夏 巖，張姝琪，高文冰，張洪波,4*，郭 路

(1.中國石油長慶油田公司勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710021；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西 西安 710018；3.長安大學 水利與環(huán)境學院，陜西 西安 710054；4.長安大學 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應教育部重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引 言

黃土高原地處中國半濕潤氣候區(qū)向干旱、半干旱氣候區(qū)的過渡帶，是最大的水土流失區(qū)，其對氣候變化敏感，生態(tài)環(huán)境脆弱[1]。為有效防治黃土高原水土流失和生態(tài)環(huán)境惡化，中國政府積極開展了以水土保持為中心的黃土高原綜合治理工作[2]。20世紀90年代以來，經(jīng)過系統(tǒng)治理，黃土高原生態(tài)環(huán)境和水土保持建設(shè)都取得了顯著成效，黃土高原整體變綠，生態(tài)環(huán)境逐步趨好[3]。然而，在黃土高原變綠的同時，受人類活動及氣候變化的影響，其水文過程及環(huán)境要素也產(chǎn)生了響應性變化[4-8]。其中，人類活動影響主要表現(xiàn)為土地利用/覆被變化(如退耕還林還草、植樹造林、修建梯田等水土保持措施，以及城鎮(zhèn)建設(shè)等所引起的下墊面改變，間接影響流域水文過程，稱為間接人類活動)和河道內(nèi)的取用水(如通過大型水利工程調(diào)節(jié)徑流變化，或引水改變下游河道水量，直接影響河道水文過程，稱為直接人類活動)。而氣候變化影響則主要表現(xiàn)為降水量及降水模式的改變，直接影響徑流的形成，驅(qū)動徑流總量和年內(nèi)分布變化。在兩者的聯(lián)合擾動下，徑流的產(chǎn)匯流機制和匯流過程備受影響，導致流域河川徑流量和水文過程顯著改變。眾所周知，黃土高原是中國“一帶一路”建設(shè)的主戰(zhàn)區(qū)，也是中國生態(tài)文明建設(shè)的核心區(qū)，其徑流演變規(guī)律及水安全問題一直備受關(guān)注。尤其是近幾年，黃土高原持續(xù)變綠引發(fā)了國內(nèi)外學者對黃土高原徑流的潛在走向以及對黃土高原變綠系統(tǒng)響應的熱議，認為亟需開展變化環(huán)境下徑流演變的驅(qū)動機制研究，并定量分析人類活動對黃土高原徑流演變的影響，進而為黃土高原水安全保障和黃河流域高質(zhì)量發(fā)展提供科學依據(jù)。

延河是黃河中游的一級支流，也是陜北黃土丘陵溝壑區(qū)的重要水源，其徑流變化對黃土高原延安紅色城市群的經(jīng)濟建設(shè)和區(qū)域生態(tài)安全至關(guān)重要。此外，延河地處中部黃土丘陵溝壑區(qū)，人類活動影響較為強烈，且黃土高原變綠和徑流衰減現(xiàn)象明顯，是黃土高原水文演變的一個代表性流域。已有調(diào)查研究顯示，延河水土流失治理由來已久。自20世紀40年代末，政府就在流域內(nèi)實施了小范圍的梯田、淤地壩建設(shè)以及植樹造林等水土保持措施；70年代開始，大規(guī)模的淤地壩等水利工程投入建設(shè)與運行；90年代末，以退耕還林(草)為主導的大規(guī)模生態(tài)恢復工程開始實施[9]。經(jīng)過長期治理，近年來延河的植被狀況得到了較大改善，覆被指數(shù)日漸趨好，黃土高原變綠已成為區(qū)域生態(tài)建設(shè)的關(guān)鍵詞。但與此同時，諸如河川徑流大幅縮減等伴生現(xiàn)象也出現(xiàn)在該流域[10]，成為影響流域高質(zhì)量發(fā)展新的絆腳石。

