楊思雨，姜仁貴，解建倉(cāng)，朱記偉，王 嬌

(西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710048)

全球氣候變暖背景下極端天氣頻率增加，人類(lèi)活動(dòng)日益增強(qiáng)，在兩者共同作用下，河川徑流呈現(xiàn)很大的時(shí)空變異性[1]。作為重要的水資源，河川徑流量直接影響著流域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等各方面的可持續(xù)發(fā)展[2]。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(IPCC)第五次評(píng)估報(bào)告指出，人類(lèi)活動(dòng)已影響近些年的全球水循環(huán)，甚至在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)不可逆狀態(tài)。為了保證流域內(nèi)水資源的可持續(xù)發(fā)展，研究徑流演變機(jī)理，分析各驅(qū)動(dòng)因素對(duì)徑流量影響程度有重要的理論意義與實(shí)際價(jià)值。涇河作為渭河的第一大支流，谷地寬闊、平坦、灌溉便利，是重要的農(nóng)耕區(qū)。涇河流域生態(tài)脆弱，受到人們的廣泛關(guān)注。因此，對(duì)涇河流域徑流變化趨勢(shì)及氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流影響程度的分析，對(duì)揭示徑流特性及流域水資源管理具有重要作用。研究可為涇河流域水資源區(qū)域規(guī)劃、調(diào)控、管理、利用等提供參考依據(jù)，為流域生態(tài)恢復(fù)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)指導(dǎo)。

針對(duì)流域徑流變化趨勢(shì)及其歸因分析，諸多專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，并取得了一些有益的成果[3-7]。孫甲嵐等[8]采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法與Morlet小波分析法對(duì)長(zhǎng)江上游流域平均氣溫、降雨、徑流等要素的演變規(guī)律進(jìn)行研究。木塔里甫·托乎提等[9]采用時(shí)間序列周期方差分析外推、非參數(shù)檢驗(yàn)和R/S分析等方法探討了徑流量的周期、躍變及未來(lái)的變化趨勢(shì)，表明人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)烈干擾了塔里木河流域干流的水文過(guò)程。王歡等[10]通過(guò)滑動(dòng)平均法、Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)及突變檢驗(yàn)法、累積距平法和雙累積曲線法研究了青海湖流域徑流的時(shí)空特性和凍土及冰雪融化對(duì)徑流的影響。張利茹等[11]采用Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法及線性回歸方法，分析檢驗(yàn)了海河流域各典型區(qū)域年徑流量的歷史變化趨勢(shì)，并基于TOPMODEL半分布式流域水文模型，定量評(píng)估了典型區(qū)域氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響。Dong[12]等基于SWAT模型，發(fā)現(xiàn)氣候變化可能導(dǎo)致徑流減少或增加，且和降水、溫度、輻射以及土地覆蓋變化等要素密切相關(guān)。

以涇河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，將多種分析方法結(jié)合，分析55年間(1961—2015年)涇河流域的徑流變化趨勢(shì)及氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流影響的程度。本文采用線性回歸分析降水和徑流變化特征，通過(guò)Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法和R/S法分析涇河流域徑流變化趨勢(shì)特征并預(yù)測(cè)流域未來(lái)徑流變化趨勢(shì)。采用滑動(dòng)t檢驗(yàn)、有序聚類(lèi)、雙累積曲線法確定徑流量突變年，采用徑流還原法定量分析人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化對(duì)涇河流域徑流變化的貢獻(xiàn)。研究結(jié)果可為涇河流域水資源的開(kāi)發(fā)利用提供依據(jù)，為流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水土保持及城鎮(zhèn)化建設(shè)提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域

涇河橫跨陜甘寧三省(區(qū))，是渭河流域最大的支流，河長(zhǎng)455.1 km，流域面積4.54×104km2，占渭河流域面積的33.7%，流域多年平均徑流量為2.07×108m3。涇河流域?qū)儆诘湫偷拇箨懶詺夂颍瑲鉁啬细弑钡?，在過(guò)去55年中，流域內(nèi)年均氣溫整體呈上升趨勢(shì)。涇河水位陡漲陡落，洪枯懸殊，主要靠夏季降水補(bǔ)給，降水集中在汛期7～10月，占全年總降水量的近70%，年徑流量有60%以上集中在5～10月。涇河流經(jīng)黃土高原溝壑區(qū)，水土流失較為嚴(yán)重，年輸沙量2.526×106t。近幾十年來(lái)，涇河流域受人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化的影響，徑流減少趨勢(shì)顯著。涇河流域概況如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

