楊 林,趙廣舉,2,*,穆興民,2,田 鵬,高 鵬,2,孫文義,2,張麗梅

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 楊凌 712100 2 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所, 楊凌 712100 3 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 楊凌 712100

日趨劇烈的人類活動(dòng)深刻改變流域下墊面,進(jìn)而影響流域的產(chǎn)匯流機(jī)制,導(dǎo)致河流的徑流量等水文要素變化,從而影響水循環(huán)過程和水量平衡[1- 2]。近幾十年來,我國(guó)在黃河上中游地區(qū)實(shí)施了大規(guī)模的水土保持措施,建設(shè)了眾多水利工程。截止2011年,累積建設(shè)梯田超過4.5萬km2,淤地壩5.5萬座,植被覆蓋度由20世紀(jì)80年代的28%增長(zhǎng)到近年的63%[3-4]。這些措施極大的改變了黃河干支流水文過程,由此導(dǎo)致徑流輸沙急劇銳減[5- 8]。黃河水沙變化規(guī)律及其歸因識(shí)別已引起相關(guān)行業(yè)部門的極大關(guān)注。定量分析其變化的原因,對(duì)深入理解流域水文演變機(jī)理和規(guī)律具有重要的科學(xué)意義,對(duì)流域水資源科學(xué)管理具有現(xiàn)實(shí)意義。

針對(duì)河川徑流變化影響因素的評(píng)估方法已有較多研究,如廣泛應(yīng)用的水文模型法、水文統(tǒng)計(jì)法等[9- 10]。基于Budyko假設(shè)的水熱耦合平衡方程可以定量評(píng)估氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的敏感性和貢獻(xiàn)量[11- 13],目前,已有許多研究學(xué)者利用黃河流域的氣象資料和水文資料擬合水熱關(guān)系,證實(shí)了Budyko水熱耦合平衡方程理論的適用性[14- 16]。

洮河、大夏河作為黃河上游區(qū)重要的一級(jí)支流,受氣候變化和人類活動(dòng)雙重作用,河川徑流發(fā)生顯著的變化[17-18]。徑流的豐枯變化必定影響區(qū)域的水源供水格局,進(jìn)而牽動(dòng)區(qū)域內(nèi)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[19-20]。目前,針對(duì)洮河、大夏河流域的水文研究多集中在水文氣象要素變化特征方面,而對(duì)其徑流變化歸因分析研究較少,且多集中在2015年之前[20-23]。鑒于此,本文以洮河、大夏河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域,采用Budyko水熱耦合平衡方程理論量化降雨、潛在蒸散發(fā)、下墊面特征系數(shù)對(duì)徑流變化的影響程度,識(shí)別引起流域徑流變化的原因,對(duì)深刻理解水循環(huán)過程和改善流域水資源管理措施具有理論和實(shí)踐意義。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

洮河流域位于甘肅省西部,介于101°36′— 104°20′E、34°06′—36°01′N(圖1),發(fā)源于西傾山北麓,由西向東依次經(jīng)過碌曲、卓尼、岷縣,岷縣受阻后北拐穿過九甸峽和海甸峽,經(jīng)東鄉(xiāng)、臨洮等地,在永靖注入黃河。流域總面積24973 km2,干流全長(zhǎng)673.2 km,流域以白石山、太子山一線為界,分為青藏高原和黃土高原兩大地貌單元,地貌單元間地理—生態(tài)格局天然分異,由地勢(shì)平緩的草原區(qū)、高山聳立的森林草原區(qū)向植被稀疏、水土流失嚴(yán)重的黃土區(qū)過渡。紅旗水文站是洮河流域的把口站,多年平均徑流量為46.8億m3。

大夏河發(fā)源于甘南高原,河源由夏河和咯河(又名：德烏魯河)兩大支流組成(圖1)。大夏河流經(jīng)夏河縣、合作市、臨夏、東鄉(xiāng)縣注入劉家峽水庫,流域面積6808 km2,主河道長(zhǎng)201.9 km,流域內(nèi)多年平均降水量630 mm,平均蒸發(fā)量705.8 mm。折橋水文站是大夏河流域的把口站,多年平均徑流量為4.479億 m3。