目前，國內(nèi)外已有研究從不同側(cè)面論證氣候變化、下墊面改變以及人類活動影響下延河的水文要素正在發(fā)生改變。例如，張小苗等分析了延河年徑流量、極端日流量等指標的趨勢性、階段性和周期變化，發(fā)現(xiàn)2010年之前延河徑流量、極端日流量及其發(fā)生天數(shù)均呈現(xiàn)了顯著下降趨勢[11-12]；對于延河徑流減少的原因，邱臨靜等認為應與流域的降水變化和人類活動有關(guān)，其貢獻率分別為46.2%和53.8%[13]；花東文認為徑流減少可能是受到流域內(nèi)植被恢復引起的土地利用階段性變化的影響[10]；趙躍中等則指出1997～2010年以植被恢復為主導的水土保持措施對流域減流的影響程度為17.5%，對減沙的貢獻率為55.9%[4]；此外，韓盟偉透過延河1990～2010年下墊面變化及其驅(qū)動因素分析，指出下墊面變化是引起徑流和輸沙階段變化的主要原因[14]；朱恒峰等通過與相對自然時間序列的對比，認為人類活動因素是延河徑流量變化的主要驅(qū)動因子，且最大影響程度可達72.04%[15]。綜合以上分析可發(fā)現(xiàn)，盡管受研究時段、方法、范圍、側(cè)重點等差異性的影響，不同學者的研究結(jié)果略有差異，但仍能形成統(tǒng)一的認識，即20世紀90年代末以來人類活動已逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橛绊懷雍訌搅髯兓闹饕?，與降水等其他因素共同驅(qū)動著徑流變化過程。當然，上述相關(guān)研究也存在一定的不足，如在定量區(qū)分直接人類活動與間接人類活動的影響方面。具體而言，現(xiàn)有研究多將水土保持措施和植被變化籠統(tǒng)地歸到人類活動這一大類，概化考慮，然而這樣的處理很難將黃土高原變綠的影響進行有效分區(qū)，導致在指導新時代黃土高原水土與生態(tài)環(huán)境治理以及黃河流域高質(zhì)量發(fā)展方面可能有所局限。

鑒于此，本文嘗試通過劃分不同人類活動類型覆蓋階段來估算不同因素對延河徑流演變的影響，并透過不同階段產(chǎn)匯流條件及實測徑流變化的對比分析，探討并區(qū)分黃土高原植被變綠對延河徑流演變的影響，以期為黃土高原生態(tài)建設(shè)和黃河流域科學治理提供參考依據(jù)。本文以黃土高原代表性流域——延河干流延安水文站控制流域(以下簡稱“延河流域”)作為研究對象，主要開展如下研究：①通過變異點檢測方法與文獻調(diào)研，確定不同類型驅(qū)動要素的主導階段；②結(jié)合徑流驅(qū)動因素影響分割方法，分析直接人類活動及地表植被變化對延河流域徑流演變的影響，并估算兩者對徑流變化的貢獻率；③結(jié)合水熱耦合平衡理論中的彈性分析法，對徑流演變歸因估算結(jié)果加以驗證，探明不同時期環(huán)境因子對徑流演變的驅(qū)動力，為應對延河流域在黃土高原變綠背景下的區(qū)域水安全挑戰(zhàn)提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)采集

1.1 研究區(qū)概況

延河是黃河的一級支流，也是陜北第二大河流，地理緯度范圍為36°21′N～37°19′N,地理經(jīng)度范圍為108°38′E～110°29′E(圖1)。其發(fā)源于陜西省靖邊縣天賜灣鄉(xiāng)周山，由西北向東南流經(jīng)志丹縣、安塞縣、延安市，于延長縣南河溝涼水岸附近匯入黃河，全長286.9 km[4]，河道平均比降為3‰，多年平均徑流量為2.89×108m3[16]。延河地勢西北高、東南低，水系結(jié)構(gòu)呈樹枝狀，主要支流有杏子河、平橋川河、西川河等[17]。延河徑流年內(nèi)分配不均勻，主要集中于夏季(6月至9月)，約占年徑流量的51%～60%；冬季徑流最少，只占年徑流量的6%～7%。延河屬中溫帶大陸性半干旱季風氣候，年平均氣溫8.8 ℃，年平均降水量505 mm。該流域是黃土高原水土流失嚴重區(qū)，絕大部分屬于黃土丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū)，區(qū)域地形破碎，土壤類型以抗腐蝕較差的黃綿土為主[16,18]，地形對降水、溫度等氣候因子具有強烈的再分配作用，使該區(qū)域植被生境復雜多樣[19]。

