管曉祥，金君良，黃愛明，詹慧婕，王國慶，劉翠善

(1. 河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院, 江蘇 南京 210098; 2. 水利部應(yīng)對氣候變化研究中心, 江蘇 南京 210029; 3. 南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室, 江蘇 南京 210029; 4. 長江保護與綠色發(fā)展研究院， 江蘇 南京 210098)

黃河是我國西北、華北地區(qū)的重要水源，以其占全國2%的徑流量承擔(dān)全國15%的耕地和12%的人口供水任務(wù)，同時還承擔(dān)著向流域外部分地區(qū)遠距離調(diào)水的任務(wù)。黃河流域人均河川徑流量473 m3，不足全國平均的1/4，是我國水資源極其短缺的地區(qū)之一[1]。由于流域水資源情勢發(fā)生了重大變化：水資源量持續(xù)減少、時空分布變異，用水特征和結(jié)構(gòu)變化顯著，黃河流域未來將面臨經(jīng)濟發(fā)展和水資源短缺的嚴峻挑戰(zhàn)。分析黃河流域水文氣象、水資源與徑流的歷史變化，對明晰變化環(huán)境下流域水資源演變規(guī)律具有重要作用。侯欽磊等[2]分析了渭河干流徑流演變，發(fā)現(xiàn)1980s后期人類活動導(dǎo)致徑流突變減少；王國慶等[3]提出水文模擬徑流還原法，定量分析了人類活動和氣候變化對黃河中游三川河流域徑流減少的貢獻。此外建立黃河流域水文模型，模擬流域水資源歷史過程，是研究未來不同時期水資源演變趨勢和集成變化環(huán)境下流域水資源演變與需水精細預(yù)測技術(shù)的基礎(chǔ)。劉昌明等[1]綜述了分布式水文模型在黃河流域的應(yīng)用前景。郭飛等[5]探討了概念性SIMHYD模型在黃河流域的適用性問題。但由于黃河流域空間跨度大，受人類活動影響嚴重，流域內(nèi)各區(qū)域的降水徑流規(guī)律較為復(fù)雜，所以選擇合適的水文模型并分析其在黃河流域不同典型區(qū)域的適應(yīng)性和有效性顯得尤為重要。本文選取黃河流域不同典型站點，采用Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗法和均值差異T檢驗法分析其年降水量和年徑流量序列的變化，應(yīng)用VIC模型、新安江模型、WBM模型和GR4J模型模擬站點的徑流過程，對比分析不同水文模型的模擬結(jié)果，以Nash效率系數(shù)和徑流相對誤差作為目標(biāo)函數(shù)具體評價水文模型的特性，為合理評價黃河流域水資源變化提供理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 典型站點與資料

圖1 黃河流域水系及典型水文站點位置

選取的典型流域為黃河上游地區(qū)第二大支流的洮河流域，黃河中游地區(qū)的三川河、偏關(guān)河和窟野河流域，黃河下游區(qū)的大汶河流域，對應(yīng)的水文站點分別為紅旗站、后大成站、偏關(guān)站、溫家川站和戴村壩站。此外選取的站點還包括黃河流域兩個至關(guān)重要的水文站點——唐乃亥和花園口站。其中唐乃亥站以上地區(qū)受人類活動影響少，該站記錄了黃河流域源頭天然徑流量變化情況；花園口站的流域控制面積占到整個黃河流域的97%以上，反映了黃河流域主河道上徑流的變化。典型水文站點在黃河流域內(nèi)的分布情況如圖 1所示。典型流域面積最小的偏關(guān)河流域面積0.19萬km2，最大的花園口站以上流域面積73萬km2。降水、蒸發(fā)和氣溫資料由中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do)提供，各站逐日流量資料由水文年鑒獲取摘錄，將資料進行整編和處理，作為不同水文模型的輸入。構(gòu)建VIC模型所需的DEM數(shù)據(jù)為全球公開的ASTER GDEM數(shù)據(jù)，分辨率約為30 m，用來提取流向數(shù)據(jù)；土壤質(zhì)地分類是根據(jù)美國NOAA水文辦公室提供的全球5 min的土壤數(shù)據(jù)；土地利用數(shù)據(jù)由Maryland大學(xué)開發(fā)的全球1 km分辨率的土地覆蓋數(shù)據(jù)確定。最高氣溫和最低氣溫數(shù)據(jù)來自國家基本氣象站的日觀測數(shù)據(jù)。典型站點主要水文氣象統(tǒng)計信息見表1。

表1 典型流域水文站點主要信息

1.2 Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗法

Mann-Kendall方法(以下簡稱M-K法)是一種基于非參數(shù)統(tǒng)計的趨勢診斷方法[6-7]，其優(yōu)點是無需對數(shù)據(jù)系列進行特定的分布檢驗，能有效區(qū)分某一時間系列是處于自然波動還是存在確定的變化趨勢。M-K法是用來評估氣候要素時間序列趨勢的常用檢驗方法之一，以適用范圍廣、定量化程度高而著稱，其統(tǒng)計量τ、方差σ2、標(biāo)準(zhǔn)化變量M的計算式為：

