代曉穎, 許有鵬, 林芷欣, 王 強, 徐 羽, 高 斌

(南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院, 南京 210023)

在全球變化的大背景下，我國水安全與水資源供應(yīng)問題越來越突出[1]。流域徑流變化與日益嚴(yán)峻的旱澇災(zāi)害關(guān)系密切，認(rèn)清徑流變化的特征與機制對于保證區(qū)域水安全具有重要意義。氣候變化與人類活動作為影響地表徑流的兩個重要因素，受到了國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注[2-4]。氣候變化通過影響降水、蒸散發(fā)等要素，進而改變流域的徑流量[5-6]。人類活動通過改變土地利用方式、修建水利工程設(shè)施等，對流域徑流產(chǎn)生直接或間接的影響[7-8]。對流域徑流變化進行定量的歸因分析將有利于正確認(rèn)識變化環(huán)境下的水文變化特征，并為進一步制定區(qū)域洪澇防控政策提供依據(jù)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對于分離氣候變化與人類活動對徑流變化的貢獻率展開了許多研究，主要包括水文模型模擬分析以及水文統(tǒng)計分析兩大類[9-12]。通過SWAT等水文模型進行貢獻率分析的研究方法對于研究區(qū)數(shù)據(jù)要求較高，雙累積曲線、降雨—徑流多元線性經(jīng)驗方程等水文統(tǒng)計研究方法賦權(quán)過程存在不確定性。

基于水熱耦合平衡方程的徑流變化歸因分析，以降水、潛在蒸散發(fā)以及下墊面變化為主要分析對象，從水量平衡與熱量平衡的角度，將三者對流域徑流變化的貢獻率進行定量分離[13]。相關(guān)學(xué)者運用該方法在加拿大、中國等地區(qū)流域的徑流變化歸因分析中已取得較好的研究結(jié)果[14-15]。秦淮河流域位于我國城市化發(fā)展迅速的長江下游三角洲地區(qū)，是江蘇省南京市的母親河，其徑流變化對南京防洪減災(zāi)、水生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義?；诖?，本文采用基于水熱耦合平衡方程的方法，對秦淮河流域1987—2015年的徑流變化進行歸因分析，以期為該流域水資源可持續(xù)利用及洪澇防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

秦淮河流域地處長江下游江蘇省西南部，包括南京市區(qū)的一部分及江寧區(qū)、溧水區(qū)和句容市的大部分。秦淮河有溧水河、句容河兩源，兩源在江寧區(qū)西北村匯合為秦淮河干流，從東水關(guān)流入南京城。秦淮河下游與南京護城河合一，自東向西橫貫市區(qū)南部至西水關(guān)流出匯入長江。秦淮河干流長約34 km，流域集水面積約2 631 km2。秦淮河流域是一典型山間盆地，沿河兩岸是低洼圩區(qū)，地面高程6～8 m，圩區(qū)后部是丘陵山區(qū)，地面高程300 m以下。秦淮河中下游地區(qū)由于地勢平坦，平原區(qū)洪澇水相互交織，外江洪水頂托、內(nèi)澇難排，共同導(dǎo)致該平原區(qū)洪澇災(zāi)害風(fēng)險高、防汛壓力大。隨著近年來城市化進程加快，流域中下游的洪澇災(zāi)害風(fēng)險顯著增大，嚴(yán)重威脅人民生命和財產(chǎn)安全。

圖1 秦淮河流域位置、地形、水系及站點分布

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文選用了秦淮河流域內(nèi)1987—2015年期間的降水?dāng)?shù)據(jù)、徑流數(shù)據(jù)、潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)、下墊面數(shù)據(jù)以及社會經(jīng)濟人口數(shù)據(jù)。降水?dāng)?shù)據(jù)來源于研究區(qū)內(nèi)22個雨量站的實測資料，通過泰森多邊形法求得面降水量數(shù)據(jù)。徑流數(shù)據(jù)取自水文年鑒中流域出口武定門站、秦淮新河站的日徑流數(shù)據(jù)，潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)來源于南京國家氣象站相關(guān)氣象數(shù)據(jù)(平均風(fēng)速、日照時數(shù)、平均本站氣壓、平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、平均相對濕度)，通過采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的Penman-Monteith公式[16]求得。土地利用數(shù)據(jù)來源于Landsat衛(wèi)星遙感影像解譯結(jié)果，植被覆蓋數(shù)據(jù)采用NDVI指數(shù)表示，選取代表年份植被生長季的Landsat衛(wèi)星遙感影像，在Erdas Imagine 2014軟件中處理計算所得。江蘇省經(jīng)濟及人口數(shù)據(jù)來源于2016年《江蘇統(tǒng)計年鑒》。