圖1 延河流域地理位置及水文站點分布

1.2 數(shù)據(jù)采集

本文選取延河流域上游延安水文站1959～2016年實測月徑流數(shù)據(jù)及其控制流域同期面降水數(shù)據(jù)開展研究。其中，面降水數(shù)據(jù)主要基于研究區(qū)及周邊9個氣象站(包括延長、延安、綏德、靖邊、橫山、安塞、志丹、吳起和甘泉，如圖1所示)的長系列實測降水數(shù)據(jù)，插補延長后，透過ArcGIS插值獲得。延安站徑流數(shù)據(jù)和所選擇氣象站的降水數(shù)據(jù)分別來源于黃河水利委員會印制的水文數(shù)據(jù)年鑒及中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)；文中所采用的土地利用數(shù)據(jù)和用于結(jié)果驗證的歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)來源于中國科學院地理科學與資源研究所資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/)。潛在蒸散發(fā)由彭曼公式計算得到。

2 分析方法

2.1 趨勢檢驗方法

Mann-Kendall(M-K)法是一種非參數(shù)趨勢檢驗法，主要通過構(gòu)建時間序列的秩序列統(tǒng)計量Z來判斷時間序列的變化趨勢。若Z為正值，表明時間序列呈上升趨勢；若為負值，則表明時間序列呈下降趨勢；當統(tǒng)計量|Z|>1.96時，表明時間序列變化呈顯著上升或下降趨勢(超過0.05顯著水平)。具體計算方法可參考文獻[20]。本文中的M-K法主要被用來檢驗徑流序列的趨勢變化。

2.2 變異檢測方法

累積距平法是一種直觀判斷離散數(shù)據(jù)對多年平均值離散程度的方法。若累積距平值增加，曲線呈上升趨勢，表明離散數(shù)據(jù)持續(xù)大于其平均值，反之則小于平均值。若曲線由上述兩個部分組成，則可確定序列變化趨勢的拐點，并據(jù)此可將時間序列分為若干個時間段[21]。對于樣本長度為L的徑流序列xi，其在某一時刻t(t=1,2,…,L)的累積距平ct可表示為

(1)

滑動T檢驗是檢測兩組樣本平均值的差異是否顯著的一種方法，也常被用于序列變異檢驗[22]。本文選取累積距平法和5年滑動T檢驗法用于徑流序列的變異點分析，并通過交叉驗證，旨在獲得較為可靠的檢驗結(jié)果。

2.3 歸因分析方法

雙累積曲線(Double Mass Curve)方法是目前用于水文氣象要素一致性或長期演變趨勢分析的最簡單、最直觀、最廣泛的方法之一，已在水文氣象要素(降雨、地表及地下水等)非一致性驗證以及人類活動對降水、徑流及輸沙量的影響領(lǐng)域廣泛應用[23]。本文采用雙累積曲線方法來定量研究人類活動對徑流變化的影響。

2.4 對比驗證方法

基于水熱耦合平衡假設(shè)的Budyko理論是全球范圍內(nèi)分析氣候變化和下墊面變化對徑流演變影響的重要理論方法之一。它最早是由蘇聯(lián)著名氣候?qū)W家Budyko在進行全球水量和能量平衡分析時提出的，主要適用于描述較大流域和較長時間尺度的流域水熱耦合平衡關(guān)系，可根據(jù)降水及蒸散發(fā)能力推求實際蒸散發(fā)量[24]。后來，許多學者對Budyko理論進行豐富與完善，形成很多滿足Budyko假設(shè)的經(jīng)驗公式[25]。其中，Choudhury等基于Budyko假設(shè)推導的流域水熱耦合平衡方程就是典型代表[24-25]。其表達式為

(2)

