張成鳳，劉翠善，王國(guó)慶，金君良，管曉祥

((1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098; 2.水利部應(yīng)對(duì)氣候變化研究中心，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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029)

在全球變暖背景下，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國(guó)的水資源問(wèn)題日趨突出?？茖W(xué)認(rèn)識(shí)江河徑流變化成因，對(duì)實(shí)現(xiàn)流域水資源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用具有重要意義[1]。目前，在定量識(shí)別徑流變化的研究中，主要采用水文模型法和基于Budyko理論的彈性系數(shù)法[2,3]。水文模型法參數(shù)較多，建模及率定參數(shù)困難，不確定性強(qiáng)[4,5]。彈性系數(shù)法綜合考慮了流域內(nèi)各因素間的相互作用，計(jì)算簡(jiǎn)便，被廣泛應(yīng)用于相關(guān)研究中[6]。如趙娜娜等[7]基于Budyko假設(shè)分析若爾蓋流域氣候變化和下墊面變化對(duì)徑流變化的影響，結(jié)果表明，流域下墊面變化是徑流變化的主要影響因素，其貢獻(xiàn)率高達(dá)93.46%；張麗梅等[8]采用Budyko假設(shè)定量評(píng)價(jià)氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)渭河徑流變化的貢獻(xiàn)率，發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)是徑流量減少的主要因素。

黃河源區(qū)是黃河的水塔，其河川徑流量變化對(duì)黃河水資源規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面均具有重要影響。近年來(lái)，不少研究學(xué)者基于不同方法定量分析黃河源區(qū)的徑流變化成因，但研究結(jié)果差異較大。如周帥[9]等基于5種Budyko假設(shè)經(jīng)驗(yàn)公式，量化1960-2010年氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流減少的影響，人類活動(dòng)是主要因素；李萬(wàn)志[10]等基于累計(jì)量斜率變化率法研究發(fā)現(xiàn)，由于氣候變暖和三江源生態(tài)保護(hù)工程的興建，在不考慮氣溫影響的條件下，氣候?qū)S河源區(qū)徑流量減少的貢獻(xiàn)率由33.12%上升到73.61%，而人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率由66.88%下降為26.39%。

大多數(shù)研究學(xué)者認(rèn)為影響黃河源區(qū)徑流變化的因素是氣候變化和人類活動(dòng)2類，這種劃分并不準(zhǔn)確。黃河源區(qū)地處青藏高原，由于氣候變暖，溫度升高，冰川、凍土、融雪等寒區(qū)因素對(duì)于水文循環(huán)的影響日益加深，且黃河源區(qū)人口密度低，人類活動(dòng)影響較小。因此，本文將影響黃河源區(qū)徑流變化的因素分為氣候因素和其他環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素，基于彈性系數(shù)法分析各因素對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率。研究成果可為變化環(huán)境下黃河流域水資源綜合評(píng)價(jià)及流域治理開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

黃河發(fā)源于青海省巴顏喀拉山北麓的約古宗列盆地，黃河源區(qū)是指位于青藏高原東北部(95°50′E～103°30′E，32°30′N～36°00′N)的黃河干流唐乃亥站以上集水流域，控制面積為121 972 km2，約占整個(gè)黃河流域面積的15%。黃河源區(qū)海拔大都在3 000 m以上，年均氣溫介于-4.0～5.2 ℃，屬于我國(guó)西部高寒地區(qū)，區(qū)域內(nèi)冰川、凍土及植被等是影響源區(qū)徑流變化的重要下墊面因素。黃河源區(qū)具有典型內(nèi)陸高原氣候特征，多年平均降水量約為510 mm，主要集中在主汛期7-9月份(該時(shí)期降水量可占年降水的50%以上)。唐乃亥站多年平均徑流深約166 mm，占黃河流域徑流量的38%，素有“黃河水塔”之稱，是黃河流域重要的產(chǎn)流區(qū)和水源涵養(yǎng)區(qū)。黃河源區(qū)地理位置與水文氣象站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

圖1 黃河源區(qū)地理位置與水文氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Geographical location of the source area of the Yellow River and distribution of Hydrometeorological stations