(1)

(2)

M=τ/σ

(3)

式中：P為系列所有對偶觀測值(xi,xj,iMα/2=1.96；M為正值，說明序列具有上升(增加)趨勢，為負值則具有下降(減少)趨勢。

1.3 均值差異T檢驗法

均值差異T檢驗法是常用的時間序列突變檢驗的統(tǒng)計學(xué)方法之一。計算時，選定基準(zhǔn)年，將時間序列劃分為前后兩段，假定其方差一致，定義T統(tǒng)計量為：

(4)

(5)

式中：X1P和S1為基準(zhǔn)年前M1年的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；X2P和S2為后M2年的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，SP為聯(lián)合樣本方差。計算時采用連續(xù)移動基準(zhǔn)年的方法，得到突變指數(shù)的時間序列。

該T統(tǒng)計量服從自由度為M1+M2-2的t分布，當(dāng)給出一定的顯著水平α=0.01，如T>tα，或者計算得到的P值小于α，則在α的顯著水平上，基準(zhǔn)年兩側(cè)M1年及M2年的均值有明顯的差異，即在基準(zhǔn)年發(fā)生了突變。

1.4 模型簡介

可變下滲容量模型是華盛頓大學(xué)和普林斯頓大學(xué)共同研發(fā)的一個大尺度水文模型[8]。它基于網(wǎng)格的半分布式水文模型，描述了陸-氣之間主要的水文氣象過程，模型中蒸發(fā)計算考慮了植被冠層截留蒸發(fā)、植被蒸騰和裸地蒸發(fā)3種蒸發(fā)形式，計算徑流量由地表徑流和基流兩種成分組成。

新安江(XAJ)模型最初為兩水源，即地表徑流和地下徑流，可用于濕潤地區(qū)與半濕潤地區(qū)。20世紀(jì)80年代初，模型研制者將薩克拉門托模型與水箱模型中的用線性水庫函數(shù)劃分水源的概念引入新安江模型，提出了三水源新安江模型[9]——地表徑流、壤中流、地下徑流。

考慮融雪徑流的WBM模型是水利部應(yīng)對氣候變化研究中心團隊研發(fā)的一個大尺度水文模型，其中考慮了地面徑流、地下徑流和融雪徑流3種水源，主要用于變化環(huán)境下區(qū)域性水資源評價及徑流變化歸因識別研究[10-12]。

GR4J是一個概念性降雨徑流模型，由法國人提出，已經(jīng)在法國、澳大利亞等400多個不同氣候條件的流域得到驗證[13]。值得指出的是GR4J考慮到了流域不閉合所導(dǎo)致的地下水交換問題，引入了時段水量交換量的概念。GR4J模型具有4個參數(shù)，且在模型原理和結(jié)構(gòu)方面較同類模型具有一定特色[14]。

用Nash-Sutcliffe效率系數(shù)(Ens) 和相對誤差(er)用來反映模型模擬結(jié)果的好壞，Ens越接近1，說明模擬的徑流過程越接近于實測徑流過程，er越接近0，說明模擬徑流過程的水量平衡得到更好的體現(xiàn)，計算式為：

(6)

(7)

2 典型流域水文特性分析

從表1中可以看出，黃河流域的7個典型流域年均降水量的均值約為470 mm，大汶河流域相對較多，而窟野河流域相對較少。比較各水文站年徑流深和徑流系數(shù)發(fā)現(xiàn)，除了紅旗站和唐乃亥站的年均徑流深大于100 mm外，其他站點的年均徑流深都較小，這是因為黃河上游開發(fā)程度較輕，中下游人類活動劇烈，對流域水資源開發(fā)和利用程度較大，從而導(dǎo)致河道內(nèi)徑流較少甚至出現(xiàn)斷流。

2.1 水文要素年均值變化趨勢

用M-K趨勢檢驗法分析各站的年降水量和年徑流深序列趨勢，結(jié)果見表2。典型流域年平均氣溫都呈現(xiàn)明顯上升趨勢(M>3.5)；各流域面平均年降水量呈增加或減少的趨勢都存在，但序列趨勢都不顯著，沒有通過0.05水平下的置信檢驗。對比各水文站年徑流量序列趨勢，發(fā)現(xiàn)除戴村壩站年徑流呈不明顯增加趨勢外，其他站點的年徑流深呈現(xiàn)減少趨勢，其中唐乃亥站年徑流量下降趨勢不明顯，而后大成站、偏關(guān)站和溫家川站的減少趨勢尤為明顯(M<-5)，三站都集中在山西、陜西兩省境內(nèi)。綜上分析可知，變化環(huán)境下黃河流域溫升明顯，年降水量變化不明顯，而多數(shù)站點檢測到年徑流量呈明顯下降趨勢，人類活動對流域水循環(huán)的影響是主要原因[15]，而徑流量的持續(xù)減少使得流域內(nèi)水資源管理利用與可持續(xù)發(fā)展面臨嚴峻考驗。

