變化環(huán)境下渭河流域水文干旱演變特征剖析

任立良，沈鴻仁，袁飛，等

摘要：目的：氣候變化和人類活動(dòng)不僅是影響水文循環(huán)過程、驅(qū)動(dòng)水資源演變的兩大因素，也是區(qū)域干旱發(fā)生演變的重要驅(qū)動(dòng)力。環(huán)境變化導(dǎo)致水文過程出現(xiàn)非平穩(wěn)特征，樣本同分布及時(shí)間序列平穩(wěn)性的假設(shè)不再成立，致使傳統(tǒng)干旱評(píng)估方法結(jié)果受到質(zhì)疑。本文以渭河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，采用可變下滲容量（variable infiltration capacity，VIC）模型定量估算環(huán)境變化引起的徑流響應(yīng)，并提出適應(yīng)于非平穩(wěn)條件下的水文干旱評(píng)估方法，據(jù)此剖析渭河流域水文干旱時(shí)空演變特性，評(píng)價(jià)環(huán)境變化對(duì)干旱發(fā)生演變的影響作用。方法：應(yīng)用多種變異檢測(cè)方法，綜合分析渭河流域水文氣象要素變異性，揭示非平穩(wěn)水文過程事實(shí)。依據(jù)徑流變異診斷結(jié)果，將研究期劃分為受人類活動(dòng)干擾較弱的基準(zhǔn)期和人類活動(dòng)影響較強(qiáng)的變化期，采用VIC模型重建變化期天然徑流序列，并對(duì)渭河流域徑流衰減進(jìn)行歸因分析。針對(duì)非平穩(wěn)水文干旱評(píng)估，提出基于標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)（standardized precipitation index，SPI）的多種參數(shù)化方案，包括（1）傳統(tǒng)的時(shí)不變參數(shù)方案，計(jì)算 SRIi序列；（2）時(shí)變參數(shù)方案，計(jì)算基準(zhǔn)期SRIb和變化期SRIh（合并得到SRIv）序列；（3）移植參數(shù)方案，計(jì)算變化期SRIt序列；（4）基于VIC重建徑流計(jì)算變化期SRIr序列。通過多種參數(shù)化方案結(jié)果對(duì)比評(píng)定 SRIv對(duì)非平穩(wěn)干旱評(píng)估的適應(yīng)性，驗(yàn)證變化期徑流序列非平穩(wěn)事實(shí)，并基于實(shí)測(cè)降水系列計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI，輔助驗(yàn)證SRI合理性。SRIh為實(shí)際旱澇序列，刻畫了氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)旱澇的共同影響作用，SRIr表征單一氣候因素對(duì)旱澇的影響。假定氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)干旱的影響是獨(dú)立的，采用SRIh與SRIr之差值（SRIh－r）表征人類活動(dòng)對(duì)干旱的影響。結(jié)果：（1）渭河流域年降水量、咸陽(yáng)及華縣站年徑流量均呈總體下降趨勢(shì)，氣候傾向率分別為－14.0 mm/10 a、－7.80億m3/10 a和－10.20億 m3/10 a；年最高、平均、最低氣溫和潛在蒸散發(fā)量均呈上升趨勢(shì)，氣候傾向率分別為0.32℃/10 a、0.29℃/10 a、0.32℃/10 a和11.9 mm/10 a。MK檢驗(yàn)、Pettitt突變點(diǎn)檢測(cè)及降水與徑流雙累積曲線均一致表明：咸陽(yáng)和華縣水文站年徑流量均呈顯著減小趨勢(shì)且在 1990年出現(xiàn)突變。因此，選取 1961—1990年為基準(zhǔn)期，1991—2013年為變化期。（2）應(yīng)用VIC模型對(duì)渭河流域徑流衰減進(jìn)行歸因分析，發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)是引起 1991年以來(lái)渭河流域徑流量衰減的主要因素，咸陽(yáng)和華縣站由人類活動(dòng)引起的徑流變化量分別為－16.1億 m3和－23.1億 m3，對(duì)總徑流下降的貢獻(xiàn)率分別為－66.7%和－71.0%。社會(huì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水需求增長(zhǎng)是引起徑流下降的主要原因。（3）對(duì)比評(píng)定SRI多參數(shù)化方案結(jié)果表征非平穩(wěn)水文干旱的合理性，發(fā)現(xiàn)基于時(shí)變參數(shù)方案計(jì)算的SRIv能合理重建歷史水文干旱序列，準(zhǔn)確識(shí)別1962年、1969年、1971—1972年、1982年、1986年、1994—1995年、1997年、1999年、2002年和 2011年等歷史干旱記錄年份，并具備穩(wěn)健的標(biāo)準(zhǔn)化干旱指數(shù)統(tǒng)計(jì)特性。對(duì)比分析SPI與SRIv，顯示氣象干旱傳播至水文干旱存在滯后、衰減的特點(diǎn)。（4）基于SRIv評(píng)估渭河流域水文干旱時(shí)空演變特性，發(fā)現(xiàn)渭河流域存在年代際尺度的旱澇交替現(xiàn)象，其中，20世紀(jì)70、90年代呈現(xiàn)全流域干旱頻發(fā)的特征。分析氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)干旱的影響作用，發(fā)現(xiàn)二者均是影響變化期旱澇演化的重要因素，其中人類活動(dòng)是短歷時(shí)水文干旱發(fā)生的主導(dǎo)因素，氣候變化主要影響長(zhǎng)歷時(shí)旱澇的演變趨勢(shì)。結(jié)論：渭河流域1961—2013年徑流量總體呈顯著減小的趨勢(shì)，且在 1990年發(fā)生顯著性突變。基于VIC模型的徑流衰減歸因分析進(jìn)一步表明：人類活動(dòng)是導(dǎo)致渭河流域徑流量衰減的主要原因，其貢獻(xiàn)率為－66.7%～－71.0%。多種SRI參數(shù)化方案 對(duì)比評(píng)定結(jié)果表明：SRIv能夠較準(zhǔn)確識(shí)別歷史干旱過程，并且具有更穩(wěn)健的統(tǒng)計(jì)特性，更適應(yīng)于非平穩(wěn)條件下的干旱評(píng)估。渭河流域存在年代際尺度旱澇交替的演變特征，對(duì)于短歷時(shí)干旱過程，人類活動(dòng)是主導(dǎo)因素，而氣候變化主要影響長(zhǎng)歷時(shí)旱澇演變趨勢(shì)。

來(lái)源出版物：水科學(xué)進(jìn)展, 2016, 27(4): 492-500

入選年份：2016