渭河上游徑流變化特征及歸因研究

楊思雨，姜仁貴，解建倉，王尹萍，汪雅梅

(1.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048；2.陜西省江河水庫管理局，陜西 西安 710018)

1 研究背景

受氣候變化和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的雙重影響，極端天氣和氣候事件發(fā)生頻率增加[1]。氣候變化和人類活動對降水和徑流的雙重影響使得流域水資源系統(tǒng)發(fā)生變化，水資源短缺、水土流失嚴(yán)重和水污染加劇等問題頻發(fā)，受到廣泛關(guān)注。渭河流域作為黃河一級支流、陜西的“母親河”，橫貫八百里秦川，灌溉著關(guān)中平原的肥沃良田，是西部地區(qū)重要的水資源供給流域，也是關(guān)中地區(qū)乃至西部經(jīng)濟(jì)的生命帶，渭河上游流域徑流量的大小直接影響到中游及下游來水量的多少，事關(guān)流域內(nèi)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)和牧業(yè)的發(fā)展以及水資源的可持續(xù)發(fā)展，通過歸因分析得到影響徑流變化的主要原因，明晰渭河上游降水和徑流演變態(tài)勢，引導(dǎo)管理者做出正確決策[2-3]，推進(jìn)“一帶一路”經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)和流域發(fā)展。

諸多專家學(xué)者針對流域徑流變化特征及其歸因進(jìn)行了大量的研究，并取得一些有益的成果[4-9]。Dong Wen等[10]采用SWAT模型(Soil and Water Assessment Tool)研究人類活動和氣候變化對西北典型干旱內(nèi)陸盆地涇河流域徑流變化的影響，結(jié)果表明人類活動是流域徑流變化的主要驅(qū)動力。粟曉玲等[11]采用回歸分析方法研究氣候變化和人類活動對渭河流域入黃徑流的影響，結(jié)果表明不同徑流來源區(qū)的降雨變化對入黃徑流變化的影響不同，其中關(guān)中地區(qū)的影響最大。王國慶等[12]基于TOPMODEL模型模擬我國典型流域流量過程，結(jié)果表明：TOPMODEL模型可以用于濕潤地區(qū)大尺度環(huán)境水文效用評價。王雁等[13]通過分析黃河與長江流域逐月降水和徑流資料，得到年降水量和徑流量的相關(guān)關(guān)系以及降水對徑流的潛在影響。劉劍宇等[14]采用Budyko假設(shè)構(gòu)建氣候變化和人類活動對徑流變化影響評估模型，定量分析氣候變化和人類活動對北方河流流域徑流變化的影響。結(jié)果表明：北方流域2001-2014年間，人類活動對徑流變化的影響程度顯著增強(qiáng)，且氣候變化對徑流的影響減少。水文模型和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法是研究水文氣象要素的常用方法，近些年水文模型的應(yīng)用較為廣泛，然而，水文模型需在適宜的地形和條件下才能得到較為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，并且需要大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，考慮到渭河流域氣候及地形條件較為復(fù)雜，本文綜合采用多種方法深入分析降水和徑流變化特征，在此基礎(chǔ)上，對其變化特征進(jìn)行歸因。采用雙累積曲線法定量解析不同影響因素對徑流變化的貢獻(xiàn)[15]。

本文采用線性回歸方法分析渭河上游降水和徑流的年際及年代變化，使用Mann-Kendall檢驗(yàn)和雙累積曲線法確定徑流的突變年，得到渭河上游基準(zhǔn)期年，采用雙累積曲線法定量分析人類活動和氣候變化對渭河上游徑流變化的貢獻(xiàn)。研究結(jié)果可為渭河流域水資源的開發(fā)利用等提供依據(jù)，為流域水量調(diào)度及水資源管理提供參考。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)域

渭河是黃河中游的第一大支流，位于104°00′E～110°20′E，33°50′N～37°18′N，干流全長818 km，流域總面積1.348×105km2，渭河流域分為上、中、下游3段，本文的研究區(qū)域?yàn)閷氹u峽以上的渭河上游流域，河長430 km，河道狹窄，河谷川峽相間，水流湍急。渭河上游流域面積2.579×104km2，包括甘肅中部至陜西中部，屬于半干旱、半濕潤氣候過渡區(qū)，流域內(nèi)平均氣溫6～11℃，年日照時數(shù)2 000～2 420 h，年降水量400～600 mm，年均徑流量為20×108m3。降水時空分布不均勻，東南部多于西北部，且集中在夏、秋兩季。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文采用渭河上游降水及徑流數(shù)據(jù)的時間序列為1961-2015年。降水?dāng)?shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心獲取的0.5°×0.5°格網(wǎng)數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集基于測站觀測數(shù)據(jù)，采用薄盤樣條法進(jìn)行空間插值得到，數(shù)據(jù)集質(zhì)量經(jīng)過嚴(yán)格檢驗(yàn)。徑流數(shù)據(jù)來源于歷年陜西省水文年鑒、陜西省水文局和陜西省江河水庫管理局統(tǒng)計(jì)整理等資料。降水及徑流數(shù)據(jù)資料均通過“三性”檢驗(yàn)，確保所采用的數(shù)據(jù)資料可靠性。本文在研究降水-徑流深雙累積曲線圖、氣候變化和人類活動對渭河上游徑流影響關(guān)系時，為理清徑流和降水之間量的關(guān)系，將徑流轉(zhuǎn)化為徑流深進(jìn)行計(jì)算，其他部分均以徑流總量進(jìn)行計(jì)算。