式中：n為下墊面參數(shù)，主要用于反映下墊面變化情況；E為年實際蒸發(fā)量；E0為年平均潛在蒸散發(fā)量；P為年降水量。

當式(2)應用于多年時間尺度時，通?？烧J為流域儲水量為0。根據(jù)多年平均水量平衡公式R=P-E，可得到下墊面參數(shù)的反推公式為

(3)

式中：R為流域多年平均徑流深。

本文主要應用式(3)來估算流域下墊面參數(shù)的變化。

3 水文及影響要素演化特征

3.1 實測徑流變化特征

3.1.1 趨勢檢驗

圖2(a)顯示了延河流域1959～2016年實測徑流量的年際變化。由圖2(a)可知，延安水文站的徑流序列在統(tǒng)計期內(nèi)表現(xiàn)出了較為明顯的減少態(tài)勢，尤其是1997年后，延安水文站的河川徑流量相比1960年代消減了近一半。同時，延安水文站徑流序列的M-K檢驗結(jié)果[圖2(b)]也顯示，統(tǒng)計量為-3.253 4，絕對值大于1.96，即通過0.05顯著水平下的置信度檢驗，證明其確實具有顯著的下降趨勢。

圖2 延河流域徑流量年際變化及M-K檢驗結(jié)果

3.1.2 變異檢驗

通過累積距平法對徑流序列進行變異點檢驗，結(jié)果如圖3(a)所示。從圖3(a)可以看出，曲線在1970、1980和1996年3處發(fā)生了轉(zhuǎn)折。而5年滑動T檢驗結(jié)果[圖3(b)]則顯示1970和1996年為徑流序列變異點。

圖3 徑流序列的累積距平法和5年滑動T檢驗法檢驗結(jié)果

綜合上述兩種方法的檢驗結(jié)果，并考慮1959～1979和1981～1995年兩個樣本的Kolmogorov-Smirnov檢驗接受了H0假設(shè)(即來自同一總體)這一結(jié)果，本文選取1970和1996年作為延安水文站徑流序列變異點，遂可將統(tǒng)計期徑流序列劃分為3個階段，分別為1959～1969、1971～1995和1997～2016年。

3.2 降水變化特征

對延河流域面降水序列進行統(tǒng)計分析，可以發(fā)現(xiàn)延河流域降水量在空間上呈現(xiàn)顯著地由東南向西北遞減的趨勢，且?guī)罘植继卣鬏^為明顯[圖4(a)]。在時域上，1959～2016年延河流域面降水量呈相對平穩(wěn)的波動[圖4(b)]，平均值為507.68 mm。對比3.1節(jié)中由變異點劃定的3個階段降水量變化[圖4(b)]可知，1997～2016年降水量較1959～1969和1971～1995年有一定衰減，減幅分別為12%和2%。由此可見，1970年之后的徑流衰減確實受到了降水減少的影響。

圖4 年平均降水量空間分布及年際變化

3.3 土地利用與植被變化特征

對延河流域不同時期的土地利用數(shù)據(jù)進行分析,可發(fā)現(xiàn)延河流域的土地利用類型主要包括耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地以及未利用土地等6種。不同時期不同類型的土地利用面積變化如表1和圖5所示。由表1和圖5可知，2000年之前水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地及未利用土地3種類型的分布極為有限，總面積不足1%，耕地和草地是流域土地利用的主要類型，分別占到流域面積的40%和53%左右，林地約占6%。對比表1中數(shù)據(jù)可知，1980～2000年延河流域土地利用類型基本無流轉(zhuǎn)，只存在微量的草地和水域向林地和城鄉(xiāng)工礦居民用地的轉(zhuǎn)移。

表1 延河流域不同土地利用類型面積統(tǒng)計結(jié)果(單位：km2)

