基于ＳＷＡＴ 模型和Ｂｕｄｙｋｏ 假設(shè)的石羊河流域徑流變化歸因?qū)Ρ确治?/h1>
2023-08-27 15:41:53李瑤董增川張城邵逸卿倪效寬孟金玉徐亦凡魏園
人民黃河 2023年7期
李瑤 董增川 張城 邵逸卿 倪效寬 孟金玉 徐亦凡 魏園
摘 要：探究流域徑流變化及其影響因素對(duì)流域水資源的可持續(xù)開發(fā)利用具有重要意義。利用１９６０—２０１９ 年石羊河流域水文氣象資料，通過Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ 突變檢驗(yàn)和Ｐｅｔｔｉｔｔ 檢驗(yàn)確定蔡旗站徑流序列的突變年份，采用ＳＷＡＴ 模型和基于Ｂｕｄｙｋｏ 假設(shè)的彈性系數(shù)法進(jìn)行徑流變化歸因?qū)Ρ确治?，定量辨識(shí)氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響。結(jié)果表明：近６０ ａ 蔡旗站年徑流量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，并在１９７２ 年和２００２ 年發(fā)生突變；ＳＷＡＴ 模型與彈性系數(shù)法對(duì)徑流變化歸因分析結(jié)果基本一致，ＳＷＡＴ 模型分析結(jié)果表明，變化期１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為３２．１８％、４６．０９％，人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為－６７．８２％、－５３．９１％，而彈性系數(shù)法分析結(jié)果表明，兩個(gè)時(shí)期氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為３０．８０％、４１．４４％，人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為－６９．２０％、－５８．５６％，相對(duì)于１９６０—１９７２ 年，１９７３—２０１９ 年石羊河流域徑流變化受人類活動(dòng)的影響大于氣候變化的影響。人類活動(dòng)是引起石羊河流域徑流變化的主要因素。
關(guān)鍵詞：氣候變化；人類活動(dòng)；徑流；ＳＷＡＴ 模型；Ｂｕｄｙｋｏ；石羊河
中圖分類號(hào)： ＴＶ１２１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．００６
引用格式：李瑤，董增川，張城，等．基于ＳＷＡＴ 模型和Ｂｕｄｙｋｏ 假設(shè)的石羊河流域徑流變化歸因?qū)Ρ确治觯郏剩荩嗣顸S河，２０２３，４５（７）：３０－３５．
河川徑流不僅是水文循環(huán)的重要組成部分，而且是影響生態(tài)環(huán)境變化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。在氣候變化與人類活動(dòng)影響下，流域水循環(huán)過程和水資源時(shí)空分布規(guī)律發(fā)生了明顯改變，社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水格局逐步演化，加劇了河流水文特性的復(fù)雜性［１］ 。石羊河流域是西北干旱區(qū)重要的內(nèi)流河流域，《石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》的實(shí)施，在緩解用水緊張、提高用水保證程度、改善流域生態(tài)環(huán)境方面取得了顯著成效，但受氣候變化和人類活動(dòng)影響，仍面臨著水資源短缺、河湖生態(tài)功能萎縮、局部地下水位持續(xù)下降等問題。因此，研究變化環(huán)境下石羊河流域徑流演變規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制，對(duì)認(rèn)識(shí)流域水文情勢(shì)以及探討流域水資源合理開發(fā)利用等具有重要意義。
目前，徑流演變歸因分析的方法主要有數(shù)理統(tǒng)計(jì)法［２］ 、水文模擬法［３］ 和彈性系數(shù)法［４］ 。其中：數(shù)理統(tǒng)計(jì)法主要利用回歸分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)學(xué)方法或統(tǒng)計(jì)模型量化主要驅(qū)動(dòng)因子對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率，該方法計(jì)算簡單，要求長序列的水文數(shù)據(jù)；水文模擬法是基于流域水文模型或陸面過程模型定量分析各驅(qū)動(dòng)因子對(duì)徑流變化的影響，該方法物理機(jī)制強(qiáng)，可在不同土地利用條件、多種氣候情景模式下進(jìn)行模擬，分析精度較高；彈性系數(shù)法是依據(jù)Ｂｕｄｙｋｏ 假設(shè)和彈性系數(shù)概念，計(jì)算氣候變化和人類活動(dòng)作用下徑流的變化量，該方法物理意義明確，參數(shù)易獲取且計(jì)算簡單。
