張偉杰，陳曉俊，吳玉丹，王文君，吳英杰，全 強(qiáng)，李 瑋，趙水霞

(1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川 成都 610000)

0 引 言

全球氣候變化是目前國(guó)際社會(huì)普遍關(guān)注的重大全球性問(wèn)題[1]，隨著全球氣候變化以及人類活動(dòng)的影響，流域的降雨徑流關(guān)系發(fā)生變化，這種變化會(huì)對(duì)水資源生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生直接的影響，所以研究降水和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響，對(duì)水資源合理開(kāi)發(fā)利用具有重要意義。

近年眾多學(xué)者紛紛開(kāi)展了降水和人類活動(dòng)對(duì)流域徑流影響的研究。戴韻秋等[2]以沙潁河上游區(qū)1951年～2010年流域內(nèi)降雨量和徑流深序列為研究對(duì)象，采用趨勢(shì)系數(shù)法、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法分析了其變化特征，利用時(shí)間序列分析法對(duì)氣候變化以及人類活動(dòng)對(duì)流域內(nèi)徑流所造成的影響進(jìn)行量化，結(jié)果顯示人類活動(dòng)變化是造成徑流深降低的主要原因。臧榮強(qiáng)等[3]采用累計(jì)距平法和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法分析了沅水流域近55年的降水、徑流量序列的趨勢(shì)和突變點(diǎn)，利用雙累積曲線法計(jì)算降水及人類活動(dòng)對(duì)徑流量的貢獻(xiàn)率，結(jié)果表明人類活動(dòng)因素對(duì)沅水流域徑流量的影響不斷增加，沅水流域下游受人類活動(dòng)的影響最多。莫崇勛等[4]基于澄碧河流域1963年～2011年共49 a的降雨徑流序列，進(jìn)行了趨勢(shì)、突變、趨勢(shì)預(yù)測(cè)和影響分析，結(jié)果表明流域內(nèi)降雨徑流的變化是由人類活動(dòng)、喀斯特巖溶性的地質(zhì)構(gòu)造特征和降雨分布特點(diǎn)導(dǎo)致的。目前關(guān)于降水和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響研究主要集中于濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)和半干旱型流域，而對(duì)于干旱荒漠草原型流域的研究相對(duì)較少。

本研究以艾不蓋河流域作為典型的干旱荒漠草原型流域，根據(jù)57年來(lái)的降水和徑流數(shù)據(jù)，采用線性回歸和距平百分率法分析降水和徑流的變化趨勢(shì)，采用Mann-Kendall非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗(yàn)方法識(shí)別徑流突變點(diǎn)，并對(duì)降水和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響做定量研究，以期為干旱荒漠草原型流域在變化環(huán)境下進(jìn)行水資源合理規(guī)劃利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

艾不蓋河流域涵蓋了內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗境內(nèi)的達(dá)茂草原，流域面積5 192 km2[5]。達(dá)茂草原地處內(nèi)陸干旱地區(qū)(見(jiàn)圖1)，總面積18 177 km2[6]；其天然草場(chǎng)面積為1 642 640 hm2，荒漠草原是主體草場(chǎng)[7]。達(dá)茂草原降水稀少、蒸發(fā)量大、水資源匱乏，屬于嚴(yán)重缺水的牧區(qū)之一，具有北方干旱荒漠草原的顯著特點(diǎn)。

圖1 研究區(qū)域位置

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

以艾不蓋河流域上百靈廟站提供的1958年～2014年共57 a降水資料和徑流資料作為基礎(chǔ)資料。

1.3 計(jì)算方法

1.3.1 Mann-Kendall非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗(yàn)法

Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法是非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法[8]，既不需要樣本遵從任一分布，也不受少數(shù)異常值的干擾；適用于類型變量和順序變量[9]。M-K突變檢驗(yàn)法可以明確突變起始時(shí)刻，指出突變區(qū)域，是一種被廣泛使用的突變檢驗(yàn)法[10]，計(jì)算公式如下。

對(duì)具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列x，構(gòu)造一秩序列

(1)

式中，sk為第γ時(shí)刻數(shù)值大于j時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)，假定時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立，定義統(tǒng)計(jì)量

(2)

式中，E(sk)、Var(sk)為累計(jì)數(shù)sk的均值和方差，在x1，…，xn相互獨(dú)立，且有連續(xù)同分布時(shí)，可由下式計(jì)算。即

E(sk)=n(n+1)/4

(3)

Var(sk)=[n(n-1)(2n+5)/72]

(4)