21世紀初，國家開始在黃土高原實行“退耕還林還草”政策。從延河流域2000～2005年的土地利用類型變化可以看出，該時期耕地與草地向林地的轉(zhuǎn)移較為明顯，林地面積擴張了約136 km2，這表明在“退耕還林還草”政策推動下，延河流域的植被覆蓋已開始日漸趨好。而2005～2010年土地利用類型變化則顯示，該時期土地利用類型流轉(zhuǎn)基本停滯，除微量耕地轉(zhuǎn)為林地外，其他土地利用類型基本無變化。2010～2016年，在“退耕還林還草”政策的持續(xù)推動和累積效應的影響下，延河流域土地利用類型變化進入一個相對穩(wěn)定期，未發(fā)生大規(guī)模流轉(zhuǎn)。以上現(xiàn)象也可以從2010和2016年的土地利用格局[圖5(e)、(f)]中窺見一斑。

圖5 土地利用格局與流轉(zhuǎn)

綜上所述，在“退耕還林還草”政策實施后，延河流域耕地面積大幅減少，面積占比由20世紀80年代的40%減少到現(xiàn)在的30%，林地面積顯著增加，流域植被覆蓋度整體趨好，尤其2005年后植被改善更為明顯，呈現(xiàn)了顯著變綠的景象。

4 徑流演變歸因分析

結(jié)合延河流域徑流演變的相關(guān)研究成果，可將延安水文站1959～2016年實測徑流序列概化為3個階段，分別為1959～1969年氣候變化主導階段、1971～1995年直接人類活動主導階段和1997～2016年直接人類活動與黃土高原變綠聯(lián)合主導階段。氣候變化主導階段，人類活動較小，徑流變化主要受氣候變化影響，與氣象條件呈現(xiàn)較為緊密的響應關(guān)系；直接人類活動主導階段，以水利工程建設(shè)(如水庫、淤地壩等)或河道取用水為主的直接人類活動影響著徑流變化；直接人類活動與黃土高原變綠聯(lián)合主導階段，無大規(guī)模新增水利工程，而增量型直接人類活動(即人口增加和經(jīng)濟發(fā)展驅(qū)動的人類涉水影響)和下墊面的變化(即土地利用與覆被變化)聯(lián)合驅(qū)動了徑流變化。需要說明的是，盡管1971～2016年直接人類活動和黃土高原變綠成為主導，但氣候變化對徑流變化的影響仍客觀存在，不容忽視。

4.1 降水-徑流關(guān)系演變

依據(jù)降水-徑流雙累積曲線的繪制原理可知，降水對徑流的影響主要體現(xiàn)在不同階段點距的位置及密集程度上，而不驅(qū)動曲線偏離。因此，曲線偏離的驅(qū)動源應來自于除降水之外的其他影響要素。鑒于此，首先，根據(jù)降水-徑流關(guān)系曲線，可計算得到統(tǒng)計期內(nèi)降水減少導致的徑流累積縮減量為2.8×108m3，約占期內(nèi)徑流累積減少總量的18.1%；然后，繪制延安水文站徑流量與降水量的雙累積曲線[圖6(a)]。從圖6(a)可以看出，延安水文站徑流序列表現(xiàn)出顯著的減小趨勢，尤其是在1996年之后，曲線明顯偏離原有的關(guān)系線，這表明徑流可能呈現(xiàn)了跳躍式的衰減。結(jié)合雙累積曲線的繪制原理，可以認為延河流域1959～2016年徑流減少應主要與直接或間接人類活動有關(guān)。

圖6 降水量與徑流量雙累積曲線及分期徑流箱圖

為了進一步探討該問題，本文擬依據(jù)前述3個主導階段的劃分，重點討論不同階段的雙累積曲線變化。由圖6(a)可見，從1959～1969年到1971～1995年，再到1997～2016年，每個階段的徑流量都在減少，即累積曲線持續(xù)向下偏離第一階段的延長線(藍線)。這表明1970年之后，除了降水減少的影響外，其他因素(如直接和間接人類活動)也在影響著徑流演變。從1996年前后的變化來看，兩個階段的影響因素亦應該有所不同，表現(xiàn)為圖6(a)中藍線(第一階段直接人類活動影響累積曲線)、黃線(第二階段直接人類活動影響累積曲線)、橙線(第三階段直接人類活動影響累積曲線)、圓點線(實測徑流變化)之間的差異，這與圖6(b)中顯示的分期徑流變化以及前文中基于變異點的階段劃分結(jié)果十分吻合。根據(jù)圖6(b)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可計算1959～1969年與1997～2016年的徑流量差值為0.7×108m3，即統(tǒng)計期內(nèi)延安水文站的徑流縮減量。

