劉永婷, 徐光來, 高 超, 任秀真, 劉繼鋒, 李 鵬

(1.安徽師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院, 安徽 蕪湖 241002; 2.安徽自然災(zāi)害過程與 防控研究省級實(shí)驗(yàn)室, 安徽 蕪湖 241002; 3.寧波大學(xué) 地理與空間信息技術(shù)系, 浙江 寧波315211; 4.信陽市水文水資源勘查局, 河南 信陽 464000; 5.河南省駐馬店水文水資源勘測局, 河南 駐馬店450003)

流域水文循環(huán)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，并受多種因素的影響，其中降水、蒸發(fā)和徑流是水文循環(huán)的基本途徑[1-2]。隨著氣候變化和人類活動綜合作用的加劇，降水、蒸發(fā)和河川徑流等水文要素發(fā)生顯著的時(shí)空變化，引發(fā)部分流域極端氣候及水文事件的頻率和強(qiáng)度增加，加劇了旱澇災(zāi)害頻發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。近年來，變化環(huán)境下的徑流演變規(guī)律及其對氣候變化和人類活動等驅(qū)動因子的響應(yīng)逐漸成為目前研究的熱點(diǎn)問題之一[5-6]。

關(guān)于降水、徑流關(guān)系、徑流演變規(guī)律及徑流變化驅(qū)動因子等開展了大量研究，廣泛使用線性趨勢法、降水徑流雙累積曲線及小波周期分析等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，主要涉及潮河流域、黃河流域、長江流域、元江—紅河等眾多流域。另外研究人員們也分別對渭河、白龍江和漢江等流域上游水源區(qū)的徑流量變化趨勢及其影響因素進(jìn)行了研究[7-10]，結(jié)果表明各流域徑流量總體上均呈減少趨勢，不同區(qū)域影響徑流量減少的主導(dǎo)因素差異顯著。

淮河流域地處南北氣候的過渡區(qū)域，氣候條件復(fù)雜，旱澇災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重威脅了流域的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因而充分認(rèn)識淮河上游徑流量的演變規(guī)律及其與氣候因子的相關(guān)性，可為流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水利工程建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展提供參考。現(xiàn)在已有關(guān)于淮河流域徑流變化趨勢及其與氣候要素、土地利用等因素的相互關(guān)系的研究[11-13]。

但在徑流、降水和潛在蒸散發(fā)三者的變化趨勢、周期性和相互關(guān)系等方面的研究相對較少，徑流變化對氣候驅(qū)動因子的響應(yīng)程度仍需進(jìn)一步探討。

本文擬以淮河上游為研究區(qū)，運(yùn)用時(shí)序分析和交叉小波分析法探討流量和氣候要素(降水、潛在蒸散發(fā))的變化趨勢及周期性特征，采用氣候彈性系數(shù)探討流量變化對氣候要素(降水、潛在蒸散發(fā))的響應(yīng)，并定量估算兩氣候要素對流量變化的貢獻(xiàn)率。旨在揭示淮河流域上游地區(qū)水文氣候要素的變化特征，從而為改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)性開發(fā)利用提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)選擇的是長臺關(guān)以上的流域，位于113°27′—114°6.6′E，32°6.6′—32°43.2′N，海拔介于69～1 110 m。流域內(nèi)地貌以低山丘陵為主，地勢西北高東南低。流域?qū)儆跐駶櫄夂蛳虬霛駶櫄夂蜻^渡帶，年平均氣溫為11～16 ℃，研究區(qū)年降水量為500～1 500 mm，受東亞季風(fēng)影響大，流域降水年內(nèi)分布不均，多集中在6—9月，易發(fā)生旱澇災(zāi)害。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)均來源于河南省信陽市水文局。流量數(shù)據(jù)為1975—2014年淮河上游長臺關(guān)站的實(shí)測流量數(shù)據(jù)。長臺關(guān)站(114°4′E，32°19′N)位于河南省信陽市的長臺關(guān)鎮(zhèn)，控制流域總面積約3 090 km2，是淮河上游的重要水文站[14]?；春恿饔虻拿娼邓恳罁?jù)流域各個(gè)站點(diǎn)降水量(表1)，采用泰森多邊形法計(jì)算獲得。潛在蒸散發(fā)根據(jù)區(qū)內(nèi)和周圍各站點(diǎn)的常規(guī)觀測資料，采用彭曼公式計(jì)算得到日參考蒸散發(fā)，然后采用IDW插值得到長臺關(guān)站控制范圍內(nèi)的參考蒸散發(fā)。插值得到的結(jié)果與流域內(nèi)南灣蒸發(fā)皿觀測資料具有很好的一致性。插值結(jié)果可以用來表示流域的面潛在蒸散發(fā)量[1]。