UFi為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，它是按時(shí)間序列x順序x1，…，xn計(jì)算出統(tǒng)計(jì)量序列，如給定顯著性水平α，若|UFi|>Uα則表明序列有顯著的趨勢(shì)變化。

按時(shí)間序列x逆序xn，…，x1，再重復(fù)上述過(guò)程，同時(shí)使

(5)

繪制UFk和UBk曲線圖，如果UFk和UBk出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在檢驗(yàn)線之間，則交點(diǎn)即為突變點(diǎn)[11]。

1.3.2 降水和人類活動(dòng)對(duì)徑流的定量研究

將流域徑流變化分為降水和人類活動(dòng)影響兩部分，則流域徑流變化量是受人類活動(dòng)影響的實(shí)測(cè)徑流量與流域天然基準(zhǔn)期實(shí)測(cè)徑流量的差值[12]；氣候變化對(duì)徑流的影響量是受人類活動(dòng)影響的計(jì)算徑流量與流域天然基準(zhǔn)期實(shí)測(cè)流量的差值；人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響量是受人類活動(dòng)影響的實(shí)測(cè)徑流量與受人類活動(dòng)影響的計(jì)算徑流量的差值。具體為

ΔQt=Qv-Qb

(6)

ΔQc=Qvn-Qb

(7)

ΔQh=Qv-Qvn

(8)

ηh=(ΔQh/ΔQt)×100%

(9)

ηc=(ΔQc/ΔQt)×100%

(10)

式中，ΔQt為流域徑流變化量；Qv、Qb分別為流域受人類活動(dòng)影響及天然基準(zhǔn)期實(shí)測(cè)流量；Qvn為受人類活動(dòng)影響計(jì)算得出的天然徑流量；ΔQc、ΔQh分別為氣候變化和人類活動(dòng)的徑流影響量；ηh、ηc分別為人類活動(dòng)以及氣候變化對(duì)流域徑流的貢獻(xiàn)率。

2 結(jié)果與分析

2.1 徑流、降水年際變化特征

流域降水和徑流的年際變化及趨勢(shì)過(guò)程線見(jiàn)圖2和圖3。從圖2可以看出，流域內(nèi)年降水量最大為2003年的425.20 mm，降水量最小為2009年的138.40 mm，年均降水量為256.98 mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為64.26，降水量的變化傾向率為-0.918 mm/10 a。從圖3可看出，流域內(nèi)年徑流量最大為1979年的4 934萬(wàn)m3，徑流量最小為2011年的80.49萬(wàn)m3，年均降水量為880.66萬(wàn)m3，標(biāo)準(zhǔn)偏差為959.8，流域內(nèi)年徑流量的變化傾向率為-60.333萬(wàn)m3/10 a。綜上對(duì)比發(fā)現(xiàn)，徑流的年際變化幅度遠(yuǎn)大于降水，徑流量和降水量均呈下降趨勢(shì)；但降水量下降趨勢(shì)不顯著，徑流量下降趨勢(shì)顯著。這充分說(shuō)明了流域內(nèi)徑流的變化不僅受到降水的影響，還受其他因素(如人類活動(dòng))的影響。

圖2 艾不蓋河流域年降水量趨勢(shì)變化

圖3 艾不蓋河流域年徑流量趨勢(shì)變化

采用距平百分率法對(duì)流域內(nèi)降水和徑流變化特征進(jìn)行更進(jìn)一步的分析(見(jiàn)圖4)。從圖4可看出，流域降水年際變化相對(duì)平穩(wěn)，正負(fù)距平交替出現(xiàn)，最大的正距平為65.46%，出現(xiàn)在2003年；最小的負(fù)距平為-46.14%，出現(xiàn)在2009年；徑流量也呈現(xiàn)出正負(fù)距平交替出現(xiàn)變化規(guī)律，但變化較劇烈，最大的正距平為420.26%，出現(xiàn)在1979年；最小的負(fù)距平為-90.16%，出現(xiàn)在2011年。從表1中表示各年代降水量和徑流量距平百分率可以看出，有4個(gè)年代的降水量和徑流量最大正距平為同一年：分別是1958年、1979年、1981年和2003年。降水和徑流最大正距平出現(xiàn)的時(shí)間一致性，說(shuō)明降水在一定程度上影響徑流變化；但并不是所有的降水和徑流距平最值為同一年份。這進(jìn)一步說(shuō)明徑流還受到其他因素的影響。

表1 艾不蓋河流域各年代降水量和徑流量距平百分率

圖4 艾不蓋河流域年降水量和徑流量距平百分比

2.2 突變點(diǎn)檢驗(yàn)