眾所周知，河川徑流量變化主要受氣候變化和人類活動所驅(qū)動[26-31]。在相對比較短的時期內(nèi)，一般可認為氣候?qū)搅鞯挠绊懯窍鄬Ψ€(wěn)定的，但如果流域內(nèi)發(fā)生大規(guī)模或高強度的人類活動，則可能對實測徑流變化產(chǎn)生復雜的影響。例如，在近似自然狀態(tài)下(即人類活動擾動微小)，流域的降水-徑流關(guān)系通常多成線性相關(guān)關(guān)系，徑流主要受降水變化驅(qū)動，產(chǎn)生響應性波動，如圖6(a)中1959～1969年直接人類活動影響累積曲線變化所示。當然，由于空間異質(zhì)性，不同地區(qū)的降水-徑流關(guān)系的相關(guān)程度也可能有所不同，但其依存的物理關(guān)系是確定的。

當人類擾動侵入后，則降水-徑流關(guān)系將會受到影響，正如圖6(a)中1971～2016年直接人類活動影響累積曲線的偏離變化。通過文獻調(diào)研，可發(fā)現(xiàn)自20世紀70年代開始，陜北地區(qū)啟動大規(guī)模的淤地壩建設(shè)[32-33]。以覆蓋延安水文站控制流域大部面積的安塞縣為例，截至1985年，安塞縣內(nèi)的淤地壩壩地面積已達1 060 hm2，而到1997年，壩地面積直接增加到1 900 hm2，較1985年增長了79%，年平均新增65 hm2；1997年之后，安塞縣的淤地壩規(guī)?；痉€(wěn)定，無大幅增加。結(jié)合前述土地利用和降水變化的相關(guān)分析結(jié)論可知，1971～1995年延河流域土地利用、植被覆蓋以及降水條件均較為穩(wěn)定，因此，這一階段的徑流非一致性變化應主要與直接人類活動(如水庫或河道取水以及淤地壩攔蓄等)有關(guān)，而徑流的縮減則可歸因于水利用過程中的水消耗和攔蓄過程產(chǎn)生的伴生蒸發(fā)。且相關(guān)結(jié)果表明：2000年之前，流域用水和攔蓄水面均較為有限，如2000年安塞縣的地表供水總量僅659.4×104m3，不到延安水文站多年平均徑流總量的5%。由此可見，直接取用水驅(qū)動的徑流衰減并不顯著，這一點也可以從圖6(a)中1971～1995年直接人類活動影響累積曲線偏離程度得以驗證。

世紀之交，國家為了遏制黃土高原水土流失，恢復生態(tài)環(huán)境，大規(guī)模啟動了山川秀美工程，在延河流域?qū)嵤┝恕巴烁€林還草”項目。從圖5和表1可以看出，自20世紀90年代開始，延河流域的植被覆被逐漸趨好，黃土高原變綠，生態(tài)環(huán)境改善的效果已顯現(xiàn)。但與此同時，黃土高原徑流跳躍式衰減，且持續(xù)減小的態(tài)勢[圖2(a)]也悄然發(fā)生，這表明植被變綠對徑流變化的潛在影響是十分顯著的。而這種由于植被覆被趨好引發(fā)的面蒸發(fā)量增加，遠超過有限取用水和攔蓄水面所產(chǎn)生的額外蒸發(fā)，對徑流量會產(chǎn)生更大的影響。因此，可以認為在這一階段，由于無大規(guī)模水利工程建設(shè)，淤地壩雖有新增，但也有淤滿，總體規(guī)模未有大改變，故直接人類活動主要指向常規(guī)性的人口增加和經(jīng)濟發(fā)展所驅(qū)動的取水量增加和小規(guī)模的水利工程建設(shè)與改造。直接人類活動影響量級不大，因此，間接人類活動驅(qū)動的植被覆被變化主導影響著黃土高原水循環(huán)模式，引發(fā)了更大的區(qū)域蒸發(fā)，從而導致流域產(chǎn)流量變小。這是驅(qū)動1997～2016年河川徑流量大幅變小的關(guān)鍵因素。