圖1 研究區(qū)水文、氣象站點(diǎn)空間分布Fig.1 Locations of hydro-climatic stations in the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文選擇洮河流域的紅旗水文站和大夏河流域的折橋水文站(圖1),通過黃河水文年鑒、《黃河泥沙公報(bào)》及黃土高原數(shù)據(jù)中心(http://loess.geodata.cn/hyd/inedx.jsp)獲取兩個(gè)水文站的月徑流數(shù)據(jù)。通過中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://data.cma.cn)下載獲得流域范圍內(nèi)12個(gè)氣象站點(diǎn)1961—2017年的基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù),包括最高溫度、最低溫度、平均溫度、日照時(shí)數(shù)、平均相對(duì)濕度、日降雨量、平均風(fēng)速。采用世界糧農(nóng)組織(FAO)修正的Penman-Monteith公式獲取研究區(qū)的潛在蒸散發(fā),該方法充分考慮了作物地表特征和空氣動(dòng)力學(xué)的參數(shù)的變化[24],廣泛應(yīng)用于蒸散發(fā)計(jì)算中[25-26],計(jì)算公式如下：

(1)

式中,ET0為潛在蒸散量(mm/d);Δ為飽和水汽壓曲線斜率(kPa/℃);Rn為太陽凈輻射(MJ m-2d-1);G為土壤熱通量(MJ m-2d-1);γ為干濕常數(shù)(kPa/℃);U2為2 m高處的風(fēng)速(m/s);T為平均氣溫(℃);es為平均飽和水汽壓(kPa),ea為實(shí)際水汽壓(kPa),(es-ea)為飽和水汽壓差(kPa)。

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)和突變檢驗(yàn)

Mann-Kendall(MK)趨勢(shì)檢驗(yàn)和Mann-Kendall突變檢驗(yàn)分析是水文時(shí)間序列常用的方法,能夠很好地反映河川徑流變化發(fā)展規(guī)律,具有精確度高、不受異常值干擾、適用于非正態(tài)分布數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)。計(jì)算方法詳見參考文獻(xiàn)[8, 27]。

2.2 徑流變化歸因識(shí)別

基于Budyko水熱耦合平衡理論量化氣候變異和人類干擾對(duì)徑流變化的敏感性和貢獻(xiàn)率,能夠準(zhǔn)確、快速識(shí)別引導(dǎo)徑流變化的主導(dǎo)因素,在研究氣候變化和下墊面變化對(duì)徑流影響程度分析中廣泛應(yīng)用[15, 28]。

2.2.1敏感性分析

基于Budyko水熱耦合平衡方程計(jì)算長(zhǎng)時(shí)間尺度下的實(shí)際蒸散發(fā)[29],其方程基本形式為：

(2)

式中：ET表示流域年實(shí)際蒸散發(fā)(mm),P表示年降雨量(mm),ET0表示年潛在蒸散發(fā)(mm),參數(shù)ω代表流域的下墊面參數(shù)(無量綱),與土壤性質(zhì)、地形和植被相關(guān)[30-31]。

在多年尺度上,閉合流域滿足水量平衡關(guān)系,即：

R=P-ET

(3)

式中,R為多年平均徑流深(mm)；P為多年平均降雨量(mm)；ET為多年平均實(shí)際蒸散量(mm)。將方程(2)代入方程(3)可以得到：

(4)

假設(shè)P、ET0和ω是獨(dú)立的變量,公式(3)可以改寫為R=f(P,ET0,ω),徑流深可以表達(dá)為：

(5)

(6)

進(jìn)一步推導(dǎo),各彈性系數(shù)表達(dá)式為(?=ET0/P)：

(7)

(8)

(9)

降雨、潛在蒸散發(fā)、下墊面的徑流彈性系數(shù)由(7)—(9)式求得,彈性系數(shù)的正負(fù)表示徑流與該因子的正負(fù)相關(guān)關(guān)系,彈性系數(shù)的絕對(duì)值大小表示該因子對(duì)徑流變化的影響程度。

2.2.2徑流變化的貢獻(xiàn)率分析

如果徑流發(fā)生顯著性變化,基于突變點(diǎn),研究時(shí)期分為基準(zhǔn)期和若干人類活動(dòng)期,基準(zhǔn)期和人類活動(dòng)期的徑流深變化為ΔR,理論上徑流深變化可以歸因于降雨、潛在蒸散發(fā)、下墊面狀況改變?nèi)矫?由公式(10)計(jì)算單個(gè)因素引起的徑流深變化表達(dá)為：