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與數(shù)據(jù)處理

唐乃亥水文站是黃河源區(qū)重要的干流水文站，具有較為完整的長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)資料，系統(tǒng)收集了該站1965-2013年實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)。黃河源區(qū)有瑪多、興海、河南、達(dá)日、久治、瑪曲、若爾蓋和紅原8個(gè)氣象站，這8個(gè)氣象站點(diǎn)在空間上分布均勻，能夠較好地反映代表源區(qū)內(nèi)氣候的空間分布特征，在中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do)收集了1965-2013年的逐日氣象數(shù)據(jù)，包括降水、濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、以及日平均、最高、最低氣溫等資料。采用Penman-Monteith模型計(jì)算研究區(qū)各氣象站點(diǎn)的潛在蒸散發(fā)量，根據(jù)各氣象站點(diǎn)的降水量和潛在蒸散發(fā)量，運(yùn)用泰森多邊形法計(jì)算研究流域的面平均降水量和潛在蒸散發(fā)量。P-M模型如下：

(1)

式中：E0為潛在蒸散發(fā)量，mm/d；Δ為飽和水汽壓與溫度的斜率，kPa/℃；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；Rn為作物表面凈輻射量，MJ/(m2·d)；T為平均溫度，℃；γ為溫度計(jì)常數(shù)，kPa/℃；u2為地面以上2 m處的風(fēng)速，m/s；es為空氣飽和水汽壓，kPa；en為空氣實(shí)際水汽壓，kPa。

2 研究方法

采用Penman-Monteith模型和泰森多邊形法計(jì)算研究流域的面平均降水量和潛在蒸散發(fā)量，選用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法檢測(cè)年徑流序列突變點(diǎn)，根據(jù)突變點(diǎn)將年徑流序列劃分成不同階段，運(yùn)用基于Budyko假設(shè)的彈性系數(shù)法量化出不同階段中氣候因素和其他環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素對(duì)黃河源區(qū)河川徑流量變化的影響。

2.1 水文氣象要素演變趨勢(shì)及突變檢驗(yàn)方法

Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法[11,12]由于不受少數(shù)異常值干擾、更適用于類型變量和順序變量、計(jì)算簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于研究流域水文氣象要素的趨勢(shì)分析和突變點(diǎn)檢驗(yàn)。

2.2 基于Budyko假設(shè)定量識(shí)別徑流變化

徑流演變受到氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響[1]，在不同時(shí)期具有不同的變化特征。對(duì)于未受調(diào)節(jié)或分流影響的自然流域，徑流量受到氣候因素和其他環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素的綜合影響。在氣候變化方面，這里主要考慮的是潛在蒸散發(fā)量而不是溫度，是因?yàn)闈撛谡羯l(fā)包含溫度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射和蒸汽壓等氣候因素，更能代表氣候變化對(duì)水文過(guò)程的影響。Budyko[13]認(rèn)為流域多年平均實(shí)際蒸散發(fā)量主要受水分供應(yīng)(降水量)和蒸發(fā)能力(潛在蒸散發(fā)量)之間的平衡來(lái)控制，表示公式為：

E/P=f(E0/P)=f(φ)

(2)

式中：E為多年平均實(shí)際蒸散發(fā)量，mm；P為多年平均降水量，mm；E0為多年平均潛在蒸散發(fā)量，mm；φ為干燥指數(shù)。

假設(shè)流域蓄水量在長(zhǎng)期水文尺度下的變化量可忽略不計(jì)，水量平衡公式可簡(jiǎn)化為：

失誤1：在解題時(shí)雖然知道問(wèn)題1的結(jié)論，但是對(duì)于梯形卻不知道添加輔助線(如圖11、12),構(gòu)造成問(wèn)題1中的三角形，導(dǎo)致失分.

P=E+Q

(3)

式中：Q為多年平均徑流量，mm。

根據(jù)徑流對(duì)降水量P及潛在蒸散發(fā)量E0的彈性系數(shù)[14]，氣候變化引起的徑流量變化計(jì)算公式為：

ΔQc=(εpΔP/P+εE0ΔE0/E0)Q

(4)

式中：ΔQc為氣候變化引起的徑流變化量，mm；εp為徑流對(duì)降水的彈性系數(shù)；εE0為徑流對(duì)潛在蒸散發(fā)的彈性系數(shù)；ΔP為降水變化量，mm；ΔE0為潛在蒸散發(fā)的變化量，mm。

基于Budyko假設(shè)[式(2)]和長(zhǎng)期的水量平衡公式[式(3)]，徑流對(duì)降水和潛在蒸散發(fā)的彈性系數(shù)計(jì)算如下：

(5)