從上述分析可知，本文將整個徑流序列劃分成氣候變化主導階段、直接人類活動主導階段和直接人類活動與黃土高原變綠聯(lián)合主導階段是合理的。同時，從圖6(a)也可以發(fā)現(xiàn)，不同階段的降水-徑流關(guān)系相對穩(wěn)定，這為下一步定量分析直接人類活動及植被覆被變化對延河流域徑流演變的貢獻奠定了基礎(chǔ)。

4.2 黃土高原變綠的影響估算

基于雙累積曲線計算結(jié)果，選定氣候變化主導階段為近似自然階段，進而在雙累積曲線上分析不同影響要素對徑流演變的貢獻。由于降水-徑流雙累積曲線已考慮了降水對徑流的驅(qū)動影響，故通過對比雙累積曲線中直接人類活動主導階段與氣候變化主導階段的徑流過程，可以得到直接人類活動主導階段的多年累積徑流量相比近似自然狀態(tài)減少了4.75×108m3，對徑流累積縮減量(15.52×108m3)的貢獻率為30.6%。對于直接人類活動與黃土高原變綠聯(lián)合主導階段，由于大規(guī)模水利工程建設(shè)并無新增，故直接人類活動的影響主要為由人口與社會經(jīng)濟發(fā)展引發(fā)的取用水量和小規(guī)模水利工程建設(shè)與改造，而對年徑流量的影響則主要表現(xiàn)在用水量的增加上。本文依據(jù)1971～1995年數(shù)據(jù)計算得到的直接人類活動影響量累積序列，并結(jié)合安塞縣2000年(996.4×104m3)、2006年(1 229×104m3)和2013年(2 013×104m3)的用水量，對延河流域的用水量做了外延與修正，可得到1997～2016年新增直接人類活動影響量累積序列。將其與徑流總累積衰減量進行對比，可發(fā)現(xiàn)該階段直接人類活動對徑流累積減少量(0.58×108m3)的貢獻率約為3.7%?？鄢@部分后，其他影響則主要來自于20世紀末開始的退耕還林所引發(fā)的流域植被覆被變化。計算結(jié)果顯示，由退耕還林所驅(qū)動的黃土高原變綠(土地利用與覆被變化)貢獻了流域徑流累積縮減量(7.39×108m3)的47.6%。綜合上述定量分析可知，統(tǒng)計期內(nèi)降水變化、直接人類活動影響以及間接人類活動影響對徑流縮減的貢獻比為0.18∶0.34∶0.48，這表明目前延河流域徑流衰減的主要驅(qū)動源應是由“退耕還林還草”政策所驅(qū)動的土地利用與覆被變化，即黃土高原變綠。

為了驗證上述結(jié)論的可靠性，本文應用基于水熱耦合平衡假設(shè)的Budyko方程，計算了下墊面參數(shù)，并將其與由歸一化植被指數(shù)計算的植被覆蓋度(w)進行相關(guān)性分析，旨在從統(tǒng)計學角度檢驗其成因關(guān)系。具體過程如下：根據(jù)面降水量、年徑流量及潛在蒸發(fā)量(由彭曼公式獲得)，計算延河流域2002～2016年下墊面參數(shù)，再與由相應年份的歸一化植被指數(shù)計算得到的植被覆蓋度建立相關(guān)關(guān)系，結(jié)果如圖7所示。