(10)

式中i代表降雨P(guān)、潛在蒸散發(fā)ET0、下墊面系數(shù)ω。

通過計(jì)算可以分別獲得人類活動(dòng)期降雨、潛在蒸散發(fā)、下墊面系數(shù)相對(duì)基準(zhǔn)期引起的徑流深變化為ΔRP、ΔRET0、ΔRω,從而計(jì)算單個(gè)因素對(duì)徑流變化貢獻(xiàn)率為：

ηi=ΔRi/ΔR×100%

(11)

其中ηi表示降雨、潛在蒸散發(fā)、下墊面系數(shù)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率。

3 結(jié)果與分析

3.1 水文氣象要素特征

洮河和大夏河流域的徑流特征如表1所示,結(jié)果表明：洮河流域的多年平均徑流深為177.71 mm,是大夏河121.49 mm的1.41倍。大夏河年際徑流深極值比為22.66,是洮河的5—6倍,表明大夏河年際徑流深差異明顯,這主要與大夏河南北地域差異性和季風(fēng)性氣候引起的降雨時(shí)空分布有關(guān)。采用非參數(shù)MK趨勢(shì)檢驗(yàn)流域徑流深的變化趨勢(shì)可知：洮河、大夏河流域的徑流深均呈現(xiàn)減少趨勢(shì),顯著性超過99%。圖2為流域年徑流深的線性擬合,由此可知,洮河、大夏河1961—2017年徑流深減少速率分別為-1.85 mm/a、-1.36 mm/a。Mann-Kendall突變點(diǎn)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),洮河、大夏河徑流突變分別發(fā)生在1987、1985年,突變之后人類活動(dòng)期徑流相對(duì)變化率超過30%。

表1 流域水文氣候變化特征

圖2 徑流變化趨勢(shì)和突變檢驗(yàn)Fig.2 Runoff changing trends and abrupt changesUFk：MK正序檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量 MK normal series test statistics； UBk：MK逆序檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量 MK inverse series test statistics

流域降雨、蒸發(fā)等氣象因素直接影響著河川徑流變化。采用MK趨勢(shì)檢驗(yàn)分析研究區(qū)降雨、潛在蒸散發(fā)變化特征發(fā)現(xiàn)(表1),洮河、大夏河年降雨量無顯著的變化趨勢(shì),年降雨量變化速率分別為-1.08、0.005 mm/a(圖3)；而洮河和大夏河流域年潛在蒸散發(fā)顯著增長(zhǎng)(P≥0.01),增長(zhǎng)速率分別為0.6、1.46 mm/a,2000年之后年潛在蒸散發(fā)均超過850 mm,這與黃河流域整體增溫變暖一致。

圖3 研究區(qū)氣象變化趨勢(shì)Fig.3 Climate changing trends in the study area

3.2 徑流變化歸因分析

3.2.1徑流對(duì)氣候和下墊面變化的敏感性分析

基于Budyko水熱耦合平衡方程理論計(jì)算洮河流域和大夏河流域各時(shí)段水文特征以及徑流對(duì)降雨量、潛在蒸散發(fā)、下墊面參數(shù)的彈性系數(shù)(表2)。分析發(fā)現(xiàn)：洮河、大夏河流域在人類活動(dòng)期降雨量、徑流深相對(duì)基準(zhǔn)期均減少,年潛在蒸散發(fā)增加,徑流系數(shù)減少,降雨轉(zhuǎn)換為蒸散發(fā)的比例增加。