幾種常用的基于Budyko假設(shè)的公式見(jiàn)表1。

表1 基于Budyko假設(shè)的6種表達(dá)式Tab.1 Six expressions based on the Budyko hypothesis

假設(shè)環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素獨(dú)立于氣候因素，氣候變化和其他環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素對(duì)徑流影響的定量研究中，若氣候變化引起的徑流變化已知，其他環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素對(duì)徑流變化的影響量(貢獻(xiàn)率)可由徑流變化總量減去氣候因素的影響量求得：

ΔQ=ΔQc+ΔQv

(6)

(7)

(8)

式中：ΔQc為氣候變化引起的徑流變化量，mm；ΔQv為其他環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素引起的徑流變化量，mm；ΔQ為徑流變化量，mm；ηc為氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率；ηv為其他環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率。

3 結(jié)果與討論

3.1 水文氣象要素演變趨勢(shì)及突變檢驗(yàn)

選用M-K非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，研究流域年降水、年潛在蒸散發(fā)和年徑流序列的演變趨勢(shì)及突變特征。黃河源區(qū)水文氣象要素階段變化分析的結(jié)果見(jiàn)表2。黃河源區(qū)年降水量呈現(xiàn)微弱增長(zhǎng)趨勢(shì)，M-K值為0.49(小于1.98)，增加趨勢(shì)不顯著；年潛在蒸散發(fā)序列M-K值為-0.68，年徑流序列M-K值為-1.83，均表現(xiàn)為不顯著的下降趨勢(shì)。突變檢測(cè)發(fā)現(xiàn)年徑流序列在1989年前后發(fā)生變異，這與周帥[9]研究結(jié)果一致。

表2 黃河源區(qū)水文氣象要素階段變化分析Tab.2 Analysis of stage changes of hydrometeorological elements in the source region of the Yellow River

唐乃亥站1965-2013年實(shí)測(cè)年徑流量過(guò)程見(jiàn)圖2，可以看出，實(shí)測(cè)年徑流量在20世紀(jì)90年代之前總體偏多，1990-2005年是一個(gè)較為明顯的枯水時(shí)期，但自2005年之后徑流量呈現(xiàn)較為明顯的增多趨勢(shì)。

圖2 黃河源區(qū)年降水、年潛在蒸散發(fā)、年徑流變化特征與徑流突變分析Fig.2 Annual precipitation, annual evapotranspiration, annual runoff variation characteristics and runoff mutation analysis in the source region of the Yellow River

由于進(jìn)入21世紀(jì)以后的徑流變化特征是研究熱點(diǎn)，因此，基于年徑流序列突變點(diǎn)將各水文氣象要素序列分為1965-1989年(基準(zhǔn)期)、1990-1999年(變化期Ⅰ)、2000-2013年(變化期Ⅱ)3個(gè)階段，分析各水文氣象要素階段性變化特征(見(jiàn)圖2)。年降水、年潛在蒸散發(fā)和年徑流序列均表現(xiàn)出先減少后增加的變化特征，這符合研究區(qū)域冰川退縮及凍土消融的變化。變化期Ⅰ相較基準(zhǔn)期而言，多年平均降水量、潛在蒸散發(fā)量和徑流量分別減少4.4%、1.5%、21.1%，變化期Ⅱ比之基準(zhǔn)期，多年平均降水量、潛在蒸散發(fā)量增加0.8%、0.9%，多年平均徑流量減少16.2%。變化期Ⅰ年徑流量的減少率大于年降水量的減少率，表明降水是影響徑流變化的重要因素，卻不是唯一因素；變化期Ⅱ年徑流量減少幅度有所降低，年降水量比之基準(zhǔn)期略有增加，說(shuō)明其他環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素是造成徑流減少的主要原因。

3.2 其他環(huán)境變化特征

3.2.1 土地利用變化

表3給出了黃河源區(qū)1980年、1990年、2000年、2010年4個(gè)時(shí)期不同土地利用類型面積及占比。在土地利用和土地覆蓋方面，草地占黃河源區(qū)面積的比例最大，是黃河源區(qū)最主要的土地利用類型，草地、林地、耕地和水域面積約占黃河源區(qū)面積的85%，裸土面積約占15%，居民用地占比極少，基本忽略不計(jì)。4個(gè)時(shí)期的土地利用類型變化不大，1980-2010年，裸土面積略有增加，草地、水域和林地覆蓋面積略有減少，主要由于人類長(zhǎng)期超負(fù)荷放牧，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)被破壞。

表3 黃河源區(qū)不同土地利用類型面積及占比Tab.3 Areas and proportion of different land use types in the source area of the Yellow River