圖7 下墊面參數(shù)和植被覆蓋度的相關(guān)關(guān)系及其年際變化

由圖7(a)可知，延河流域下墊面參數(shù)和植被覆蓋度在2002～2016年表現(xiàn)出了逐年增加的態(tài)勢，且2010年后增長有所趨緩，這與“退耕還林還草”政策實施后所展現(xiàn)出來的覆被變化效果是相符的，也與3.3節(jié)土地利用發(fā)展態(tài)勢相一致。從圖7(b)可以看出，延河流域下墊面參數(shù)和植被覆蓋度之間具有較好的相關(guān)關(guān)系，判定系數(shù)達到0.844。聚焦圖7(b)中兩個參數(shù)的年際變化，不難發(fā)現(xiàn)2010年后植被覆蓋度與下墊面參數(shù)的相關(guān)性十分緊密，這與圖5、表1中所提到的2010年后土地利用類型流轉(zhuǎn)趨于穩(wěn)定，研究區(qū)整體變綠的事實是完全相符的。

由以上統(tǒng)計關(guān)系可一定程度佐證前述的分析結(jié)論，即從21世紀伊始，由間接人類活動所引發(fā)的黃土高原變綠現(xiàn)象已在主導驅(qū)動延河流域徑流量的衰減過程，且其強度大于水利工程及取用水等直接人類活動的影響。同時，最新的相關(guān)文獻也指出，退耕還林和水土保持對徑流的減少起到很大的作用[34]，這與本文的結(jié)論不謀而合。因此，加強黃土高原變綠條件下的水資源動態(tài)變化研究，切實做好黃土高原生態(tài)治理中的科學論證，保障區(qū)域水安全，在當前階段是尤為必要的。

5 結(jié) 語

(1)1959～2016年，黃河中游延河干流延安水文站控制流域徑流演變大體可分為3個階段：氣候變化主導階段(1959～1969年)、直接人類活動主導階段(1971～1995年)和直接人類活動與黃土高原變綠聯(lián)合主導階段(1997～2016年)。氣候變化主導階段，土地利用與植被覆被基本無變化，人類活動影響較小，降雨變化驅(qū)動了徑流演變的趨向，表現(xiàn)為平穩(wěn)波動。直接人類活動主導階段，土地利用與植被覆被變化微小，大規(guī)模的水庫、淤地壩建設(shè)以及河道取用水工程陸續(xù)建成，引發(fā)了一定量的耗水和無效蒸發(fā)，導致徑流量出現(xiàn)一定量的衰減。統(tǒng)計結(jié)果顯示，1971～1995年直接人類活動對徑流衰減的影響并不顯著，其對統(tǒng)計期內(nèi)徑流減少的貢獻率約為30.6%。直接人類活動與黃土高原變綠聯(lián)合主導階段，基本無大規(guī)模水利工程建設(shè)，受山川秀美工程中“退耕還林還草”政策的影響，黃土高原的植被覆被顯著增加，流域整體變綠。而由于植被覆被變化所引發(fā)的陸面蒸發(fā)量增加，超過取用水量及攔蓄水面所產(chǎn)生的額外蒸發(fā)，所以對徑流量產(chǎn)生了更大的影響。統(tǒng)計結(jié)果顯示，引發(fā)黃土高原變綠的間接人類活動對徑流演變的作用十分明顯，貢獻了徑流衰減量的47.6%，而同期的直接人類活動僅貢獻了3.7%。此外，通過探討延河流域下墊面參數(shù)和植被覆蓋度的相關(guān)關(guān)系，也從側(cè)面驗證了黃土高原變綠影響區(qū)域水循環(huán)，進而驅(qū)動徑流衰減的事實。在直接人類活動主導階段和直接人類活動與黃土高原變綠聯(lián)合主導階段，降水變化對徑流縮減的影響客觀存在，其貢獻量約為18.1%。

(2)眾所周知，流域河川徑流演變多是不同驅(qū)動因素共同作用的結(jié)果，其機制極其復雜。本文通過較為簡單的手段，區(qū)分了直接人類活動和間接人類活動影響，并估算了黃土高原變綠對延河流域徑流衰減的貢獻。結(jié)果表明，黃土高原變綠正在成為影響黃土高原河川徑流演變的關(guān)鍵要素，建議在相關(guān)區(qū)域或流域水資源規(guī)劃、工程設(shè)計以及水安全保障方案中，充分考慮黃土高原變綠的影響，適時適量開展變綠背景下的水資源量核算工作，切實保障新時代黃土高原用水安全。