2.3 研究方法

(2)Mann-Kendall檢驗(yàn)。Mann-Kendall檢驗(yàn)[16]是水文氣象研究中常用的突變點(diǎn)檢驗(yàn)法，該方法對于時間序列Xi(i=1,2,3,…,n)，構(gòu)造一個統(tǒng)計(jì)變量：

(1)

其中：

(2)

假定時間序列為隨機(jī)變量，定義統(tǒng)計(jì)量：

(3)

UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，UBk為時間序列Xi的逆序列，即(xn,xn-1,…,x1)。如果UFk和UBk兩條曲線在臨界線之間出現(xiàn)交點(diǎn)，則該交點(diǎn)對應(yīng)的時刻便是突變點(diǎn)。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

3 結(jié)果與分析

3.1 渭河上游降水變化特征

根據(jù)渭河上游1961-2015年降水資料，繪制渭河上游降水年際及年代分布趨勢圖，如圖1所示。

圖1 渭河上游降水年際及年代分布趨勢圖

由圖1可知：渭河上游降水量總體上呈減少趨勢，并根據(jù)年代劃分得到各年代的平均降水量，由圖表明1970s、1980s、2010-2015年這3個階段平均年代降水與多年平均年際降水相當(dāng)，1960s平均年代降水量超出平均年際降水量的9.97%，1990s以后年代降水量均值均小于總平均值，其中1990s低于平均年際降水量的8.51%，2000s低于平均年際降水量的2.79%。從整體看，從1990s開始渭河上游降水量呈下降趨勢，并且逐年代降水量趨向平均年際降水量。

根據(jù)渭河上游1961-2015年降水量資料，計(jì)算出多年平均降水量、多年最大年降水量、多年最小年降水量，最大年降水出現(xiàn)年份、最小年降水出現(xiàn)年份、極差Δ、K豐和K枯，結(jié)果見表1。

表1 渭河上游降水量年際變化

由表1可知，渭河上游降水年際變化較大，最大降水量是最小降水量的2.05倍，最小年降水量僅是多年平均年降水量的0.66倍，渭河上游降水年際變化較大，豐枯懸殊，降水時空分布不均。

3.2 渭河上游徑流變化特征

根據(jù)渭河上游徑流資料，以渭河上游林家村站徑流為例進(jìn)行計(jì)算，繪制渭河上游林家村站徑流年際及年代變化特征圖[18]，如圖2所示。

圖2 渭河上游林家村站徑流年際及年代變化趨勢圖

由圖2可知：林家村站1960s年代徑流大于多年平均值，1970s年代徑流呈現(xiàn)減少趨勢，年代平均值大于多年平均值，1980 s年代平均值較70年代徑流平均值略增加，1990s年代平均徑流明顯減少，小于多年平均值，2000 s年代平均徑流減少，隨后5年平均徑流增加，均低于多年平均值。1960 s年代平均徑流最大，2000 s年代平均徑流最小。由圖2可知：渭河上游徑流呈減少趨勢，1960 s、1970 s和1980 s年代平均徑流大于多年平均徑流，1990 s和2000 s年代平均徑流小于多年平均徑流。通過比較圖1和圖2，2002年以前渭河上游降水和徑流的變化趨勢趨于一致，2002年以后由于人類活動加強(qiáng)，兩者變化趨勢存在差異。

表2 渭河上游(林家村站)徑流年際變化

由表2可知：林家村水文站控制斷面徑流的年際變化較大，最大年徑流量是最小年徑流量的58.12倍，最小年徑流量為多年平均年徑流量的0.04，豐枯懸殊。

3.3 徑流突變點(diǎn)分析

采用Mann-Kendall檢驗(yàn)和雙累積曲線分析林家村站徑流突變點(diǎn)和基準(zhǔn)期，如圖3所示。由圖3(a)可知，采用Mann-Kendall檢驗(yàn)得到突變點(diǎn)為1987年，該突變點(diǎn)通過5%的顯著性檢驗(yàn)。圖3(b)為采用降水和徑流時間序列繪制的林家村站降水和徑流深雙累積曲線，由圖3(b)確定突變點(diǎn)為1970、1990和1993年，每個分段區(qū)間線性關(guān)系的相關(guān)程度均大于0.99。表明以上兩種方法所得突變點(diǎn)分析結(jié)果可靠，最終確定渭河上游林家村站的突變點(diǎn)為1970、1987、1990和1993年，1961-1969年為研究基準(zhǔn)期。