近年來，許多學(xué)者對(duì)石羊河流域徑流變化進(jìn)行了研究，研究多基于石羊河長期實(shí)測(cè)徑流資料，對(duì)徑流演變特征進(jìn)行分析。在徑流變化歸因方面，薛東香［５］ 采用改進(jìn)的雙累積曲線法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)石羊河上游產(chǎn)流區(qū)徑流變化主要受氣候變化影響，中下游徑流變化主要受人類活動(dòng)影響；賈飛飛等［６］ 采用累積量斜率變化率比較法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)是黃羊河流域徑流變化的主導(dǎo)因素；陳忠升［７］ 采用基于Ｂｕｄｙｋｏ 假設(shè)的彈性系數(shù)法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)石羊河中下游徑流減少的主要因素是人類活動(dòng)。以往研究多從定性角度評(píng)價(jià)氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響，雖然也有一部分從定量角度進(jìn)行分析，但研究方法主要集中于數(shù)理統(tǒng)計(jì)法和彈性系數(shù)法，運(yùn)用基于物理機(jī)理的水文模擬法量化徑流變化貢獻(xiàn)率的研究還較少。因此，本文采用ＳＷＡＴ 模型和基于Ｂｕｄｙｋｏ 假設(shè)的彈性系數(shù)法進(jìn)行徑流變化歸因?qū)Ρ确治觯勘孀R(shí)氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)石羊河流域徑流變化的影響，以期為石羊河流域生態(tài)保護(hù)和治理規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。
１ 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)和突變點(diǎn)分析
１．１ 研究區(qū)概況
石羊河流域地處東經(jīng)１０１° ４１′—１０４° １６′、北緯３６°２９′—３９°２７′之間，是甘肅省三大內(nèi)陸河流域之一，流域涉及武威、金昌、張掖和白銀四市的９ 個(gè)縣（區(qū)）。流域內(nèi)地勢(shì)南高北低，自西南向東北傾斜。石羊河發(fā)源于祁連山東沿線的冷龍嶺大雪山，河長３００ ｋｍ，流域面積４．１６ 萬ｋｍ２，其中產(chǎn)流面積１．１１ 萬ｋｍ２，多年平均徑流量１５．６０ 億ｍ３。石羊河水系由西大河、東大河、西營河、金塔河、雜木河、黃羊河、古浪河與大靖河等８ 條支流和眾多小溝河組成。
１．２ 數(shù)據(jù)來源
本研究所用數(shù)據(jù)有數(shù)字高程模型（ＤＥＭ）數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)。其中：ＤＥＭ 數(shù)據(jù)為ＳＲＴＭＧＬ１．００３ ３０ ｍ 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，來源于美國地質(zhì)調(diào)查局（ＵＳＧＳ）；土地利用數(shù)據(jù)為１９８０ 年甘肅省土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分辨率為１ ｋｍ，來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心；土壤數(shù)據(jù)采用世界土壤數(shù)據(jù)庫（ＨＷＳＤ Ｖ１．１），分辨率為１ ｋｍ，來源于國家冰川凍土沙漠科學(xué)數(shù)據(jù)中心；氣象數(shù)據(jù)為研究區(qū)及周邊地區(qū)１１ 個(gè)氣象站１９６０—２０１９年逐日降水、最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度和平均風(fēng)速等，來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)；水文數(shù)據(jù)為蔡旗水文站１９６０—２０１９ 年日徑流數(shù)據(jù)，來源于內(nèi)陸河水文年鑒。水文站與氣象站分布如圖１所示。
１．３ 突變點(diǎn)識(shí)別
蔡旗站年徑流量變化過程如圖２ 所示。由圖２ 可知，年徑流量在２００２ 年前后發(fā)生明顯變化，總體呈先減小后增大趨勢(shì)，多年平均徑流量為２．７３ 億ｍ３，最大值出現(xiàn)在１９６７ 年，為５．９６ 億ｍ３，最小值出現(xiàn)在２００２ 年，為０．８５ 億ｍ３。由５ ａ 滑動(dòng)平均曲線可知，蔡旗站徑流量呈減少（１９６４—１９６６ 年）—增加（１９６７—１９７１ 年）—減少（１９７２—２００２ 年）—增加（２００３—２０１９ 年）的變化趨勢(shì)。通過時(shí)間序列離散度計(jì)算，蔡旗站年徑流量的變差系數(shù)ＣＶ值為０．４７，徑流年際間波動(dòng)較為劇烈。