涇河流域降水及徑流數(shù)據(jù)時(shí)間序列采用1961—2015年。降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心的0.5o×0.5o格網(wǎng)數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集基于觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用薄盤(pán)樣條法進(jìn)行空間插值得到，數(shù)據(jù)集質(zhì)量經(jīng)過(guò)嚴(yán)格檢驗(yàn)。徑流數(shù)據(jù)選取涇河流域張家山水文測(cè)站1961—2015年數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于《中華人民共和國(guó)水文年鑒黃河流域水文資料》、陜西省水文局及陜西省江河水庫(kù)管理局統(tǒng)計(jì)資料。在下文計(jì)算中為了統(tǒng)一降水量和徑流量的單位，將張家山水文測(cè)站徑流量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成徑流深后進(jìn)行分析。

1.3 研究方法

采用線性趨勢(shì)[13]、Mann-Kendall法[14]和R/S法[15]分析徑流變化趨勢(shì)特征并對(duì)未來(lái)徑流量進(jìn)行預(yù)測(cè)。利用滑動(dòng)t檢驗(yàn)[16]、有序聚類(lèi)[16]、雙累積曲線法[17]等方法綜合分析徑流突變情況，判斷突變年，確定基準(zhǔn)期，并通過(guò)徑流還原法[17]分析氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)涇河流域徑流深變化的貢獻(xiàn)率。

(1)

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2 結(jié)果與分析

2.1 降水及徑流年際變化特征

根據(jù)涇河流域1961—2015年降水量及徑流深數(shù)據(jù)，繪制涇河流域降水量及徑流深年際變化趨勢(shì)圖，如圖2所示。由圖2可知，在研究期內(nèi)，涇河流域降水量線性擬合回歸系數(shù)為負(fù)值，呈下降趨勢(shì)，年均降水量為523.99 mm，最大年降水量是最小年降水量的2.14倍；涇河流域張家山站徑流深線性擬合回歸系數(shù)為負(fù)值，呈下降趨勢(shì)，年均徑流深為28.44 mm，最大年徑流深是最小年徑流深的6.66倍。其中，涇河流域最大降水量年及最大徑流深年均為1964年，且年際極值相差較大，豐枯懸殊。

圖2 涇河流域年降水量及徑流深年際變化趨勢(shì)圖Fig.2 Annual variation trend of annual precipitation and runoff depth in the Jinghe River basin

2.2 徑流變化趨勢(shì)分析

本文采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法和R/S法對(duì)涇河流域張家山站年徑流深變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。首先，采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法對(duì)徑流深變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，通過(guò)計(jì)算，年徑流深的標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量Z值為-4.392，且通過(guò)α=0.025的顯著性檢驗(yàn)，這表明徑流深呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，且趨勢(shì)顯著。其次，利用R/S法對(duì)涇河流域張家山站徑流深進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)，通過(guò)計(jì)算，涇河流域年徑流深R/S分析(Inτ-In(R/S))的相關(guān)系數(shù)為0.988，通過(guò)5%的顯著性檢驗(yàn)，Hurst效應(yīng)較為顯著。如圖3所示，涇河流域張家山站年徑流深Hurst指數(shù)為0.731 4，大于0.5，表明徑流深未來(lái)趨勢(shì)與過(guò)去一致，呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。

圖3 涇河流域張家山站年徑流深R/S分析Fig.3 Annual runoff depth R/S analysis of Zhangjiashan Station in the Jinghe River basin

2.3 徑流突變點(diǎn)分析

采用滑動(dòng)t檢驗(yàn)法、有序聚類(lèi)法、雙累積曲線法綜合判斷涇河流域徑流突變年。圖4為涇河流域張家山站徑流深突變分析圖。

圖4 涇河流域張家山站徑流深突變分析Fig.4 Analysis of runoff depth mutation at Zhangjiashan Station in the Jinghe River basin

