王豪杰+左其亭+羅增良

摘要：徑流演變特征研究可為在變化環(huán)境下制定流域水資源規(guī)劃、建立流域水文響應(yīng)機制提供科學(xué)依據(jù)。以沙潁河流域代表水文站阜陽站為例，運用M-K檢驗法和小波分析法分析了1956年-2011年徑流變化特征，并從氣候變化及人類活動的角度分析了徑流變化的主要驅(qū)動因素。結(jié)果表明：沙潁河阜陽站徑流總體呈下降趨勢，但下降趨勢不明顯，總體未達到95%顯著性水平；在1966年前后存在明顯的突變點；徑流存在13a、26 a兩類周期變化特性，周期演變過程受人類活動影響顯著。就驅(qū)動因素而言，人類活動對徑流變化的貢獻率在65%以上，氣候變化對徑流變化的影響較弱，表現(xiàn)為從負向到正向的趨勢。

關(guān)鍵詞：徑流演變；氣候變化；人類活動；蒸發(fā)率函數(shù)；阜陽站

中圖分類號：P333 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）05-0036-07

近幾十年來隨著工業(yè)社會的迅速發(fā)展和人類活動的快速擴張，自然環(huán)境受人類活動的影響日益加深，全球氣候也隨之發(fā)生劇烈變化。全球性的氣候變化和人類對水資源利用程度的逐漸加深，對水文過程產(chǎn)生較大影響，尤其對水資源的形成和轉(zhuǎn)化產(chǎn)生直接影響，因此變化環(huán)境下的水文過程分析在國際水文研究中備受關(guān)注。氣候變化通過影響區(qū)域內(nèi)降水和溫度等氣象因素對水文過程產(chǎn)生影響，人類活動對水文過程的影響則主要表現(xiàn)在下墊面性質(zhì)變化導(dǎo)致的蒸發(fā)、入滲及產(chǎn)匯流等過程的改變。在分析二者對徑流影響的過程中，常用的方法包括彈性分析、水熱平衡分析法、線性分析法、COPU LA函數(shù)法等。

淮河流域是我國人口密度最大的流域之一，沙潁河是淮河最大的支流。自20世紀60年代以來，人類在沙潁河流域的取用水活動逐漸增強，并修建了大量水利工程設(shè)施以滿足社會發(fā)展，徑流過程受日益增長的人類活動的影響。此外，沙潁河徑流演變過程也受到氣候變化帶來的影響。但目前對沙潁河流域徑流的研究，主要集中在河流水質(zhì)污染及徑流特性方面，缺乏氣候變化及人類活動對其演變特征影響機制的分析。本文選取沙潁河流域重要控制站點——阜陽站為代表站，采用1956年-2011年流量數(shù)據(jù)，運用M-K檢驗、小波分析法，對阜陽站徑流演變趨勢、徑流突變及周期變化特征進行分析，并采用阜陽氣象站氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合PLM公式，計算阜陽站潛在蒸發(fā)量，從氣候變化及人類活動的角度分析徑流演變過程及二者的貢獻率。

1研究區(qū)概況

沙潁河發(fā)源于河南嵩山地區(qū)，在阜陽市沫河口流入淮河，以潁河為源全長共545.21km，流域面積39 075.30 km²。降水量年際及年內(nèi)分布不均，年際降水量變化大，易呈現(xiàn)連澇或連旱現(xiàn)象。徑流形式主要為雨洪型。

阜陽水文站位于阜陽市三里灣，控制面積35246 km²，是沙潁河流域重要的控制性站點，能直觀反映流域徑流的演變趨勢，此外，水文站位于沙潁河下游平原區(qū)，所控制流域是人類活動較強的區(qū)域之一，徑流過程同時受氣候變化和人類活動的影響?；谏鲜隹紤]，選取阜陽站作為沙潁河流域代表站，研究其徑流演變特征，并從人類活動和氣候變化的角度對其驅(qū)動因素進行分析。

2方法與數(shù)據(jù)