采用Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ 檢驗(yàn)（Ｍ－Ｋ 檢驗(yàn)）［８］ 和Ｐｅｔｔｉｔｔ突變檢驗(yàn)［９］ 結(jié)合的方法對(duì)徑流序列進(jìn)行突變性分析，確定突變點(diǎn)。徑流突變檢驗(yàn)結(jié)果如圖３ 所示，蔡旗站Ｍ－ Ｋ 統(tǒng)計(jì)量序列曲線交點(diǎn)發(fā)生在１９７２ 年， 另有１９７４—２０１９ 年ＵＦ 曲線超過置信區(qū)間，是可能發(fā)生突變的區(qū)域；經(jīng)過Ｐｅｔｔｉｔｔ 突變點(diǎn)識(shí)別，突變點(diǎn)可能發(fā)生的年份為１９７２ 年，統(tǒng)計(jì)量為５５８，置信水平ｐ ＝ １．３５６×１０－５＜０．０５，通過了置信水平為０．０５ 的顯著性檢驗(yàn)。結(jié)合圖２ 可知２００２ 年是較明確的突變點(diǎn)，且在Ｍ－Ｋ 檢驗(yàn)可能發(fā)生突變的區(qū)域，因此可以認(rèn)為蔡旗站年徑流量的突變點(diǎn)為１９７２ 年和２００２ 年。
２ 徑流變化歸因分析
２．１ ＳＷＡＴ 模型歸因分析
１）ＳＷＡＴ 建模與評(píng)價(jià)。ＳＷＡＴ 模型是美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心（ＵＳＤＡ－ＡＲＳ）開發(fā)的基于長時(shí)段、適用于較大流域尺度的分布式水文模型［１０］ ，可以同時(shí)考慮地形、土地利用、土壤、氣象等對(duì)水文過程的影響，被廣泛應(yīng)用于流域水文過程模擬以及流域在氣候和土地利用變化下的水文響應(yīng)等。
基于石羊河流域ＤＥＭ 數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等，通過土壤水文特性軟件、ＳＷＡＴ?Ｗｅａｔｈｅｒ 等構(gòu)建模型的土地利用、土壤、氣象數(shù)據(jù)庫，劃分子流域和水文響應(yīng)單元，建立流域ＳＷＡＴ 水文模型，最終將流域劃分為４７ 個(gè)子流域和３２７ 個(gè)水文響應(yīng)單元。建模結(jié)果如圖４ 所示。
采用ＳＷＡＴ 模型對(duì)流域１９６０—１９７２ 年徑流量進(jìn)行月尺度模擬。設(shè)置１９６０ 年為模型預(yù)熱期，１９６１—１９６７ 年為率定期，１９６８—１９７２ 年為驗(yàn)證期。采用ＳＷＡＴ－ＣＵＰ 軟件的ＳＵＦＩ２ 算法對(duì)模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證，通過ｔ－Ｓｔａｔ 和Ｐ－Ｖａｌｕｅ 兩個(gè)指標(biāo)判別參數(shù)的敏感性，敏感參數(shù)及率定結(jié)果見表１。徑流主要受河道深層地下水損失率、地下水蒸發(fā)系數(shù)、地下水滯后系數(shù)、降雪氣溫、側(cè)向流移動(dòng)時(shí)間、土壤有效含水率等參數(shù)影響。
采用決定系數(shù)（Ｒ２ ） 和Ｎａｓｈ－Ｓｕｔｃｌｉｆｆｅ 效率系數(shù)（ＮＳＥ）對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行精度分析，綜合評(píng)價(jià)ＳＷＡＴ 模型的模擬效果，一般認(rèn)為，當(dāng)Ｒ２ 與ＮＳＥ 均大于０．５ 時(shí)模型模擬結(jié)果可接受［１１］ 。由表２ 可知，率定期和驗(yàn)證期的Ｒ２和ＮＳＥ 均大于０．８，表明ＳＷＡＴ 模型能夠較好地模擬石羊河流域的徑流過程。
率定期和驗(yàn)證期的月均流量模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比及其相關(guān)關(guān)系如圖５ 和圖６ 所示，可以直觀看出ＳＷＡＴ 模型在率定期和驗(yàn)證期月徑流模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)徑流過程吻合較好。
２）貢獻(xiàn)率分析。運(yùn)用ＳＷＡＴ 模型［１２］ 定量評(píng)估氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率。具體步驟：利用基準(zhǔn)期（１９６０—１９７２ 年）的氣象、水文和土地利用等數(shù)據(jù)率定水文模型參數(shù)，將變化期（１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年）的氣象數(shù)據(jù)輸入模型中還原出天然徑流量Ｒｓｉｍ，并計(jì)算氣候變化導(dǎo)致的徑流變化量ΔＲＣ 和人類活動(dòng)導(dǎo)致的徑流變化量ΔＲω，利用突變前后徑流總變化量ΔＲ，分別計(jì)算二者的貢獻(xiàn)率ηＣ、ηω。具體計(jì)算公式如下：
以徑流量突變前的１９６０—１９７２ 年為基準(zhǔn)期，突變后的１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年為變化期。由表４可知，變化期１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年年均降水量相對(duì)基準(zhǔn)期分別增加５５．２１、９５．０３ ｍｍ，年均徑流深相對(duì)基準(zhǔn)期分別減少２３．０５、１８．２７ ｍｍ，年均潛在蒸散發(fā)量相對(duì)基準(zhǔn)期分別增加９．１７、５５．２２ ｍｍ。變化期的徑流系數(shù)（Ｒ ／ Ｐ）、干旱指數(shù)（ＥＴ０ ／ Ｐ）均小于基準(zhǔn)期的，而下墊面參數(shù)絕對(duì)值較基準(zhǔn)期明顯增大。