表2 氣象水文變量特征

總體而言,洮河、大夏河流域徑流變化與ET0、ω呈負(fù)相關(guān),與P呈正相關(guān)。對(duì)比突變點(diǎn)前后的兩個(gè)時(shí)段,洮河流域的降雨彈性系數(shù)由1961—1987年的1.67,增加到1988—2017年的1.92,說明同樣的降水增加10%時(shí),1987年以前會(huì)使洮河徑流增加16.7%,則會(huì)使1987年之后增加19.2%,表明降水對(duì)徑流的影響程度進(jìn)一步加強(qiáng)；同理,潛在蒸散發(fā)或者下墊面參數(shù)ω增加10%時(shí),1987年以前分別會(huì)使洮河徑流減少6.7%或者10.8%,1987年之后分別會(huì)使徑流減少9.2%或者13.1%。同理,大夏河流域的降雨、潛在蒸散發(fā)、下墊面特征參數(shù)分別增加10%,1985年以前分別會(huì)使大夏河徑流增加19.2%、減少9.2%、減少11%,1985年之后徑流分別增加23.1%、減少13.1%、減少16%。通過對(duì)比降雨、潛在蒸散發(fā)、下墊面參數(shù)ω彈性系數(shù)絕對(duì)值大小,降雨彈性系數(shù)最大,下墊面次之,潛在蒸散發(fā)最小,揭示了洮河、大夏河對(duì)降雨補(bǔ)給最敏感,降水量的增減,直接決定流域水量的多少；下墊面對(duì)流域降水?dāng)r蓄截留,改變產(chǎn)流過程的填洼、下滲和土壤蓄水能力,匯流過程中的地表糙率、河流水文路徑等水文過程。

圖4反映了洮河、大夏河流域1961—2017年干旱指數(shù)(ET0/P)和降雨、潛在蒸散發(fā)、下墊面彈性系數(shù)的年際變化趨勢(shì),干旱指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì),流域內(nèi)暖干化現(xiàn)象顯著,降雨、潛在蒸散發(fā)彈性系數(shù)絕對(duì)值呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)(P<0.01),反映了流域徑流變化對(duì)氣象要素的敏感性增強(qiáng)。

圖4 干旱指數(shù)、彈性系數(shù)年際變化Fig.4 Interannual changes of drought index and elasticity coefficients

3.3 徑流變化的歸因識(shí)別

基于Budyko水熱耦合平衡方程理論量化氣候變化和下墊面條件對(duì)徑流過程的影響程度(表3)。由表可知,理論計(jì)算的徑流深變化(dR)和實(shí)際徑流深變化(dR＇)數(shù)值接近(二者誤差的絕對(duì)值δ<5),表明本研究評(píng)估徑流變化歸因的方法是可行的。洮河流域和大夏河流域人類活動(dòng)期相對(duì)于基準(zhǔn)期,降雨、潛在蒸散量和下墊面狀況對(duì)徑流的貢獻(xiàn)有較大差異。與基準(zhǔn)期相比,洮河流域的徑流減少31%,下墊面變化對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)占比最高(63.68%),其次為降雨,貢獻(xiàn)33.99%,潛在蒸散發(fā)貢獻(xiàn)最小。大夏河流域人類活動(dòng)期相比于基準(zhǔn)期,下墊面變化對(duì)徑流貢獻(xiàn)為76.87%,降雨和潛在蒸散發(fā)貢獻(xiàn)接近,分別貢獻(xiàn)10.50%和12.63%。

綜上,下墊面條件是引起洮河、大夏河流域徑流減少的主要因素,降雨次之,潛在蒸散發(fā)影響程度最小。流域2000年之后降水頗豐,但徑流深基本保持在150 mm左右,可見下墊面狀況的改變對(duì)流域的產(chǎn)匯流過程產(chǎn)生了深刻的影響。