2.1研究思路

運用M—K檢驗以及小波分析法對阜陽站徑流演變特征進行分析；在此基礎(chǔ)上，確定徑流受人類活動影響較弱的時期作為基準期，根據(jù)水量平衡原理和P-M公式計算阜陽站基準期的實際蒸發(fā)量和潛在蒸發(fā)量，通過蒸發(fā)率函數(shù)確定地區(qū)特征參數(shù)ω、β、γ；將基準期之后的研究期以10年為單位劃分時段，根據(jù)阜陽站氣象資料，分別計算各時段的潛在蒸發(fā)量，分析降水、潛在蒸發(fā)量變化情況及對徑流的影響；計算氣候變化和人類活動分別引起的徑流變化量，并分析二者對徑流變化的貢獻。

2.2研究方法

（1）徑流演變特征分析。

Mann-Kendall檢驗。在水文序列的時變性分析過程中，M-K檢驗是一項被普遍應(yīng)用的非參數(shù)檢驗工具。該方法對水文序列數(shù)據(jù)的要求較低，計算較簡便，可適用于降水、徑流、氣溫等水文要素的長序列趨勢分析。通過M-K檢驗，可以分析水文序列的長期發(fā)展趨勢，得出水文序列的突變性以及突變時間。

小波分析。在水文分析中，小波分析主要應(yīng)用于水文過程的多時間尺度和周期變化分析，能客觀定量地得出數(shù)據(jù)序列中隱藏的多種周期性變化，并可以對數(shù)據(jù)序列局部進行細化分析，以得出長序列內(nèi)部的周期變化規(guī)律。

（2）徑流影響因素識別。

氣候變化可引起降水、氣溫、風(fēng)速等氣象因素的變化，導(dǎo)致水文循環(huán)過程發(fā)生變化，通過影響降水和蒸發(fā)情況，進而影響地區(qū)的水量平衡狀態(tài)。對阜陽地區(qū)而言，水量平衡可以表示為：

R=P-E+ΔS （1）

式中：R為徑流量；P為降水量；E為阜陽實際蒸發(fā)量；ΔS為區(qū)域水量變化量。在長期自然計算條件下，ΔS可近似為0。

在水量收支平衡的基礎(chǔ)上，Zhang等認為，在一個較長的時期內(nèi)，區(qū)域多年平均實際蒸散發(fā)量與年平均降水量、流域潛在蒸發(fā)量和植被水分利用能力有密切的關(guān)系，并基于全球超過250個地區(qū)的分析結(jié)果，提出了如下蒸發(fā)率函數(shù)：

式中：E₀為潛在蒸發(fā)量；ω為植被水分利用能力，表示區(qū)域森林覆蓋狀況對函數(shù)的影響程度。

自20世紀60年代以來，隨著人類活動的擴張，阜陽市水資源的消耗也隨之大幅增長。選取阜陽站受人類活動影響較小的時期，通過水量平衡方程推導(dǎo)該時期的實際蒸發(fā)量，并通過PLM公式推求逐日潛在蒸發(fā)量，累加得到年潛在蒸發(fā)量。使用蒸發(fā)率函數(shù)確定區(qū)域植被水分利用能力ω。

P-M公式計算形式如下：

氣象數(shù)據(jù)同樣采用1956年-2011年阜陽氣象站每日記錄資料，包括風(fēng)速、氣溫（最低、最高、平均）、日降水量、大氣壓以及平均水汽壓等。另外，由于阜陽氣象站缺少太陽凈輻射數(shù)據(jù)，考慮到阜陽與合肥經(jīng)緯度相近，因此采用合肥市太陽凈輻射數(shù)據(jù)代替計算。endprint

3阜陽站徑流演變特征

3.1徑流趨勢變化

根據(jù)沙潁河流域阜陽站1956年-2011年徑流序列數(shù)據(jù)，運用趨勢線分析和M-K秩次相關(guān)檢驗法分析阜陽站徑流的變化情況，見圖1。

由圖1可知，沙潁河阜陽站年徑流量在研究期內(nèi)呈下降趨勢，徑流平均線性遞減率為1.34 mm/year。徑流年際分布不均勻，年平均徑流量最大值為414.0 mm，最小值僅18.3 mm，徑流極端值出現(xiàn)頻繁。1956年-1965年徑流量較大，時段內(nèi)年平均徑流量為204.1 mm，且存在明顯的豐枯交替現(xiàn)象。1965年以后年徑流量明顯減小，豐枯交替現(xiàn)象減弱，與從該時期起人類活動逐漸增強和流域內(nèi)各類水利工程調(diào)度運行影響一致。根據(jù)M-K趨勢檢驗值Z=-1.42，同樣表明阜陽站徑流序列呈下降趨勢，滿足90%置信水平，但未達到95%顯著性水平。

