達到最小值，1972—1999年波動上升，1999年為峰值，2000—2011年降雨量呈減少趨勢。據(jù)此推斷1972和1999年可能是降雨發(fā)生的突變年份。結(jié)合兩種方法分析，1972年可能年降雨量從少變多，1999年降雨量由多變少的突變?nèi)鐖D4所示，降水量—徑流量雙累積曲線(DMC)中雙累積量之間具有較好的線性擬合關系(R2>0.94，p<0.05)，判斷拐點年份為1972和1999年。雖然在20世紀70年代變化不是特別明顯。綜上所述，確定徑流量和降水量的拐點年份分別為1972，1999年，其中1999年為突變年。在拐點1972年之前人類活動較為輕微，因此氣候因素影響是導致徑流量變化的主要因素，將1963—1972年確定為基準期。1972年之后是氣候因子和人類活動共同作用的措施期，徑流量在1999年發(fā)生突變說明受氣候和人類活動的影響程度加大。

圖4 克魯倫河流域降雨-徑流量雙累積曲線變化趨勢

2.5 徑流與降水的關系

根據(jù)拐點年份的確定(圖5)，將累積徑流量變化序列中2個拐點分割的3個時期1963—1972年，1973—1999年，2000—2014年分別稱為T1，T2和T3時期。T2與T1時期相比，累積徑流量—年份線性關系式的斜率減少3.14×107m3/a，減小率為5.47%(表1)。同時期相比，累積降水量—年份線性關系式的斜率沒有變化(表2)。這段時期徑流量減少是蒸散發(fā)量等氣候因素引起的與人類活動基本沒有關系。根據(jù)式(1)—(3)計算T2與T1時期求得降雨變化對徑流的貢獻率為0，可能是由于降雨對徑流的影響有一定的滯后性，而且克魯倫河發(fā)源于地即上游的氣候條件也會產(chǎn)生一定影響，多種原因?qū)е耇2對T1時期的貢獻率計算為零。

圖5 克魯倫河年份與累積徑流量和累積降雨量之間的關系

T3與T1時期相比，累積徑流量—年份線性關系式的斜率減少4.145 7×108m3/a，減小率為72.22%(表1)。這是降水量減少和人類活動共同引起的。同時期相比，累積降水量—年份線性關系式的斜率減少72.85 mm/a，減小率為29.39%(表2)。根據(jù)式(1)—(3)計算T3與T1時期求得降雨變化對徑流的貢獻率為40.70%，是由于人類活動增加，畜牧業(yè)發(fā)展速度對對河流影響較大。

T3與T2時期相比，累積徑流量—年份線性關系式的斜率減少3.831 7×108m3/a，減小率為70.61%(表1)。同時期相比，累積降水量—年份線性關系式的斜率減少72.85 mm/a，減小率為29.39%(表2)。根據(jù)式(1)—(3)計算T3與T2時期求得降雨變化對徑流的貢獻率為41.61%。T2和T1與T3期徑流量減少相似，而降雨減少率相同，所以兩個時期降雨對徑流的影響相似。

表1 呼倫湖流域累積徑流量斜率及其變化率

表2 呼倫湖流域累積降水量斜率及其變化

3 討論與結(jié)論

前人對于克魯倫河流域徑流量已做的研究主要集中于周期，如烏云娜[24]分析了氣溫和降水的年際和四季的變化特征，沒有細致地描述徑流在年際上的突變特征，僅判斷出徑流量和氣溫的變化趨勢，未查明拐點年份，只定性的分析了氣候因素、人類活動潛在因素對克魯倫河徑流產(chǎn)生的影響，本研究通過累積距平法確認出的拐點年份，并且通過劃分不同時段對徑流變化的影響因素進行了定量解析。本文分解出的人類活動影響的貢獻率，由于各因子間的相互作用十分復雜，因此，如何進一步定量區(qū)分各因子對徑流變化的影響有待深入研究。

1963—2014年呼倫湖流域徑流和降水都表現(xiàn)為明顯減少趨勢，克魯倫河徑流量變化較為劇烈，波動較大。2012年開始降雨量和年徑流量有上升趨勢。利用累積徑流量和累積降雨量與相應年份之間做統(tǒng)計分析，所得線性關系式的相關系數(shù)除1972—1999，2000—2014年累積徑流量為0.981 5，0.944 8外，其余均滿足0.99。累積距平法(CA)與Mann-Kendall兩種方法判斷拐點年份確定克魯倫河徑流量和降雨量突變年為1999年拐點年為1972和1999年。通過累積量斜率變化率比較法有效計算徑流量變化中降雨量的貢獻率，克魯倫河以1963—1972年為基準期，利用該計算方法得出克魯倫河徑流量減少的降雨量在1972—1999年相對貢獻率為40.70%，在2000—2013年相對貢獻率為41.61%。除去降雨量對徑流的影響主要為人類活動的影響，近年來人口增多，畜牧業(yè)發(fā)展昌盛，對徑流有一定的影響。本研究結(jié)果計算了呼倫湖克魯倫河流域近半個世紀以來徑流量的變化趨勢及其主要影響因素的貢獻率，對于未來水資源的開發(fā)利用具有重要意義，所提出的定量研究方法可以應用在寒旱地區(qū)河流徑流量變化及其影響因素的定量評估中。

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Impacts of Precipitation on Runoff Yield of Hulun Lake Basin During 1963-2014

WANG Jingjie, LI Changyou, SUN Biao, FAN Cairui, LIANG Lie, HAN Zhiming

(InnerMongoliaAgriculturalUniversity,WaterConservancyandCivilEngineeringCollege，Hohhot，InnerMongolia010018,China)

[Objective] The effect of precipitation on runoff sequence of Hulun Lake during 1963—2014 was analyzed to provide reference for sustainable utilization and efficient configuration of river basin water resources. [Methods] Based on the observed data of Hulu Lake Station during 1963—2014， we used the methods of cumulative anomaly and Mann-Kendall to illustrate the change trend of precipitation and runoff and to demonstrate change ratio of cumulative quantity slope. We calculated quantitatively the contribution rate of the precipitation and human activities on runoff． [Results] Two inflection points occurred in 1972 and 1999. According to the two points, the cumulating process of the variables was divided into three periods， 1963—1972(T1)， 1973—1999 (T2) and 2000—2014(T3). Taking T1as the base referred period, the contribution rates of the precipitation to the decrease of runoff were 0 in T2, and 40.7% in T3. [Conclusion] Since the twenty-first century, the precipitation and runoff were obviously less. Annual runoff and precipitation had a good linear correlation. And the precipitation reduction was the main reason for the decrease of runoff. In recent years, population increased and animal husbandry development have their certain influence yet.

runoff; precipitation; contribution rate; Hulun Lake basin

2016-06-25

2016-07-27

國家自然科學基金項目“凍融過程中湖泊污染物多介質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及機制研究”(51339002)， 基于3S技術的呼倫湖水環(huán)境演化及濕地生態(tài)響應機制研究(51409288); 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學優(yōu)秀青年科學基金項目(2014XYQ-10)

王靜潔(1991—),女(漢族),河北省張北縣人,碩士研究生，研究方向為農(nóng)業(yè)水資源保護與利用。E-mail:wangjingjie1603@163.com。

李暢游(1955—),男(漢族),內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市人,博士,教授,博士生導師,主要從事水污染控制方面的研究。E-mail:nndlichangyou@163.com。

A

1000-288X(2017)02-0115-05

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