表1 淮河上游雨量站點(diǎn)信息

2.2 研究方法

本文采用Morlet小波功率譜對其進(jìn)行周期演變分析，運(yùn)用連續(xù)小波變換(CWT)、交叉小波變換(XWT)和小波相干(WTC)分析年平均流量和氣候要素(降水、潛在蒸散發(fā))在時(shí)頻中的相關(guān)性及其所包含的周期性特征，并運(yùn)用置信水平α=0.05下的紅噪音標(biāo)準(zhǔn)譜進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[15-16]。

借鑒Schaake等[17]提出的氣候變化彈性模型，探討流量與氣候要素(降水、潛在蒸散發(fā))的響應(yīng)關(guān)系。根據(jù)徑流對降水和潛在蒸散發(fā)的彈性系數(shù)，氣候變化引起的流量變化可表為：

(1)

3 結(jié)果與分析

3.1 流域內(nèi)的水文變化

1975—2014年淮河上游多年平均流量為32.65 m3/s，流域最大流量72.46 m3/s(1989)，最小值出現(xiàn)在2001年，僅為4.19 m3/s，絕對變化幅度為68.27 m3/s。多年平均降水量為993.09 mm，年降水最大值出現(xiàn)在2000年(1 427.49 mm)，最小值出現(xiàn)在2001年(500.45 mm)，與流量極值出現(xiàn)相同時(shí)間。多年平均潛在蒸散發(fā)量為767.2 mm，流域最大潛在蒸散發(fā)量為1 086.5 mm(2001)，最小值584.4 mm(1980)，絕對變化幅度為502.1 mm。

淮河上游年平均流量、年降水量和年蒸散發(fā)量線性趨勢均未達(dá)到p<0.05的顯著性水平(圖1a)，其中流量波動較大(Cv=0.60)，降水量其次(Cv=0.23)，蒸發(fā)量波動較小(Cv=0.11)。年平均流量與降水呈正相關(guān)，與蒸散發(fā)呈負(fù)相關(guān)(圖1b)。

圖1 淮河上游地區(qū)年平均流量(Q)、降水量(P)和潛在蒸散發(fā)量(Eo)線性趨勢(a)與相關(guān)性(b)

3.2 徑流及氣候要素周期性分析

為了識別淮河上游水文氣象序列的周期成分及其在時(shí)間尺度上的分布，本文選用交叉小波對淮河上游年平均流量和氣候要素(降水、潛在蒸散發(fā))的變化特征及三者不同時(shí)間尺度相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析，得到年平均流量、降水及潛在蒸散發(fā)的連續(xù)小波功率譜、交叉小波功率譜和小波相干譜(如圖2所示)。黑色和白色分別表示能量密度的谷值和峰值，黑色細(xì)實(shí)線為小波影響錐邊界，黑色粗實(shí)線為95%置信區(qū)間邊界，通過紅噪聲檢驗(yàn)?；春由嫌蔚哪昶骄髁吭?982—1998年有6～12 a長周期，年降水量在2000—2003年主要以1～3 a周期為顯著周期(超過95%的置信度水平)，年潛在蒸散發(fā)量周期在1978—1985年有2 a左右顯著周期(圖2a—2c)。在多時(shí)間尺度上，年平均流量和年降水量存在顯著正相關(guān)關(guān)系，在1998—2004年的相關(guān)顯著周期為1～3 a，并且在1979—2000和2000—2013年疊加了6～9，9～10.5 a周期帶。年降水量和年潛在蒸散發(fā)量在1978—1982年存在2 a左右相關(guān)顯著周期，年潛在蒸散發(fā)量與年平均流量的2～3 a顯著周期變化主要分布在1999—2003年，其中年潛在蒸散發(fā)量與年平均流量在1987—2001年疊加7～9 a的周期(圖2d—2f)。