根據(jù)式（１２） ～式（１４）計(jì)算得到徑流的降水量、潛在蒸散發(fā)量、下墊面參數(shù)彈性系數(shù)，徑流對(duì)降水量的彈性系數(shù)為正值，而對(duì)潛在蒸散發(fā)量和下墊面參數(shù)的彈性系數(shù)為負(fù)值，表示降水量增加將導(dǎo)致徑流量增大，潛在蒸散發(fā)量、下墊面參數(shù)的增大則會(huì)導(dǎo)致徑流量減小。變化期相對(duì)基準(zhǔn)期，各項(xiàng)關(guān)于徑流變化彈性系數(shù)絕對(duì)值均增大，徑流變化對(duì)各因子敏感性：下墊面參數(shù)＞降水量＞潛在蒸散發(fā)量。
由式（１６）計(jì)算徑流變化貢獻(xiàn)率，結(jié)果見表５。降水量和潛在蒸散發(fā)量對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率之和是氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率，人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率主要由下墊面參數(shù)來反映。降水對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率為正值，潛在蒸散發(fā)量、下墊面參數(shù)的貢獻(xiàn)率為負(fù)值。下墊面參數(shù)對(duì)徑流影響最大。相對(duì)于１９６０—１９７２ 年，１９７３—２０１９ 年人類活動(dòng)對(duì)石羊河流域徑流變化影響大于氣候變化的影響，其中１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年２ 個(gè)時(shí)期氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為３０．８０％、４１．４４％，人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為－６９．２０％、－５８．５６％。
２．３ ＳＷＡＴ 模型與Ｂｕｄｙｋｏ 假設(shè)歸因?qū)Ρ确治?/p>
ＳＷＡＴ 模型徑流變化歸因分析結(jié)果表明，變化期１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為３２．１８％、４６．０９％，人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為－６７．８２％、－５３．９１％，而彈性系數(shù)法結(jié)果表明，兩個(gè)時(shí)期氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為３０．８０％、４１．４４％，人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為－６９．２０％、－５８．５６％。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種方法所得徑流變化歸因分析結(jié)果基本一致，相對(duì)于１９６０—１９７２年，１９７３—２０１９ 年石羊河流域徑流變化受人類活動(dòng)的影響大于氣候變化的影響。與彈性系數(shù)法相比，ＳＷＡＴ 模型物理機(jī)制強(qiáng)，分析精度更高，能夠?qū)λ淖兞考捌溲葑円?guī)律進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，可進(jìn)一步采用ＳＷＡＴ 模型對(duì)石羊河流域未來徑流進(jìn)行預(yù)測(cè)。
３ 結(jié)論
１）石羊河流域年徑流量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且在１９７２ 年和２００２ 年發(fā)生突變。
２）ＳＷＡＴ 模型與基于Ｂｕｄｙｋｏ 假設(shè)的彈性系數(shù)法徑流變化歸因分析結(jié)果基本一致，ＳＷＡＴ 模型分析結(jié)果表明，變化期１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為３２．１８％、４６．０９％，人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為－６７．８２％、－５３．９１％，而彈性系數(shù)法結(jié)果表明，兩個(gè)時(shí)期氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為３０．８０％、４１．４４％，人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為－６９．２０％、－５８．５６％。相對(duì)于１９６０—１９７２ 年，１９７３—２０１９ 年石羊河流域徑流變化受人類活動(dòng)的影響大于氣候變化的影響，人類活動(dòng)是影響石羊河流域徑流變化的主要因素。
３）人類活動(dòng)是導(dǎo)致石羊河流域徑流減少的主要原因，科學(xué)合理地規(guī)劃、開發(fā)、利用水資源對(duì)緩解石羊河流域水資源短缺、改善流域生態(tài)環(huán)境具有重要意義。
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【責(zé)任編輯 張 帥】
