近60 a榕江流域徑流變化成因定量分析

黃鋒華，陳思淳

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635；2.河口水利技術國家地方聯合工程實驗室，廣東 廣州 510635；3.廣東省流域水環境治理與水生態修復重點實驗室，廣東 廣州 510635)

1 概述

氣候變化和人類活動對徑流的影響是水科學研究中的熱點問題之一[1-4]。氣候變化背景下人類活動所引發的各種水問題中，如何定量估算和分解兩者的影響是目前水文水資源研究領域的熱點與難點，備受廣大水文學者關注。趙益平[5]等采用累積量斜率變化分析法定量分離出氣候變化和人類活動對釜溪河流域徑流量變化的貢獻。劉劍宇[6]等基于Budyko假設的水熱耦合平衡方程，進一步分析氣象因子對徑流變化的彈性系數，定量分析氣候變化和人類活動對中國徑流變化的影響。累積量斜率變化分析法，該方法原理簡單，能客觀地定量分解氣候變化和人類活動對徑流量變化的貢獻，得到了廣泛應用[7-10]。本文擬通過近60 a榕江流域年徑流、降水、氣溫資料，采用累積距平法、Mann-Kendall方法分析東橋園站年徑流變化趨勢及突變性檢驗，識別年徑流量變化的突變年份。采用累積量斜率變化分析法定量分析氣候變化和人類活動對年徑流量變化貢獻率，揭示榕江流域徑流變化的成因，為榕江流域水資源合理開發利用提供參考。

2 研究區域概況

榕江發源于廣東省汕尾市鳳凰山，流域面積為4 408 km2，流域內已建水庫236宗，總庫容為6.02億m3。東橋園站建于1951年4月，是榕江干流控制站和國家級重要站，控制面積為2 016 km2，占全流域的45.7%。東橋園站以上區間主要有龍頸(下)水庫、龍頸(上)水庫、大北山水庫、河輋水庫等4座水庫，總庫容為3.3億m3，控制面積為522 km2。東橋園站控制流域范圍內多年平均降水量為2 154 mm，實測多年平均徑流量為27.79億m3，多年平均天然徑流量為30.86億m3。榕江流域水系、觀測站點分布見圖1所示。

圖1 榕江流域水系、觀測站點分布示意

3 研究方法與數據來源

3.1 研究方法

3.1.1累積距平法

累積距平法[12]是一種由曲線直觀判斷變化趨勢的常用方法。對于序列Xt(t=1，2，…，n)，其某一時刻t的累積距平表示為：

(1)

3.1.2Mann-Kendall方法

Mann-Kendall方法(M-K法)是進行時間序列突變檢驗的常用方法之一[11-14]。該方法能明確水文氣象時間序列的演變趨勢是否存在突變現象以及突變開始的時間。

對于具有n個樣本量的時間序列X，構造一秩序列:

(2)

其中：

(3)

在時間序列隨機獨立的假定下，定義統計量：

(4)

式中UF1=0，E(sk)、Var(sk) 分累計數sk的和方差，在x1，x2，…，xn相對獨立，有相同連續分布時，可由下式算出：

(5)

UFk為標準正態分布，是時間序列X的統計量序列。給定顯著性水平α，|UFk|>Ua時,明序列存在顯著的變化趨勢；按時間序列X的逆序再重復上述過程，同時使UBk=-UFk，UB1=0。將UBk、UFk和臨界值±Ua繪圖。若UFk/UBk的值大于0，表明序列為上升趨勢，相反則為下降趨勢；若UFk和UBk曲線出現交點且交點位于臨界線之間(α=0.05， 臨為±1.96)，則交點對應的時刻為變異開始的時間。

3.1.3累積量斜率變化分析法

2）進料裝置：進料裝置保證物料均勻地輸送到皮帶機。進料裝置開始裝載物料時，尾部放置到地面上，行走時通過支撐系統抬起。

累積量斜率變化分析法的原理在相關文獻[15]中已進行了詳細的說明，在此不再贅述。設拐點前后兩個時期的年份與累積徑流量斜率分別為SRa和SRb，同理兩個時期的累積降水量斜率分別為SPa和SPb，累積氣溫斜率分別為STa和STb。

通常，降水與徑流呈現正相關，氣溫與徑流呈現負相關，因此降水對徑流變化的貢獻率Cp(%)可表示為：

CP=[(SPb-SPa)/SPa]/[(SRb-SRa)/SRa]×100%

(6)