如圖4(a)所示，1996年、1997年和2009年三點(diǎn)均通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，其中2009年的數(shù)值雖超過(guò)t-0.05=-2.31，通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，但由于年份處于序列尾段誤差較大，在此可忽略不計(jì)。此方法表明，涇河流域1961—2015年徑流深的突變年份為1996年與1997年。如圖4(b)所示，徑流深序列離差平方和曲線有兩處明顯的極小值點(diǎn)，分別為1970年與1996年，故通過(guò)有序類(lèi)聚法判斷1970年、1996年為涇河流域徑流深突變年。

根據(jù)涇河流域降水量和徑流深繪制降水徑流深雙累積曲線圖，如圖5所示，由圖可得突變點(diǎn)為1970年、1996年和2003年，除1996—2002年間，其余分段區(qū)間線性相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99。根據(jù)滑動(dòng)t檢驗(yàn)法得知，在1996—2002年間，可能存在突變年(1997年)，雙累積曲線法存在局部誤差，導(dǎo)致1996—2002年線性關(guān)系的相關(guān)程度低于其他時(shí)間段。

圖5 涇河流域降水徑流深雙累積曲線Fig.5 Double cumulative curve of rainfall and runoff depth in the Jinghe River basin

對(duì)上述三種突變點(diǎn)求解方法進(jìn)行綜合分析，如表1所示，結(jié)果表明，上述三種方法所得突變點(diǎn)存在一定差異，綜合分析確定涇河流域在1961—2015年間存在3個(gè)徑流突變點(diǎn)，分別為1970年、1996年和2003年。最終確定1961—1969年為涇河流域的徑流基準(zhǔn)期。

表1 涇河流域突變檢驗(yàn)成果表

2.4 徑流變化影響因素分析

通過(guò)對(duì)年徑流深的突變檢驗(yàn)得到?jīng)芎恿饔虻亩鄠€(gè)突變點(diǎn)，由首個(gè)突變點(diǎn)1970年確定涇河流域徑流基準(zhǔn)期為1961—1969年，根據(jù)突變點(diǎn)出現(xiàn)的年份將研究時(shí)間序列劃分為3個(gè)時(shí)段，分別為1970—1995年、1996—2002年、2003—2015年。對(duì)基準(zhǔn)期降水和徑流時(shí)間序列進(jìn)行擬合，得到兩者回歸方程為y=0.083 65x-28.92，相關(guān)系數(shù)R2=0.995。根據(jù)回歸方程計(jì)算1970—2015年間的模擬徑流深值，利用徑流還原法計(jì)算得到人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化對(duì)徑流變化的影響量以及貢獻(xiàn)率，如表2所示。

表2 氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)涇河流域徑流深變化的貢獻(xiàn)率

Tab.2 Contribution rate of climate change and human activities to runoff depth change in Jinghe River basin

時(shí)段時(shí)段平均降水量/mm基準(zhǔn)期徑流深/mm年徑流深及其變化/mm氣候變化人類(lèi)活動(dòng)實(shí)測(cè)值突變后模擬總影響量影響量/mm貢獻(xiàn)率/%影響量/mm貢獻(xiàn)率/%1961—1969577.3744.231970—1995512.2144.2330.7342.4513.501.7813.1911.7286.811996—2002500.8044.2322.0641.5122.172.7312.3019.4487.702003—2015523.1344.2316.3543.3627.880.883.1427.0196.861961—2015524.0044.3525.3542.5619.001.799.4017.2190.60