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李瑤 董增川 張城 邵逸卿 倪效寬 孟金玉 徐亦凡 魏園
摘 要：探究流域徑流變化及其影響因素對(duì)流域水資源的可持續(xù)開發(fā)利用具有重要意義。利用１９６０—２０１９ 年石羊河流域水文氣象資料，通過Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ 突變檢驗(yàn)和Ｐｅｔｔｉｔｔ 檢驗(yàn)確定蔡旗站徑流序列的突變年份，采用ＳＷＡＴ 模型和基于Ｂｕｄｙｋｏ 假設(shè)的彈性系數(shù)法進(jìn)行徑流變化歸因?qū)Ρ确治?，定量辨識(shí)氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響。結(jié)果表明：近６０ ａ 蔡旗站年徑流量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，并在１９７２ 年和２００２ 年發(fā)生突變；ＳＷＡＴ 模型與彈性系數(shù)法對(duì)徑流變化歸因分析結(jié)果基本一致，ＳＷＡＴ 模型分析結(jié)果表明，變化期１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為３２．１８％、４６．０９％，人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為－６７．８２％、－５３．９１％，而彈性系數(shù)法分析結(jié)果表明，兩個(gè)時(shí)期氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為３０．８０％、４１．４４％，人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為－６９．２０％、－５８．５６％，相對(duì)于１９６０—１９７２ 年，１９７３—２０１９ 年石羊河流域徑流變化受人類活動(dòng)的影響大于氣候變化的影響。人類活動(dòng)是引起石羊河流域徑流變化的主要因素。
關(guān)鍵詞：氣候變化；人類活動(dòng)；徑流；ＳＷＡＴ 模型；Ｂｕｄｙｋｏ；石羊河
中圖分類號(hào)： ＴＶ１２１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．００６
引用格式：李瑤，董增川，張城，等．基于ＳＷＡＴ 模型和Ｂｕｄｙｋｏ 假設(shè)的石羊河流域徑流變化歸因?qū)Ρ确治觯郏剩荩嗣顸S河，２０２３，４５（７）：３０－３５．
河川徑流不僅是水文循環(huán)的重要組成部分，而且是影響生態(tài)環(huán)境變化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。在氣候變化與人類活動(dòng)影響下，流域水循環(huán)過程和水資源時(shí)空分布規(guī)律發(fā)生了明顯改變，社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水格局逐步演化，加劇了河流水文特性的復(fù)雜性［１］ 。石羊河流域是西北干旱區(qū)重要的內(nèi)流河流域，《石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》的實(shí)施，在緩解用水緊張、提高用水保證程度、改善流域生態(tài)環(huán)境方面取得了顯著成效，但受氣候變化和人類活動(dòng)影響，仍面臨著水資源短缺、河湖生態(tài)功能萎縮、局部地下水位持續(xù)下降等問題。因此，研究變化環(huán)境下石羊河流域徑流演變規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制，對(duì)認(rèn)識(shí)流域水文情勢(shì)以及探討流域水資源合理開發(fā)利用等具有重要意義。
目前，徑流演變歸因分析的方法主要有數(shù)理統(tǒng)計(jì)法［２］ 、水文模擬法［３］ 和彈性系數(shù)法［４］ 。其中：數(shù)理統(tǒng)計(jì)法主要利用回歸分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)學(xué)方法或統(tǒng)計(jì)模型量化主要驅(qū)動(dòng)因子對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率，該方法計(jì)算簡單，要求長序列的水文數(shù)據(jù)；水文模擬法是基于流域水文模型或陸面過程模型定量分析各驅(qū)動(dòng)因子對(duì)徑流變化的影響，該方法物理機(jī)制強(qiáng)，可在不同土地利用條件、多種氣候情景模式下進(jìn)行模擬，分析精度較高；彈性系數(shù)法是依據(jù)Ｂｕｄｙｋｏ 假設(shè)和彈性系數(shù)概念，計(jì)算氣候變化和人類活動(dòng)作用下徑流的變化量，該方法物理意義明確，參數(shù)易獲取且計(jì)算簡單。