3.2徑流突變特征

在分析沙潁河阜陽站徑流趨勢的基礎(chǔ)上，應(yīng)用M-K檢驗法分析其突變特征，如圖2。

由UF曲線可知，沙潁河阜陽站徑流量呈下降趨勢，UF和UB兩條曲線在1957年-1966年產(chǎn)生了多個交點，這是由于沙潁河流域在該時期內(nèi)大量修建水利工程，其截流和取水過程使流域內(nèi)徑流發(fā)生劇烈的變化，進而影響阜陽站徑流也發(fā)生相應(yīng)的變化。其中，白龜山水庫1966年全面建成，總庫容9.22億m³；昭平臺水庫總庫容7.13億m³，1959年建成部分土建工程，1964年由于河道嚴重沖刷，造成沙河改道，嚴重影響了沙潁河下游阜陽站徑流過程。因此，確定徑流序列在1966年發(fā)生突變，1993年-2004年下降趨勢達到95%顯著性水平?？傮w下降趨勢與M-K秩次相關(guān)檢驗分析一致，未達到95%顯著性水平。

3.3徑流周期變化

采用小波分析方法對沙潁河阜陽站徑流周期變化特性進行分析，并使用M atlab工具繪制小波變換系數(shù)實部分布圖和方差圖，見圖3、圖4。

根據(jù)實部分布圖和方差圖，可知阜陽站徑流呈現(xiàn)出明顯的多時間變化特征，存在13 a、26 a兩類周期變化特征，13 a周期變化對徑流序列的方差貢獻最大，是徑流演變的第一主周期，26 a周期變化為第二周期。

繪制小波系數(shù)模方分布圖，如圖5。對徑流序列中各存在周期的能量大小進行分析可知，13 a周期的能量最強，周期最顯著，但在時間尺度上從20世紀60年代后期開始發(fā)生衰減，并在1980年前基本消失，轉(zhuǎn)為26 a的周期特性；26 a徑流變化周期在13 a周期發(fā)生衰減的同時開始出現(xiàn)，周期顯著性較弱，但分布時間均勻，一直持續(xù)到研究期結(jié)束，表現(xiàn)為穩(wěn)定發(fā)生趨勢。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)一方面是由于從該時期開始，阜陽地區(qū)人類活動逐漸增強，對徑流周期演變的影響逐漸加深；另一方面是由于該時期沙潁河流域大量修建水利工程，對流域內(nèi)水文過程造成了較大的影響，使沙潁河阜陽站徑流特性發(fā)生了較大改變。

4阜陽站徑流演變驅(qū)動因素貢獻分析

徑流演變驅(qū)動因素分為自然因素和人為因素。其中自然因素包括降水、氣溫、水汽壓、太陽輻射等要素的影響，而潛在蒸發(fā)量是對區(qū)域內(nèi)除降水外各氣象要素的綜合反映。徑流演變過程中，降水量增加可通過產(chǎn)匯流過程引起徑流量增加，而潛在蒸發(fā)量的上升可增加實際蒸散發(fā)量，進而引起徑流量減少。

本文分析的人為因素主要表現(xiàn)為人類的取用水活動和水利工程對徑流產(chǎn)生的影響作用，是阜陽地區(qū)人類生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水以及流域內(nèi)各類水利工程建設(shè)運行影響的綜合體現(xiàn)。

4.1降水及潛在蒸發(fā)量變化分析

（1）降水變化分析。

根據(jù)阜陽氣象站降水數(shù)據(jù)繪制年降水量趨勢分析圖，見圖6?？芍逢栒窘邓吭?0世紀60和70年代相對較少，80年代之后降水量相對上升，在長時期內(nèi)呈現(xiàn)輕微上升趨勢。另外，90年代后，降水極值出現(xiàn)頻率與前期相比有增大的趨勢?？傮w而言，沙潁河阜陽站降水量受氣候影響呈輕微上升趨勢，90年代之后受全球氣候變暖影響，降水量年際波動變大。