2.2 研究方法

2.2.1 水文氣象分析 采用累積距平法對徑流深進行初步分析[17]，累積距平法可以通過觀察徑流序列差積曲線的變化來判斷數(shù)據(jù)點的離散程度和變化趨勢，并找到徑流序列的轉(zhuǎn)變年份。同時，采取線性趨勢分析等方法對各項水文氣象要素變化趨勢進行分析。

2.2.2 徑流變化歸因分析 Budyko[18]認(rèn)為流域內(nèi)長期年均實際蒸散發(fā)量可用于描述其多年能量狀況，年均降水量可用于衡量其多年水分狀況，因此二者的比值(E/P)主要由流域內(nèi)長年的水熱耦合平衡所決定，而該比值可由流域內(nèi)長期年均降水量、年均潛在蒸散發(fā)量來表示。該公式后來被相關(guān)學(xué)者不斷發(fā)展為Choudhury-Yang公式[19-21]，表達式如下：

(1)

式中：E為年平均實際蒸散發(fā)量；P為年平均降水量；E0為年平均潛在蒸散發(fā)量；n為反映流域下墊面特征的參數(shù)(簡稱下墊面參數(shù))，流域下墊面特征包括地形、土壤和植被等，采用流域多年平均的蒸散發(fā)(E=P-R)，潛在蒸散發(fā)(E0)和降水(P)，由公式(1)可以反算出下墊面參數(shù)n。

公式(1)中P，E0，n是相互獨立的變量，結(jié)合流域長期平均的水量平衡方程(P=E+R)以及Schaake對彈性系數(shù)的定義[22]，年徑流深R的變化可以表示為以下全微分形式：

(2)

依據(jù)水熱耦合平衡方程的微分形式，可以求出徑流的降水彈性系數(shù)(εP)、徑流的潛在蒸散發(fā)彈性系數(shù)(εE0)以及徑流的下墊面彈性系數(shù)(εn)，令φ=E0/P，計算公式如下[23]：

(3)

(4)

(5)

根據(jù)轉(zhuǎn)變年份將研究時間劃分為兩個階段，從階段1到階段2年徑流的變化可以用兩個階段的多年平均徑流深之差(ΔR)來表示。徑流深的變化由氣候變化(ΔRC)及流域下墊面變化(ΔRn)兩方面因素導(dǎo)致，其中氣候變化的影響包括降水變化引起的徑流變化(ΔRP)和潛在蒸散發(fā)變化引起的徑流變化(ΔRE0)兩部分。

根據(jù)徑流的氣候彈性系數(shù)(εP和εE0)和下墊面系數(shù)(εn)，可以分別估算出降水、潛在蒸散發(fā)和下墊面變化引起的徑流變化，公式如下：

(6)

式中：ΔP，ΔE0，Δn分別表示兩個階段的多年平均降水量、潛在蒸散發(fā)量和下墊面參數(shù)的差值。階段1和階段2的流域下墊面條件，可以分別基于兩個階段的多年平均P，E0和E由公式(1)反算得到。

由降水、潛在蒸散發(fā)和下墊面(參數(shù)n)變化引起的徑流變化可計算出三者對于流域徑流變化的貢獻率，公式如下：

(7)

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流深變化趨勢及轉(zhuǎn)變年份檢驗

從年徑流深累積距平變化曲線(圖2A)可以看出，1987—2000年徑流深累積距平總體呈現(xiàn)較為劇烈的波動下降趨勢，2001—2015年距平呈現(xiàn)相對平穩(wěn)的波動上升趨勢，因此可以判斷流域徑流在2001年左右發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變。根據(jù)轉(zhuǎn)變年份，將研究的時間序列劃分為兩個階段，1987—2000年為階段1，2001—2015年為階段2。

如圖2B所示，秦淮河流域年徑流深曲線與其5年滑動平均曲線均顯示，流域的年徑流變化并不穩(wěn)定，總體呈上升的趨勢，并伴隨一定幅度的震蕩，1991年年徑流深最大。在1987—2015年期間，年徑流深以113.82 mm/10 a的速率遞增。與2001年前相比，轉(zhuǎn)變發(fā)生后年均徑流深增加52.21%，可見秦淮河流域的徑流深產(chǎn)生了較為顯著的增加，區(qū)域洪澇安全的潛在威脅日益加劇。