近年來，許多學(xué)者對(duì)石羊河流域徑流變化進(jìn)行了研究，研究多基于石羊河長期實(shí)測(cè)徑流資料，對(duì)徑流演變特征進(jìn)行分析。在徑流變化歸因方面，薛東香［５］ 采用改進(jìn)的雙累積曲線法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)石羊河上游產(chǎn)流區(qū)徑流變化主要受氣候變化影響，中下游徑流變化主要受人類活動(dòng)影響；賈飛飛等［６］ 采用累積量斜率變化率比較法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)是黃羊河流域徑流變化的主導(dǎo)因素；陳忠升［７］ 采用基于Ｂｕｄｙｋｏ 假設(shè)的彈性系數(shù)法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)石羊河中下游徑流減少的主要因素是人類活動(dòng)。以往研究多從定性角度評(píng)價(jià)氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響，雖然也有一部分從定量角度進(jìn)行分析，但研究方法主要集中于數(shù)理統(tǒng)計(jì)法和彈性系數(shù)法，運(yùn)用基于物理機(jī)理的水文模擬法量化徑流變化貢獻(xiàn)率的研究還較少。因此，本文采用ＳＷＡＴ 模型和基于Ｂｕｄｙｋｏ 假設(shè)的彈性系數(shù)法進(jìn)行徑流變化歸因?qū)Ρ确治觯勘孀R(shí)氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)石羊河流域徑流變化的影響，以期為石羊河流域生態(tài)保護(hù)和治理規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。
１ 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)和突變點(diǎn)分析
１．１ 研究區(qū)概況
石羊河流域地處東經(jīng)１０１° ４１′—１０４° １６′、北緯３６°２９′—３９°２７′之間，是甘肅省三大內(nèi)陸河流域之一，流域涉及武威、金昌、張掖和白銀四市的９ 個(gè)縣（區(qū)）。流域內(nèi)地勢(shì)南高北低，自西南向東北傾斜。石羊河發(fā)源于祁連山東沿線的冷龍嶺大雪山，河長３００ ｋｍ，流域面積４．１６ 萬ｋｍ２，其中產(chǎn)流面積１．１１ 萬ｋｍ２，多年平均徑流量１５．６０ 億ｍ３。石羊河水系由西大河、東大河、西營河、金塔河、雜木河、黃羊河、古浪河與大靖河等８ 條支流和眾多小溝河組成。
１．２ 數(shù)據(jù)來源
本研究所用數(shù)據(jù)有數(shù)字高程模型（ＤＥＭ）數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)。其中：ＤＥＭ 數(shù)據(jù)為ＳＲＴＭＧＬ１．００３ ３０ ｍ 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，來源于美國地質(zhì)調(diào)查局（ＵＳＧＳ）；土地利用數(shù)據(jù)為１９８０ 年甘肅省土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分辨率為１ ｋｍ，來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心；土壤數(shù)據(jù)采用世界土壤數(shù)據(jù)庫（ＨＷＳＤ Ｖ１．１），分辨率為１ ｋｍ，來源于國家冰川凍土沙漠科學(xué)數(shù)據(jù)中心；氣象數(shù)據(jù)為研究區(qū)及周邊地區(qū)１１ 個(gè)氣象站１９６０—２０１９年逐日降水、最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度和平均風(fēng)速等，來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)；水文數(shù)據(jù)為蔡旗水文站１９６０—２０１９ 年日徑流數(shù)據(jù)，來源于內(nèi)陸河水文年鑒。水文站與氣象站分布如圖１所示。
１．３ 突變點(diǎn)識(shí)別
蔡旗站年徑流量變化過程如圖２ 所示。由圖２ 可知，年徑流量在２００２ 年前后發(fā)生明顯變化，總體呈先減小后增大趨勢(shì)，多年平均徑流量為２．７３ 億ｍ３，最大值出現(xiàn)在１９６７ 年，為５．９６ 億ｍ３，最小值出現(xiàn)在２００２ 年，為０．８５ 億ｍ３。由５ ａ 滑動(dòng)平均曲線可知，蔡旗站徑流量呈減少（１９６４—１９６６ 年）—增加（１９６７—１９７１ 年）—減少（１９７２—２００２ 年）—增加（２００３—２０１９ 年）的變化趨勢(shì)。通過時(shí)間序列離散度計(jì)算，蔡旗站年徑流量的變差系數(shù)ＣＶ值為０．４７，徑流年際間波動(dòng)較為劇烈。