（2）潛在蒸發(fā)量變化分析。

根據(jù)阜陽氣象站1956年-2011年數(shù)據(jù)，計算逐日潛在蒸發(fā)量，進行累加計算得阜陽站歷年潛在蒸發(fā)量，繪制趨勢分析圖，如圖7。并結(jié)合M-K趨勢檢驗值Z=-2.65，可知阜陽站潛在蒸發(fā)量總體有顯著下降趨勢，滿足99%顯著性水平。對潛在蒸發(fā)量序列做M-K突變分析，并繪制潛在蒸發(fā)量突變趨勢如圖8?？芍碀}河阜陽站潛在蒸發(fā)量在1974年發(fā)生突變，突變前UFr后）>0，潛在蒸發(fā)量呈上升趨勢。突變點后的UF（k）<0，潛在蒸發(fā)量開始呈現(xiàn)下降趨勢，并在1983年之后達到95%顯著性水平。

4.2徑流演變驅(qū)動因素貢獻率

沙潁河阜陽站徑流量在1966年發(fā)生突變，在突變年發(fā)生之前，人類活動對徑流的影響較弱，因此采用1956年-1965年為基準年，以10年為單位劃分研究時段，分析基準期之后各時段徑流變化情況。采用基準期阜陽站實測水文氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)蒸發(fā)率函數(shù)率定參數(shù)。率定得植被水分利用能力ω=1.478。并計算得出阜陽地區(qū)徑流敏感性參數(shù)β=0.451，γ=-0.235。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)公式（41計算二者對沙潁河阜陽站各時段徑流變化的影響分量和貢獻率η_c和η_h，結(jié)果見表1。

由表1計算結(jié)果可以看出，人類活動對徑流量變化的貢獻率在各時期均在65%以上，在2006年-2011年達到95%以上，是沙潁河阜陽站徑流量變化的主要影響因素。從對徑流量的影響大小來看，在1986年-1995年達到最大，相比基準期，徑流量降低了167.5 mm，貢獻率為88.08%；1995年以后人類活動影響大小逐漸減弱，但由于氣候變化對徑流的影響也同時減弱，人類活動貢獻率反而增加，并于2006年-2011年達到95%的最大貢獻率。氣候變化對徑流量的貢獻率則逐漸減弱，1976年-1985年最大為34.14%，2006年-2011年最小，僅為4.3%。影響模式則表現(xiàn)為從負向到正向的趨勢，這種模式與阜陽當?shù)貧夂虻淖兓闆r密切相關(guān)。根據(jù)對沙潁河阜陽站降水量和潛在蒸發(fā)量的趨勢分析可以看出，和基準期相比，降水量在1966年-1985年相對較低，1985年后逐漸上升，對徑流量影響表現(xiàn)為從減少作用向增加作用轉(zhuǎn)變。潛在蒸發(fā)量在1974年左右產(chǎn)生突變，突變前呈上升趨勢，之后逐漸下降，并在1983年之后達到95%顯著性水平。而潛在蒸發(fā)量與徑流量變化呈負相關(guān)。因此，根據(jù)降水和潛在蒸發(fā)量的綜合分析結(jié)果，阜陽站氣候變化在1966年-1985年對徑流影響表現(xiàn)為減少作用，在1985年之后表現(xiàn)為增大作用。

5結(jié)論

本文以沙潁河阜陽站為代表站，基于M-K檢驗方法和小波分析法，分析沙潁河阜陽站徑流演變特性，并根據(jù)蒸發(fā)率函數(shù)，從氣候變化及人類活動的角度，分析阜陽站徑流變化情況，主要結(jié)論如下。

（1）沙潁河阜陽站徑流總體呈現(xiàn)下降趨勢，但下降趨勢不明顯，M-K檢驗結(jié)果顯示，徑流在1993年-2004年下降趨勢達到顯著性水平，總體下降趨勢則未達到統(tǒng)計意義顯著水平；徑流序列在1966年前后存在明顯突變點；存在13 a、26 a兩類演變周期，且周期演變進程受人類活動尤其是水利工程修建影響顯著。

（2）在徑流變化過程中，人類活動始終起著負向減流作用，對徑流變化的貢獻率在65%以上。影響量大小呈現(xiàn)先增后減趨勢，說明隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，人類對水資源的利用程度逐漸加深，利用方式則表現(xiàn)為逐漸從無節(jié)制的利用方式向可持續(xù)利用的方式轉(zhuǎn)變。而氣候變化對徑流的影響相對較弱，且呈現(xiàn)先負面減流后增大徑流的趨勢。endprint