3.2 降水及潛在蒸散發(fā)變化趨勢分析

氣候變化對水循環(huán)過程產(chǎn)生直接影響，是改變流域徑流的主要因素之一。一般來說，徑流量隨著降水量的增加而增加，隨著蒸發(fā)量的增加而減少。由圖3A可知，秦淮河流域降水量在1987—1996年波動幅度明顯，在1997—2015年波動較為平穩(wěn)，而線性趨勢分析顯示其多年間變化并不明顯。年降水量在1991年達到峰值，與徑流深峰值相對應(yīng)。1987—2000年降水呈減少趨勢，與累積距平的變化特征相一致。潛在蒸散發(fā)變化曲線及其5年滑動平均曲線顯示(圖3B)，潛在蒸散發(fā)在1987—2005年變化幅度較小，較為平穩(wěn)，而2006年后增加幅度顯著。在1987—2015年期間，潛在蒸散發(fā)總體呈現(xiàn)上升趨勢。與2001年前相比，轉(zhuǎn)變發(fā)生后年均降水增加2.42%，潛在蒸散發(fā)增加6.24%。

3.3 徑流變化的歸因結(jié)果

根據(jù)計算，1987—2015年秦淮河流域降水、潛在蒸散發(fā)以及下墊面的彈性系數(shù)見表1。當(dāng)年降水量增加1%時，秦淮河流域的年徑流深增加幅度為0.69%；當(dāng)年潛在蒸散發(fā)量增加1%時，流域的年徑流深將減小0.92%；當(dāng)流域下墊面參數(shù)增加1%時，流域年徑流深將減小0.64%?？梢娫谇鼗春恿饔颍瑥搅髯兓瘜τ跐撛谡羯l(fā)最為敏感，對降水敏感度其次，下墊面最低。

圖2 秦淮河流域徑流深累積距平及年際變化

圖3 秦淮河流域降雨及潛在蒸散發(fā)年際變化

表1 秦淮河流域降水、潛在蒸散發(fā)、下墊面彈性系數(shù)及其對徑流變化貢獻率

由表1可知，降水減少、潛在蒸散發(fā)增大以及下墊面變化對徑流增加的貢獻率分別為4.0%，-13.6%，115.5%。盡管秦淮河流域徑流對降水及潛在蒸散發(fā)變化更為敏感，但較之2001年前，轉(zhuǎn)變發(fā)生后時段內(nèi)二者的變化幅度較小，根據(jù)計算公式(6)，由降水及潛在蒸散發(fā)變化引起的徑流減少量較少，因此氣候變化總體對徑流變化的貢獻率較低。而2001年后下墊面參數(shù)n變化幅度達-49.77%，其對流域徑流變化貢獻率高達115.5%?？傮w而言，氣候變化與下墊面變化對于徑流減少的貢獻率分別為-9.6%，115.5%，下墊面變化對徑流變化的影響大于氣候變化，這與Bian等[24]的研究結(jié)果一致。

4 討 論

4.1 氣候變化對徑流變化的影響

1987—2015年期間秦淮河流域降水與徑流年際變化基本呈現(xiàn)相同的規(guī)律，流域徑流對于降水響應(yīng)較好。研究區(qū)徑流發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變后，年均降水增加28.09 mm，增加幅度較小，對于流域徑流增加影響為正。潛在蒸散發(fā)由氣溫、日照、相對濕度等多個氣象要素所決定，反映流域綜合的氣候特征。2001年后流域內(nèi)年均潛在蒸散發(fā)量增加60.85 mm，變化幅度較為明顯，對于徑流增加產(chǎn)生反向影響。

秦淮河流域與太湖流域在近30年間的降水量與徑流量變化基本一致，呈一定程度的上升[25]。流域降水變化直接影響徑流，因此降水與徑流年際變化往往呈現(xiàn)一致的變化特征，流域徑流對降水變化較為敏感[26]。盡管目前有“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象的存在，但許多研究認(rèn)為流域內(nèi)潛在蒸散發(fā)的增加具有減流的作用[27-28]，使得其對流域徑流增加的貢獻率為負(fù)。1987—2015年秦淮河流域徑流變化對氣候變化更為敏感，但其本身變化幅度較小，因此總體對徑流變化的影響并不大，在太湖上游西苕溪流域[29]的相關(guān)研究中有類似結(jié)論。