采用Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ 檢驗(yàn)（Ｍ－Ｋ 檢驗(yàn)）［８］ 和Ｐｅｔｔｉｔｔ突變檢驗(yàn)［９］ 結(jié)合的方法對(duì)徑流序列進(jìn)行突變性分析，確定突變點(diǎn)。徑流突變檢驗(yàn)結(jié)果如圖３ 所示，蔡旗站Ｍ－ Ｋ 統(tǒng)計(jì)量序列曲線交點(diǎn)發(fā)生在１９７２ 年， 另有１９７４—２０１９ 年ＵＦ 曲線超過置信區(qū)間，是可能發(fā)生突變的區(qū)域；經(jīng)過Ｐｅｔｔｉｔｔ 突變點(diǎn)識(shí)別，突變點(diǎn)可能發(fā)生的年份為１９７２ 年，統(tǒng)計(jì)量為５５８，置信水平ｐ ＝ １．３５６×１０－５＜０．０５，通過了置信水平為０．０５ 的顯著性檢驗(yàn)。結(jié)合圖２ 可知２００２ 年是較明確的突變點(diǎn)，且在Ｍ－Ｋ 檢驗(yàn)可能發(fā)生突變的區(qū)域，因此可以認(rèn)為蔡旗站年徑流量的突變點(diǎn)為１９７２ 年和２００２ 年。
２ 徑流變化歸因分析
２．１ ＳＷＡＴ 模型歸因分析
１）ＳＷＡＴ 建模與評(píng)價(jià)。ＳＷＡＴ 模型是美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心（ＵＳＤＡ－ＡＲＳ）開發(fā)的基于長時(shí)段、適用于較大流域尺度的分布式水文模型［１０］ ，可以同時(shí)考慮地形、土地利用、土壤、氣象等對(duì)水文過程的影響，被廣泛應(yīng)用于流域水文過程模擬以及流域在氣候和土地利用變化下的水文響應(yīng)等。
基于石羊河流域ＤＥＭ 數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等，通過土壤水文特性軟件、ＳＷＡＴ?Ｗｅａｔｈｅｒ 等構(gòu)建模型的土地利用、土壤、氣象數(shù)據(jù)庫，劃分子流域和水文響應(yīng)單元，建立流域ＳＷＡＴ 水文模型，最終將流域劃分為４７ 個(gè)子流域和３２７ 個(gè)水文響應(yīng)單元。建模結(jié)果如圖４ 所示。
采用ＳＷＡＴ 模型對(duì)流域１９６０—１９７２ 年徑流量進(jìn)行月尺度模擬。設(shè)置１９６０ 年為模型預(yù)熱期，１９６１—１９６７ 年為率定期，１９６８—１９７２ 年為驗(yàn)證期。采用ＳＷＡＴ－ＣＵＰ 軟件的ＳＵＦＩ２ 算法對(duì)模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證，通過ｔ－Ｓｔａｔ 和Ｐ－Ｖａｌｕｅ 兩個(gè)指標(biāo)判別參數(shù)的敏感性，敏感參數(shù)及率定結(jié)果見表１。徑流主要受河道深層地下水損失率、地下水蒸發(fā)系數(shù)、地下水滯后系數(shù)、降雪氣溫、側(cè)向流移動(dòng)時(shí)間、土壤有效含水率等參數(shù)影響。
采用決定系數(shù)（Ｒ２ ） 和Ｎａｓｈ－Ｓｕｔｃｌｉｆｆｅ 效率系數(shù)（ＮＳＥ）對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行精度分析，綜合評(píng)價(jià)ＳＷＡＴ 模型的模擬效果，一般認(rèn)為，當(dāng)Ｒ２ 與ＮＳＥ 均大于０．５ 時(shí)模型模擬結(jié)果可接受［１１］ 。由表２ 可知，率定期和驗(yàn)證期的Ｒ２和ＮＳＥ 均大于０．８，表明ＳＷＡＴ 模型能夠較好地模擬石羊河流域的徑流過程。
率定期和驗(yàn)證期的月均流量模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比及其相關(guān)關(guān)系如圖５ 和圖６ 所示，可以直觀看出ＳＷＡＴ 模型在率定期和驗(yàn)證期月徑流模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)徑流過程吻合較好。
２）貢獻(xiàn)率分析。運(yùn)用ＳＷＡＴ 模型［１２］ 定量評(píng)估氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率。具體步驟：利用基準(zhǔn)期（１９６０—１９７２ 年）的氣象、水文和土地利用等數(shù)據(jù)率定水文模型參數(shù)，將變化期（１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年）的氣象數(shù)據(jù)輸入模型中還原出天然徑流量Ｒｓｉｍ，并計(jì)算氣候變化導(dǎo)致的徑流變化量ΔＲＣ 和人類活動(dòng)導(dǎo)致的徑流變化量ΔＲω，利用突變前后徑流總變化量ΔＲ，分別計(jì)算二者的貢獻(xiàn)率ηＣ、ηω。具體計(jì)算公式如下：
以徑流量突變前的１９６０—１９７２ 年為基準(zhǔn)期，突變后的１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年為變化期。由表４可知，變化期１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年年均降水量相對(duì)基準(zhǔn)期分別增加５５．２１、９５．０３ ｍｍ，年均徑流深相對(duì)基準(zhǔn)期分別減少２３．０５、１８．２７ ｍｍ，年均潛在蒸散發(fā)量相對(duì)基準(zhǔn)期分別增加９．１７、５５．２２ ｍｍ。變化期的徑流系數(shù)（Ｒ ／ Ｐ）、干旱指數(shù)（ＥＴ０ ／ Ｐ）均小于基準(zhǔn)期的，而下墊面參數(shù)絕對(duì)值較基準(zhǔn)期明顯增大。