3.2.2 冰川、凍土等寒區(qū)因素

據(jù)中國(guó)科學(xué)院寒旱所在1990年末的調(diào)查資料[21]，黃河源區(qū)冰川面積達(dá)到191.95 km2，冰川消融量占年徑流量的2.24%，冰川的消融退縮是湖泊萎縮、濕地退化的重要原因。李萬(wàn)志等[10]研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)去55 a來(lái)氣溫顯著升高，導(dǎo)致黃河源區(qū)的多年凍土退化，年均最大凍土深度呈下降趨勢(shì)，減少了約0.21 m。以上研究表明，草場(chǎng)退化、冰川退縮和凍土下移等環(huán)境因素對(duì)黃河源區(qū)水文過(guò)程具有重要的影響。

3.3 定量識(shí)別氣候因素和其他環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素對(duì)徑流變化的影響

基準(zhǔn)期多年平均降水量、潛在蒸散發(fā)量和徑流量分別為517.71、781.10和181.83 mm。采用SCHREIBER等6種基于Budyko假設(shè)的函數(shù)形式估算不同因素對(duì)徑流變化的影響，結(jié)果見(jiàn)表4。1990-1999年，總徑流量減少，氣候因素對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)率約為39%～45%，其他環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)率約為55%～61%；2000-2013年，總徑流量減少，而氣候因素對(duì)徑流增加起正貢獻(xiàn)作用，其他環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素仍使徑流減少。因此，其他環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素是黃河源區(qū)徑流量減少的主要原因，且其影響程度加重。這與之前水文氣象要素階段變化分析結(jié)果一致。

表4 基于Budyko假設(shè)定量區(qū)分氣候變化和其他因素對(duì)徑流變化的影響Tab.4 Quantitatively distinguishes the effects of climate change and other factors on runoff changes based on the Budyko hypothesis

黃河源區(qū)地域特殊，影響流域水文循環(huán)的因素復(fù)雜，文中所述的氣候因素包括降水量、潛在蒸散發(fā)量，其他環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素包含冰川、凍土、土地利用變化等。降水量作為流域的補(bǔ)給，直接影響徑流量；氣溫上升，冰川退縮和融雪增加地表徑流；凍土作為不透水層，隨著氣候變暖凍土埋深下移，增大土壤蓄水容量，地表徑流下滲，使得河川徑流量減少。1990-1999年降水量減少，徑流量也隨之減少，此時(shí)氣候因素和其他環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素對(duì)徑流量減少都有貢獻(xiàn)，其他環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素是主要原因。2000-2013年，由于三江源生態(tài)保護(hù)工程的興建，黃河源區(qū)環(huán)境得到一定改善，降水量恢復(fù)甚至略高于基準(zhǔn)期水平，總徑流量比1990-1999年有所增加，但比之基準(zhǔn)期仍然減少，這是因?yàn)闅夂蛞蛩厥箯搅髁吭黾樱渌h(huán)境驅(qū)動(dòng)因素使徑流量減少。

4 結(jié) 論

(1)1965-2013年年降水序列不顯著增加，年潛在蒸散發(fā)和年徑流均呈現(xiàn)不顯著減少趨勢(shì)，年徑流序列突變點(diǎn)檢測(cè)為1989年，變化期Ⅰ徑流量減少21.1%，變化期Ⅱ徑流量減少16.2%，2000年以后徑流量有回升趨勢(shì)。氣候變化不是影響河川徑流量改變的唯一因素。

(2)黃河源區(qū)1980-2010年土地利用類型變化不顯著，研究區(qū)域冰川退縮、凍土層持續(xù)下移等是黃河源區(qū)徑流量變化的重要原因。

(3)采用基于Budyko假設(shè)的彈性系數(shù)法定量識(shí)別河川徑流變化原因，結(jié)果表明氣候因素先使徑流量減少后使徑流量增加，其他環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素是黃河源區(qū)徑流量減少的主要因素。

(4)目前只能將冰川、凍土及人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響歸類為其他環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素，如何精細(xì)化定量評(píng)估這些因素對(duì)河川徑流的影響，是未來(lái)黃河源區(qū)徑流變化歸因研究的重要內(nèi)容和方向。

(5)近50 a唐乃亥實(shí)測(cè)徑流量具有先減少后增加的趨勢(shì)，其中1990-2005年是較為明顯的一個(gè)枯水階段。未來(lái)在全球變暖的氣候背景下，徑流變化可能會(huì)更加明顯，應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)研究。