表2 水文站點資料序列Mann-Kendall趨勢檢驗結(jié)果(顯著性水平為0.05)

2.2 水文要素年序列突變

水文資料的可靠性、代表性和一致性是水文模型應(yīng)用以及工程水文設(shè)計的基礎(chǔ)。然而自近年來，由于人類活動以及氣候變化的影響，地表水文過程規(guī)律受到深層次的影響與改變[16-17]。不少研究學(xué)者在全國選取不同的代表流域探究水文現(xiàn)象變化特點與原因。流域降水量、徑流量以及氣溫等關(guān)鍵要素發(fā)生明顯改變，降水徑流關(guān)系發(fā)生變化[18-20]。所以在建立水文模型之前有必要檢驗水文要素序列的一致性，識別出天然情況下降水徑流序列，用以建立水文模型，并比較模型精度與適應(yīng)性。

應(yīng)用均值差異T檢驗法檢驗水文要素序列的突變情況。選擇顯著性水平α為0.01，先將除首末兩年之外的年份作為分段點，對前后序列進行均值T檢驗，得到計算的P值序列。選取其中最小值與臨界值α相比較，如果Pmin

表3 水文站點序列均值差異T檢驗結(jié)果(顯著性水平為0.01)

3 典型水文站點徑流過程模擬

依據(jù)典型水文站點年降水量和徑流量序列突變分析結(jié)果，在不同典型流域，分別選擇合適的資料年限，即一般選擇人類活動對流域水文特性的影響不是非常顯著的時期，用4種水文模型模擬站點的徑流過程，計算實測與模擬的逐月徑流之間的Nash-Sutcliffe效率系數(shù)(Ens)和相對誤差(er)為模擬精度評價函數(shù)。各個典型流域站點的模擬精度如表4所示。

表4 率定期4種水文模型模擬精度

從表4中可以看出，率定期4種水文模型模擬7個站點的徑流過程的Ens均值分別為0.84，0.77，0.71和0.77，且驗證期Ens均值都在0.7以上(見表5)。其中4種水文模型模擬偏關(guān)站月徑流過程如圖 2所示。

表5 驗證期4種水文模型模擬精度

圖2 偏關(guān)站不同水文模型月徑流模擬過程

可見，4種水文模型都能較好地模擬黃河流域典型站點的徑流過程，相比WBM和GR4J模型，VIC模型和XAJ模型的產(chǎn)匯流參數(shù)都較多，具有較好的適應(yīng)不同流域水文過程模擬的能力，且對流域產(chǎn)匯流過程考慮較為詳細，模擬的Ens值都較高。7個典型流域驗證期的Ens均值分別為0.82和0.78，明顯高于WBM和GR4J模擬給出的0.72和0.74。就徑流量相對誤差而言，WBM模型模擬的徑流相對誤差最小。這是因為WBM模型結(jié)構(gòu)最為簡單，且在月尺度上計算融雪、地表和地下徑流深，以水量平衡為參數(shù)優(yōu)化主要原則，具有較好的水量模擬效果，這對流域水資源評價至關(guān)重要；VIC和XAJ模型模擬結(jié)果次之，其模擬的徑流相對誤差都在20%以內(nèi)；而GR4J模型對不同的典型流域站點模擬能力不同，相對誤差波動較大。

總體來說，在黃河流域建立的4種水文模型在所選的7個典型流域內(nèi)有相當(dāng)好的模擬計算效果，VIC和新安江模型相對WBM和GR4J模型參數(shù)較多，模擬流域水文過程較好；而WBM模型計算簡單，在水量模擬計算中表現(xiàn)較優(yōu)，適用于流域水資源的模擬與評價。

4 結(jié) 語

為合理評價黃河流域水資源變化，在黃河流域選取7個典型站點，分析了其水文要素變化特性，并應(yīng)用新安江模型、WBM模型和GR4J模型模擬了各水文站點的月尺度徑流過程，得到如下結(jié)論：

(1) Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗分析站點年降水量和年徑流量變化趨勢表明，黃河流域氣候變暖顯著，年降水量變化不明顯，而除戴村壩水文站外，其余水文站點年徑流量呈明顯下降趨勢，且年徑流量序列多在1980s出現(xiàn)明顯突變。

(2) 4種水文模型在黃河流域應(yīng)用效果較好，VIC和新安江模型的產(chǎn)匯流參數(shù)都較多，對降水徑流過程考慮較為周全詳細，具有較好的適應(yīng)不同流域水文過程模擬的能力；而WBM和GR4J模型結(jié)構(gòu)較為簡單，參數(shù)較少，易于率定；WBM模型模擬的徑流相對誤差較小，GR4J模型對不同典型流域站點模擬能力不同，相對誤差波動較大。