圖2 年平均流量(Q)、降水量(P)和潛在蒸散發(fā)量(Eo)的小波功率譜、交叉小波功率譜和小波相干譜

由圖2g可知，年平均流量和年降水量在大部分時(shí)頻域中表現(xiàn)同相位關(guān)系，1987—2013年年平均流量和年降水量在2～6 a左右的共振周期上表現(xiàn)為同相位正相關(guān)變化特征，相反，年降水量和年潛在蒸散發(fā)量則表現(xiàn)為明顯的反向位關(guān)系(圖2h)，1980—1984年在2 a左右、1998—2005年在3.5 a左右的共振周期上存在顯著的負(fù)相關(guān)，在1998—2013年亦趨于負(fù)相關(guān)，但并不顯著。年潛在蒸散發(fā)量和年平均流量在1990—2005年兩者趨于反向位負(fù)相關(guān)變化，在約3 a左右的周期上較為顯著。

綜上所述，水文氣象要素變化周期具有一定差異，也存在相似性，年平均流量、降水和潛在蒸散發(fā)量變化的年代際周期特征，以2～3 a周期為常見，這與以往研究淮河上游年平均流量存在的主要周期相一致[21]。

3.3 徑流對氣候要素變化的響應(yīng)

為進(jìn)一步評估氣候要素對徑流的影響，定量分析出兩氣候因子在流量變化中所在的比重，年降水和年潛在蒸散發(fā)對年平均流量的彈性系數(shù)εP和εEo分別為2.30和-0.47(表2)，即10%的降水減少導(dǎo)致23.0%的流量減少，而潛在蒸散發(fā)增加10%，將導(dǎo)致流量減少4.7%，這說明隨著降水的減少，年平均流量減少的速度更快些?？赡苁且?yàn)榻邓^少的時(shí)候，地下流量的比例較大，而降水較多時(shí)，地下流量的比例較小，這就導(dǎo)致地表流量變化的速度要快于降水變化速度。各季節(jié)氣候因子對年平均流量的貢獻(xiàn)有一定差異，四季降水對年平均流量的彈性系數(shù)均為正值，其中夏季降水的彈性系數(shù)最大。夏季和冬季的潛在蒸散量對年平均流量的彈性系數(shù)為負(fù)值，而春季和秋季潛在蒸散量對年平均流量的彈性系數(shù)為正值，可能是日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速的下降造成了潛熱通量減少，出現(xiàn)“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象[22]。

表2 彈性系數(shù)法定量分析氣候變化對淮河上游徑流變化的影響

基于彈性系數(shù)法定量評估氣候變化和人類活動對流域流量變化的影響，結(jié)果顯示氣候變化和人類活動對流量減少的影響率分別為70.07%和29.93%，氣候變化是導(dǎo)致淮河上游流量減少較為主要的原因。由此可見，長臺關(guān)年平均流量與降水量關(guān)系密切，而與潛在蒸散發(fā)的關(guān)系不大，未來降水的變化是影響水資源變化的主要因素。