由表2可知，1970—1995年平均降水量為512.21 mm，相較于基準(zhǔn)期的平均降水量減少65.16 mm，平均降水量的減少對(duì)實(shí)際徑流深影響較大，使1970—1995年較1961—1969年實(shí)測(cè)平均徑流深減少了30.5%。1970年以后的模擬徑流深較基準(zhǔn)期天然徑流深有不同程度的減少，說(shuō)明氣候變化引起徑流深減少，1970—1995年、1996—2002年和2003—2015年氣候變化對(duì)涇河流域徑流深的影響逐階段減少，貢獻(xiàn)率分別為13.19%、12.30%和3.14%。1970年以來(lái)的實(shí)測(cè)徑流深的值均明顯小于模擬徑流深的值，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)涇河流域徑流深的影響逐階段增加，1970—1995年、1996—2002年及2003—2015年人類(lèi)活動(dòng)使涇河流域徑流深逐階段減少，貢獻(xiàn)率分別為86.81%、87.70%、96.86%。自基準(zhǔn)期以后，實(shí)測(cè)徑流深較基準(zhǔn)期天然徑流深有不同程度的減少，此趨勢(shì)表明，徑流深的減少是人類(lèi)活動(dòng)及氣候變化影響造成的，且人類(lèi)活動(dòng)是影響徑流變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。就1961—2015年的平均狀況而言，人類(lèi)活動(dòng)及氣候變化對(duì)徑流深的影響高達(dá)19 mm，模擬徑流深較基準(zhǔn)期天然徑流深減少1.79 mm，占比9.4%，實(shí)測(cè)徑流深較模擬徑流深減少17.21 mm，人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致徑流顯著減少，其貢獻(xiàn)率達(dá)到90.6%。

在1970—1995年，人類(lèi)活動(dòng)因素已是導(dǎo)致涇河流域徑流減少的主要因素，其中在20世紀(jì)70、80年代，國(guó)家對(duì)因人口增加而加劇的植被破壞實(shí)施水土保持工程，例如修建梯田、淤地壩、水庫(kù)等。國(guó)家對(duì)水土保持工程的實(shí)施、對(duì)植被恢復(fù)和荒山造林的重視，改變了涇河流域的生態(tài)用水量，使得人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流深的影響逐步減少。近些年，隨著內(nèi)陸地區(qū)的快速發(fā)展，涇河流域大量修建梯田、實(shí)施大規(guī)模退耕還林工程，使得水土流失得到進(jìn)一步治理，自然生態(tài)環(huán)境得到進(jìn)一步保護(hù)[17]。

3 結(jié)論與討論

1) 涇河流域降水量及徑流深呈下降趨勢(shì)，最大年降水量是最小年降水量的2.14倍，最大年徑流深是最小年徑流深的6.66倍，年際極值相差較大，豐枯懸殊，水資源時(shí)空分布不均衡。通過(guò)Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法和R/S法分析涇河流域徑流深變化趨勢(shì)，結(jié)果表明，未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)涇河流域徑流深將呈現(xiàn)減少趨勢(shì)且有一定持續(xù)性。

2) 根據(jù)滑動(dòng)t檢驗(yàn)法、有序聚類(lèi)法和雙累積曲線法，綜合得出涇河流域的突變年分別為1970年、1996年和2003年。由突變點(diǎn)1970年確定涇河流域徑流基準(zhǔn)期為1961—1969年，根據(jù)另外兩個(gè)突變點(diǎn)將研究時(shí)間段分為3段，分別為1970—1995年、1996—2002年、2003—2015年。在1961—2015年間，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流深的影響量比氣候變化對(duì)徑流深的影響量約大9.6倍。

3) 根據(jù)氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)涇河流域徑流變化的貢獻(xiàn)率表得出1970—1995年的平均降水量較1961—1969年的平均降水量減少，對(duì)實(shí)際平均徑流影響較大，故降水量的變化可影響徑流變化。若多個(gè)時(shí)間段內(nèi)降水量在某個(gè)范圍內(nèi)來(lái)回波動(dòng)，對(duì)實(shí)際平均徑流無(wú)明顯影響。在涇河流域上降水量是驅(qū)動(dòng)徑流減少的重要因素，但不是主要因素。

4) 人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化是驅(qū)動(dòng)徑流變化的主要因素。在涇河流域上人類(lèi)活動(dòng)是導(dǎo)致徑流減少的主要因素，且影響程度逐時(shí)段增加，人類(lèi)活動(dòng)成為主要因素的原因是，國(guó)家對(duì)水土流失的治理、對(duì)自然環(huán)境的保護(hù)、對(duì)內(nèi)陸地區(qū)城鎮(zhèn)化建設(shè)的支持。因此，在后續(xù)研究中，將會(huì)深入了解不同的人類(lèi)活動(dòng)及多種氣候變化因素對(duì)流域徑流的影響程度。