表3 徑流變化歸因識(shí)別

4 討論

4.1 流域特征參數(shù)ω的含義

Budyko方程的唯一參數(shù)ω,是一個(gè)區(qū)域下墊面特征綜合體現(xiàn),一般認(rèn)為主要受地形、土壤、植被因素的影響。已有學(xué)者針對(duì)人類活動(dòng)影響較弱的地區(qū)建立了區(qū)域相對(duì)入滲能力、相對(duì)土壤水儲(chǔ)量、平均坡度三者的函數(shù)求解ω的關(guān)系[14],研究發(fā)現(xiàn)流域在較短時(shí)間內(nèi)地形和土壤性質(zhì)的變異性相對(duì)較弱,參數(shù)ω主要反映下墊面植被的變化。20世紀(jì)末,黃土高原實(shí)施退耕還林(草)、荒山造林等一系列大規(guī)模生態(tài)修復(fù)工程,植被狀況顯著改善,覆蓋度由上世紀(jì)80年代的28%增加至近年的63%[21]。同時(shí),學(xué)者針對(duì)洮河流域內(nèi)1980—2010年歸一化植被指數(shù)(NDVI)研究分析發(fā)現(xiàn),春、秋季植被生長(zhǎng)旺盛,流域范圍內(nèi)NDVI顯著增加[32]。洮河、大夏河流域范圍內(nèi)梯田的修建、植被覆蓋的增加深刻地改變了流域下墊面的狀況,人類活動(dòng)期的下墊面參數(shù)ω相比于基準(zhǔn)期分別增長(zhǎng)了19.05%、25.6%,表明流域中降水轉(zhuǎn)化為蒸散發(fā)的比例增加,這與流域中植被覆蓋度變化密切相關(guān),植被覆蓋度的增加導(dǎo)致冠層截留增加,同時(shí)改變了產(chǎn)流過程中的填洼、下滲和土壤蓄水能力和匯流過程中地表糙率、地表蓄水量、河道匯水路徑等水文過程,延長(zhǎng)產(chǎn)匯流時(shí)間,增加了蒸散發(fā)。1990年之后徑流減少30%以上,植被變化是控制流域的下墊面狀況的主導(dǎo)因素,但是流域中植被變化驅(qū)動(dòng)的水文過程變化機(jī)理研究相對(duì)較少,后期需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

4.2 河川徑流變化主要驅(qū)動(dòng)因素

采用Budyko水熱耦合平衡方程理論對(duì)徑流影響因素的彈性系數(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),氣候因子的彈性系數(shù)絕對(duì)值最大,表明氣候變化直接影響著流域水文循環(huán)過程。洮河、大夏河流域人類活動(dòng)期的徑流較基準(zhǔn)期均呈顯著減少,盡管下墊面的彈性系數(shù)介于1—1.3之間,但下墊面狀況的改變對(duì)徑流深變化的貢獻(xiàn)率超過了60%,與已有的研究結(jié)果一致[23]。流域內(nèi)降雨年際變化不均勻,平水年和枯水年交替出現(xiàn),洮河、大夏河流域在2003年之后,降水量相對(duì)頗豐,但徑流深分別減少26.08%、28.61%,表明流域內(nèi)徑流的改變與降雨變化不同步,因此,流域下墊面變化是河川徑流銳減的主導(dǎo)因素。統(tǒng)計(jì)研究區(qū)的治理措施發(fā)現(xiàn),20世紀(jì)70年代末,洮河、大夏河流域均實(shí)施小流域綜合治理,修筑梯田、淤地壩等水土保持措施,并于1999年開展退耕還林草工程,截止2015年,洮河流域修筑梯田2116 km2,退耕還林面積達(dá)561 km2,修建水利水電工程及水庫62座,中型淤地壩6座,灌溉面積達(dá)到6.03萬hm2[23, 33]；大夏河流域至2010年底,興修梯田2.11萬hm2,營(yíng)造林草面積達(dá)2.41萬hm2,修建谷坊380座、淤地壩7座,水土流失治理率初步達(dá)到43.5%[34],這些舉措深刻地改變了流域下墊面條件,影響了產(chǎn)匯流機(jī)制,由此可以看出,研究區(qū)下墊面的變化深刻地改變了流域的水文過程。

5 結(jié)論

本文以黃河上游支流洮河、大夏河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)、突變等方法分析流域1961—2017年徑流序列變化,基于Budyko水熱耦合方程理論量化氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn),主要結(jié)論如下：

洮河流域、大夏河流域徑流深均顯著減少,變化速率分別為-1.85 mm/a、-1.36mm/a。兩個(gè)流域的年降雨量未發(fā)生顯著變化,但年潛在蒸散發(fā)量顯著增加(P<0.01)。采用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)識(shí)別洮河、大夏河年徑流階段變化特征,人類活動(dòng)影響較小的時(shí)期分別為1961—1987、1961—1985年,人類活動(dòng)影響劇烈期為1988—2017年、1986—2017年。

依據(jù)Budyko水熱耦合平衡方程識(shí)別徑流變化的主導(dǎo)因素,研究發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)引起的洮河、大夏河流域下墊面變化是徑流變化的主要因素,分別貢獻(xiàn)63.68%和76.87%。洮河、大夏河流域的徑流減少主要受下墊面變化的控制,降雨量次之,潛在蒸散發(fā)影響最弱。