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

河川徑流的減少與氣候變化有著密切的聯(lián)系，人類活動的加劇也會對徑流產(chǎn)生一定影響，如控制性水利工程、生產(chǎn)生活用水和水土保持措施等，這些人類活動均會造成河道徑流量的減少。長臺關(guān)上游14 km處正在建設(shè)一個(gè)大型水庫——出山店水庫，總庫容達(dá)到1.72×109m3。出山店水庫上游有中型水庫6座，小型一類水庫16座，小型二類水庫83座，以上105座水庫總庫容達(dá)2.17×109m3。水庫建設(shè)對汛期徑流量影響較大，但對于年徑流量影響相對較小，所以本文的年平均流量數(shù)據(jù)為1975—2014年淮河上游長臺關(guān)站的實(shí)測數(shù)據(jù)，并未進(jìn)行資料還原。本文研究表明降水量的減少和潛在蒸散發(fā)的增加在一定程度上影響了淮河流域上游的徑流量，而潛在蒸散發(fā)的變化對徑流減少的影響微弱，降水量減少和下墊面變化是造成徑流減少的重要因素，這與張樹磊等[23]的研究結(jié)果相吻合。由于研究區(qū)以農(nóng)業(yè)為主，生產(chǎn)和生活過多用水，也會致使流域上游徑流減少。另外，土地覆被/土地利用變化對流域徑流的減少也有重要影響[24]。20世紀(jì)80年代以來，淮河流域開始實(shí)行水土保持工作，改變了研究區(qū)的土地利用和植被覆蓋，一定程度上引起了徑流的減少[25]，徑流量的周期變化受降水量的影響小，這與圖1中平均流量過程線變化趨勢一致。

蒸發(fā)是水文學(xué)研究的難題，研究區(qū)的實(shí)際蒸發(fā)量是流域水面蒸發(fā)、植被蒸騰和土壤蒸發(fā)的總和，而本文的蒸發(fā)數(shù)據(jù)是基于普通氣象資料利用彭曼公式計(jì)算出來的(僅考慮流域水面蒸發(fā))，只是蒸發(fā)的一部分。在探討徑流影響因素時(shí)只考慮了徑流與降水、潛在蒸散發(fā)的相關(guān)關(guān)系，但徑流變化同時(shí)會受到溫度、社會經(jīng)濟(jì)耗水和土地利用等的影響。氣候彈性系數(shù)法是在假設(shè)降水和潛在蒸散發(fā)是相互獨(dú)立的變量前提下，分離降水和潛在蒸散發(fā)對徑流的影響，這也會降低結(jié)果的精確率，因此單純地對比分析三者的變化特征會存在一定誤差。由于本研究采用數(shù)據(jù)時(shí)間序列較短，也未能在更長時(shí)間尺度上研究該流域植被、土地利用、水利工程等更多因子對徑流的影響。如何細(xì)化徑流變化對不同人類活動的響應(yīng)，需要更加深入地探討。未來應(yīng)利用水文模型與多變量彈性分析相結(jié)合，情景模擬和定量評價(jià)流域徑流的多時(shí)空尺度變化特征，定量區(qū)分氣候變化和人類活動作用，精確分析流域徑流對氣候驅(qū)動因子的響應(yīng)。

4.2 結(jié) 論

(1) 1975—2014年淮河上游年平均流量和年降水均呈鋸齒狀震蕩，而年潛在蒸散發(fā)呈微弱增加趨勢(變化不明顯)，年際變化率分別為-3.8 m3/(s·10 a)，-26.3 mm/10 a和2.1 mm/10 a。徑流量年內(nèi)分配不均衡，Cv超過0.50，徑流年際變化較為強(qiáng)烈。

(2) 淮河上游年平均流量、年降水量和年潛在蒸散發(fā)量存在2～3 a的顯著周期。年徑流量與降水量在多時(shí)間尺度存在顯著正相關(guān)，年平均流量與年潛在蒸散發(fā)量存在顯著負(fù)相關(guān)周期，顯著相關(guān)區(qū)域均主要分布于20世紀(jì)90年代以后。

(3) 基于彈性系數(shù)法定量估算了氣候變化對徑流的影響，10%的降水減少導(dǎo)致23.0%的徑流減少，而潛在蒸散發(fā)增加10%，將導(dǎo)致徑流減少4.7%。年平均流量與降水量關(guān)系密切，而與潛在蒸散發(fā)的關(guān)系不大，降水是導(dǎo)致淮河上游徑流減少的主要?dú)夂蛞亍?/p>