4.2 下墊面變化對徑流變化的影響

通常認(rèn)為流域下墊面條件中的地形、地質(zhì)和土壤條件相對穩(wěn)定，因此下墊面參數(shù)n的變化主要由土地利用變化/植被覆蓋變化導(dǎo)致。一般認(rèn)為n值的增加是由流域內(nèi)植被覆蓋的提高導(dǎo)致的[30]，秦淮河流域n值在2001年后下降了49.77%，可以認(rèn)為這主要是因為流域內(nèi)植被覆蓋降低。秦淮河流域所處的江蘇省南京市以及句容市，位于中國東部城市化高速發(fā)展地區(qū)。江蘇省2015年國民經(jīng)濟占全國的10.4%，是我國第二大經(jīng)濟強省，全省城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝?6.4%，城市化率較高。近年來伴隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，區(qū)域內(nèi)下墊面變化顯著。

南京市近30年來，建成區(qū)面積擴大了6倍多，2000年之后各時段耕地和城市建設(shè)用地年均總變化量遠遠高于2000年之前[31]，這與本文所判斷的徑流轉(zhuǎn)變年份相接近。如圖4所示，1987—2013年期間，流域內(nèi)建設(shè)用地面積增幅較大，增加了345.88%；耕地面積持續(xù)下降，降幅為14.94%。流域內(nèi)林地面積經(jīng)歷先增多后減小過程，總體呈下降趨勢，水域與裸地面積所占比重一直較小。流域內(nèi)自然下墊面被不透水面取代，使得降水后流域地表自然的截留、入滲、填洼等功能減弱，從而導(dǎo)致地表徑流量增大，匯流時間縮短，洪水發(fā)生頻率增多，洪澇風(fēng)險增大[32-33]。

植被的冠層、根系以及其枯枝落葉能通過截留、增大土壤蓄滲能力、減緩坡面漫流等而起到減少徑流的作用。良好的植被覆蓋度將有利于減少流域的產(chǎn)流量[34]，從而降低流域的洪澇風(fēng)險。由圖5可知，伴隨著城市化進程的發(fā)展，建設(shè)用地規(guī)模的不斷擴張，秦淮河流域植被覆蓋度在近30年來明顯降低，尤其是流域下游地區(qū)，處于南京市市轄區(qū)，下墊面變化顯著。秦淮河流域內(nèi)植被對于徑流的調(diào)節(jié)功能降低，使得其徑流增加，從而導(dǎo)致洪澇風(fēng)險的加劇。

圖4 秦淮河流域土地利用類型變化

圖5 秦淮河流域植被覆蓋變化

5 結(jié) 論

(1) 1987—2015年流域年徑流總體呈上升的趨勢，并伴隨一定幅度的震蕩。徑流深在2001年左右發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變，以此將時間序列劃分為兩個階段，2001年后，流域年均徑流深增加約52.21%。秦淮河流域的徑流深產(chǎn)生了較為顯著的增加，對于區(qū)域洪澇安全的威脅日益加劇。

(2) 年降水量多年間變化趨勢并不明顯，年潛在蒸散發(fā)量總體呈現(xiàn)上升趨勢。與轉(zhuǎn)變發(fā)生前相比，2001年后年平均降水增加2.42%，潛在蒸散發(fā)增加6.24%，下墊面參數(shù)減小49.77%?？傮w上，1987—2015年秦淮河流域氣候變化幅度小于下墊面變化幅度。

(3) 徑流深對于降水、潛在蒸散發(fā)以及下墊面的彈性系數(shù)分別為0.69，-0.92，-0.64，徑流變化對于氣候變化更加敏感。氣候變化與下墊面變化對徑流深增加的貢獻率分別為-9.6%，115.5%，城市化等人類活動導(dǎo)致的下墊面變化為影響徑流變化的主要因素。建議城市發(fā)展采取低影響開發(fā)模式。

基于水熱耦合平衡方程的徑流歸因方法，僅考慮了降水、潛在蒸散發(fā)以及下墊面變化這3個主要因素對流域徑流量的變化，而實際中還存在其他影響較小的因素，包括流域內(nèi)人民生活取用水的變化等。因此，三者的貢獻率之和并不等于100%，在海河流域的徑流變化分析中也有類似結(jié)論[22]。對于其他因素對流域徑流變化的影響，在今后的研究中還有待進一步分析。