圖3 1961-2015年渭河上游林家村站徑流Mann-Kendall檢驗(yàn)和降水量-徑流深雙累積曲線

3.4 徑流變化影響因素分析

根據(jù)3.3中分析確定渭河上游的基準(zhǔn)期為1961-1969年，將其余時段按年代劃分為5個區(qū)間，包括1970-1979，1980-1989，1990-1999，2000-2009和2010-2015。對基準(zhǔn)年累積降水和累積徑流深時間序列進(jìn)行擬合，得到回歸方程為y=0.18843x-39.70957，通過該回歸方程計(jì)算得到模擬徑流深值，進(jìn)一步分析人類活動和氣候變化對徑流變化的影響量以及貢獻(xiàn)率，如表3所示。

表3 渭河上游氣候變化和人類活動對渭河上游徑流深變化影響

由表3可知：基準(zhǔn)期以后的模擬徑流深較基準(zhǔn)期天然徑流深有不同程度的減少，20世紀(jì)90年代，氣候變化對徑流的影響達(dá)到最大。70年代以來的實(shí)測徑流深相比模擬徑流深的減少幅度要大，尤其在2000-2015年的兩個階段人類活動對渭河上游徑流深減少的影響逐漸增加，分別占到87.95%和98.32%。1961-2015年間，人類活動及氣候變化對徑流深的影響達(dá)到54.89 mm，模擬徑流深較基準(zhǔn)期天然徑流深減少6.86 mm，實(shí)測徑流深較模擬徑流深減少48.03 mm，人類活動導(dǎo)致徑流顯著減少，其貢獻(xiàn)率達(dá)到87.14%。自基準(zhǔn)期年以后的實(shí)測徑流深較基準(zhǔn)期天然徑流深有不同程度的減少，且總影響量呈增長趨勢，人類活動和氣候變化對徑流影響增加，根據(jù)人類活動對徑流深影響的貢獻(xiàn)率可以看出，人類活動是影響徑流減少的主要原因[9]。

在1990-1999年，氣候變化對徑流的影響突然增加，主要原因是渭河流域降水對徑流的影響較大，在此期間發(fā)生多次極端干旱事件，包括持續(xù)高溫，局部多月沒有降雨，部分河段斷流，水庫蓄水量減少，直接導(dǎo)致該時段氣候變化對渭河上游徑流變化的貢獻(xiàn)率增加。近年來，人們更注重生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，使得人類活動對水土保持的貢獻(xiàn)率有所提高，由表3中2010-2015年的人類活動對渭河上游徑流變化影響的貢獻(xiàn)率達(dá)到98.32%，由此可以推斷該時段人類活動是導(dǎo)致渭河上游徑流減少的主要原因。

4 結(jié)論與討論

(1)渭河上游降水及徑流呈下降趨勢，且2002年以前渭河上游降水和徑流的年代增減趨勢趨于一致，2002年以后由于人類活動影響加強(qiáng)，降水對徑流變化的貢獻(xiàn)減少。渭河上游的年際變化較大，最大年降水為730.01 mm，最小年降水為356.50 mm，最大年降水是最小年降水的2.05倍，最大年徑流為48.32×108m3，最小年徑流為0.84×108m3，最大年徑流是最小年徑流的58.12倍，豐枯懸殊，水資源時空分布不均衡。

(2)通過雙累積曲線法及Mann-Kendall檢驗(yàn)，可得渭河上游徑流突變點(diǎn)為1970、1987、1990和1993年，根據(jù)突變點(diǎn)得到渭河上游的基準(zhǔn)期為1961-1969年。在1961-2015年間，人類活動對徑流變化影響量為48.03 mm，氣候變化對徑流變化影響量為6.86 mm，人類活動對徑流深的影響量比氣候變化對徑流變化影響量約大7倍。在1990-1999年，渭河流域發(fā)生多次極端干旱天氣，導(dǎo)致渭河上游地區(qū)降水減少，使得氣候變化對渭河上游徑流變化的貢獻(xiàn)增加。近些年人類活動對徑流的影響明顯增加，2010-2015年間人類活動對徑流影響的貢獻(xiàn)率達(dá)到98.32%。

(3)人類活動是導(dǎo)致渭河上游徑流減少的主要原因，氣候變化為次要原因。水利工程建設(shè)和水土保持措施等是人類活動影響徑流變化的表現(xiàn)形式。后續(xù)研究將從“智慧水利”的角度出發(fā)，構(gòu)建渭河流域水資源管理信息化平臺，通過信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)降水和徑流等數(shù)據(jù)的高效組織和管理，實(shí)現(xiàn)降水和徑流分析與可視化模擬。