突變點(diǎn)表示時(shí)間序列因人類活動(dòng)或自然因素的干擾從一種狀態(tài)過(guò)渡到另一種狀態(tài)的急劇變化。變異點(diǎn)的研究已經(jīng)成為水文統(tǒng)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)以及生態(tài)環(huán)境治理等研究的重要的前沿問(wèn)題。采用Mann-Kendall非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗(yàn)法，對(duì)流域的徑流進(jìn)行突變點(diǎn)識(shí)別如圖5所示。按照M-K法，UFk和UBk在±1.96信度線內(nèi)相交于2個(gè)點(diǎn)，分別是1968年和2011年，說(shuō)明徑流量在1968年和2011年發(fā)生了突變。

圖5 艾不蓋河流域年徑流量突變檢驗(yàn)

2.3 降水和人類活動(dòng)對(duì)徑流的定量研究

M-K檢驗(yàn)法識(shí)別出的1968年和2011年將序列年份分成了三部分，但由于2011年后的時(shí)間序列過(guò)短，數(shù)據(jù)過(guò)少，研究意義不大。所以以突變年1968年作為分界點(diǎn)，將時(shí)間序列分成兩部分。即將1968年前作為基準(zhǔn)期，近似的認(rèn)為1968年前徑流受人類影響程度較小，為天然時(shí)期；1968年后為徑流受人類影響活動(dòng)時(shí)期。以1958年～1968年的降水量和徑流量為基準(zhǔn)，建立天然條件下降水量和徑流量的線性回歸方程：y=8.144x-1 290。其中R2為0.978，具有良好的相關(guān)性，說(shuō)明可以用1958年～1968年的數(shù)據(jù)來(lái)分析后期徑流受人類活動(dòng)和降水的影響程度。

開(kāi)展降水和人類活動(dòng)對(duì)徑流的定量研究，結(jié)果如表2所示?？偟膩?lái)說(shuō)，在1969年～2014年有人類影響活動(dòng)的46 a內(nèi)，年平均降雨量增加了8.07 mm，年平均徑流量增加了162.14萬(wàn)m3，其中由降水變化增加的徑流量為65.71萬(wàn)m3，貢獻(xiàn)率為40.53%；由人類活動(dòng)變化增加的徑流量為96.42萬(wàn)m3，貢獻(xiàn)率為59.47%，人類活動(dòng)對(duì)徑流的貢獻(xiàn)率大于降水?？v向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，人類活動(dòng)對(duì)徑流的貢獻(xiàn)率從1969年～1979年的59.04%，增加到2010年～2014年的148.78%。這說(shuō)明人類活動(dòng)對(duì)徑流的貢獻(xiàn)率越來(lái)越大，徑流量受降水的影響越來(lái)越弱，人類活動(dòng)對(duì)徑流量大小的影響將越來(lái)越大。

表2 降水和人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響

3 結(jié)論與討論

(1)徑流的年際變化幅度遠(yuǎn)大于降水，采用線性回歸方法發(fā)現(xiàn)流域徑流量和降水量均呈下降趨勢(shì)；但降水量下降趨勢(shì)不顯著，徑流量下降趨勢(shì)顯著。采用距平百分率法發(fā)現(xiàn)小部分降水和徑流距平最值出現(xiàn)的時(shí)間一致，但大部分降水和徑流距平最值出現(xiàn)的時(shí)間不一致。這說(shuō)明徑流在一定程度上受降水影響，但還受到其他因素的影響。

(2)利用Mann-Kendall非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗(yàn)法，發(fā)現(xiàn)1968年為徑流突變年。以1958年～1968年為基準(zhǔn)期，建立天然條件下降水量和徑流量的線性回歸方程，探討降水和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)對(duì)徑流的貢獻(xiàn)率大于降水，且人類活動(dòng)對(duì)徑流的貢獻(xiàn)率越來(lái)越大，人類活動(dòng)對(duì)徑流量的大小起決定性作用。

(3)本文僅從降水角度分析了氣候條件對(duì)流域內(nèi)徑流的影響，沒(méi)有考慮蒸散發(fā)、氣溫及日照時(shí)數(shù)等其他氣候因素對(duì)徑流的影響。而文中提到的人類影響活動(dòng)也只是一個(gè)廣義的定義，具體包括工農(nóng)業(yè)及生活用水、水利工程建設(shè)和改變流域下墊面的特征等。將具體的氣候因素和人類影響活動(dòng)分開(kāi)后進(jìn)行量化分析，是未來(lái)精細(xì)化研究氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)流域徑流影響的方向。