根據(jù)式（１２） ～式（１４）計(jì)算得到徑流的降水量、潛在蒸散發(fā)量、下墊面參數(shù)彈性系數(shù)，徑流對(duì)降水量的彈性系數(shù)為正值，而對(duì)潛在蒸散發(fā)量和下墊面參數(shù)的彈性系數(shù)為負(fù)值，表示降水量增加將導(dǎo)致徑流量增大，潛在蒸散發(fā)量、下墊面參數(shù)的增大則會(huì)導(dǎo)致徑流量減小。變化期相對(duì)基準(zhǔn)期，各項(xiàng)關(guān)于徑流變化彈性系數(shù)絕對(duì)值均增大，徑流變化對(duì)各因子敏感性：下墊面參數(shù)＞降水量＞潛在蒸散發(fā)量。
由式（１６）計(jì)算徑流變化貢獻(xiàn)率，結(jié)果見表５。降水量和潛在蒸散發(fā)量對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率之和是氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率，人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率主要由下墊面參數(shù)來反映。降水對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率為正值，潛在蒸散發(fā)量、下墊面參數(shù)的貢獻(xiàn)率為負(fù)值。下墊面參數(shù)對(duì)徑流影響最大。相對(duì)于１９６０—１９７２ 年，１９７３—２０１９ 年人類活動(dòng)對(duì)石羊河流域徑流變化影響大于氣候變化的影響，其中１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年２ 個(gè)時(shí)期氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為３０．８０％、４１．４４％，人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為－６９．２０％、－５８．５６％。
２．３ ＳＷＡＴ 模型與Ｂｕｄｙｋｏ 假設(shè)歸因?qū)Ρ确治?/p>
ＳＷＡＴ 模型徑流變化歸因分析結(jié)果表明，變化期１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為３２．１８％、４６．０９％，人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為－６７．８２％、－５３．９１％，而彈性系數(shù)法結(jié)果表明，兩個(gè)時(shí)期氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為３０．８０％、４１．４４％，人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為－６９．２０％、－５８．５６％。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種方法所得徑流變化歸因分析結(jié)果基本一致，相對(duì)于１９６０—１９７２年，１９７３—２０１９ 年石羊河流域徑流變化受人類活動(dòng)的影響大于氣候變化的影響。與彈性系數(shù)法相比，ＳＷＡＴ 模型物理機(jī)制強(qiáng)，分析精度更高，能夠?qū)λ淖兞考捌溲葑円?guī)律進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，可進(jìn)一步采用ＳＷＡＴ 模型對(duì)石羊河流域未來徑流進(jìn)行預(yù)測(cè)。
３ 結(jié)論
１）石羊河流域年徑流量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且在１９７２ 年和２００２ 年發(fā)生突變。
２）ＳＷＡＴ 模型與基于Ｂｕｄｙｋｏ 假設(shè)的彈性系數(shù)法徑流變化歸因分析結(jié)果基本一致，ＳＷＡＴ 模型分析結(jié)果表明，變化期１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為３２．１８％、４６．０９％，人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為－６７．８２％、－５３．９１％，而彈性系數(shù)法結(jié)果表明，兩個(gè)時(shí)期氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為３０．８０％、４１．４４％，人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為－６９．２０％、－５８．５６％。相對(duì)于１９６０—１９７２ 年，１９７３—２０１９ 年石羊河流域徑流變化受人類活動(dòng)的影響大于氣候變化的影響，人類活動(dòng)是影響石羊河流域徑流變化的主要因素。
３）人類活動(dòng)是導(dǎo)致石羊河流域徑流減少的主要原因，科學(xué)合理地規(guī)劃、開發(fā)、利用水資源對(duì)緩解石羊河流域水資源短缺、改善流域生態(tài)環(huán)境具有重要意義。
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【責(zé)任編輯 張 帥】
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