氣溫對徑流變化的貢獻率CT(%)可表示為：

CT=-[(STb-STa)/STa]/[(SRb-SRa)/SRa]×100%

(7)

綜合考慮水、熱要素，氣候變化對徑流量變化的貢獻率CC為：

CC=CP+CT

(8)

CH=100-CC

(9)

3.2 數據來源

本文采用數據來自榕江流域及其周邊地區1956—2016年徑流量、降水量和氣溫數據，涉及1個水文站、20個雨量站、1個氣象站(見圖1)。徑流量數據來自東橋園水文站實測數據，面降水量采用泰森多邊形法計算獲得。流域內無氣溫監測數據，本文采用中國氣象數據網(http://data.cma.cn)的五華站年平均氣溫數據。

4 結果與分析

4.1 年徑流突變識別

采用累積距平法和M-K法識別榕江流域東橋園站年徑流突變年份，圖2給出了東橋園站年徑流量累積距平過程。由圖2可知，多年來東橋園站年徑流量呈現明顯的階段變化特征，年徑流量累積距平值分別在1961年、1976年、1986年和2008年達到峰值，其中1961年為最大值；年徑流量累積距平值在1996年達到最小值。1996年后累積曲線呈現曲折上升趨勢，年均徑流量增加。1961年和1996年可能存在年徑流量突變年份。

圖2 東橋園站年徑流距平過程示意

圖3給出了東橋園站年徑流量M-K法檢驗曲線。由圖3可知，東橋園站年徑流量除了1961年外，其余年份均沒有突破0.05顯著性水平，變化趨勢不顯著。徑流量UF和UB曲線在置信度線之間相交于2004年，即年徑流量有可能在2004年發生突變。

圖3 東橋園站年徑流M-K法檢驗曲線示意

雖然兩種識別方法結果并不完全一致，通過對比突變年份前后均值和變異系數Cv值(見表1)，1961年和2004年為序列的突變年份，可將東橋園站的年徑流變化情況劃分為3個時期。

表1 東橋園站年徑流量可能突變年份分析

4.2 年徑流突變成因估算

根據上述年徑流量突變年份識別分析，結合流域內水利工程建設時間情況，劃分3個時期，其中1956—1961年為序列的基準期，1962—2003年為序列第1個影響期，2004—2016年為序列第2個影響期。

圖4～6分別給出了年徑流、年降水、年均氣溫的累積曲線，并分別計算各累積序列各影響期的斜率變化率(見表2)。

圖4 東橋園站累積徑流與年份關系曲線示意

圖5 東橋園站累積降水與年份關系曲線示意

圖6 東橋園站累積氣溫與年份關系曲線示意

由表2可知，1962—2003年與1956—1961年相比，累積徑流斜率減少了406.7 mm/a，降幅為23.1%；累積降水斜率減少了346.2 mm/a，降幅為13.9%；累積氣溫斜率增加1.2 ℃/a，增幅為5.9%。利用公式(6)～(9)，計算可得降水變化對徑流變化的貢獻率為60.1%，氣溫變化對徑流變化的貢獻率為25.4%，由此可知1962—2003年氣候變化和人類活動對徑流量變化的貢獻率分別為85.5%和14.5%。同理可得2004—2016年氣候變化和人類活動對徑流量變化的貢獻率分別為100%和0%。僅考慮降水變化影響，1962—2003年氣候變化和人類活動對徑流量變化的貢獻率分別為60.1%和39.9%，2004—2016年氣候變化和人類活動對徑流量變化的貢獻率分別為76.2%和23.8%。由表3可知，氣候變化是榕江流域徑流變化的主導因素，其中降水變化對徑流影響的貢獻最大。

表2 東橋園站累積徑流、累積降水、累積氣溫斜率及其變化率

表3 氣候變化和人類活動對徑流量變化的貢獻率 %

5 結語

本文采用累積距平法、M-K法分析東橋園站1956—2016年年徑流變化趨勢以及識別年徑流量變化的突變年份，應用累積量斜率變化分析法定量分析不同時期氣候變化和人類活動對徑流變化的貢獻率。主要結論如下：

1) 通過兩種識別方法并結合突變點前后均值和Cv值，東橋園站的年徑流量變化存在兩個突變年份，分別為1961年和2004年，由此徑流變化可劃分為3個時期。

2) 以1956—1961年為年徑流變化的基準期，定量估算了氣候變化和人類活動對徑流量變化的影響程度。1962—2003年氣候變化和人類活動對徑流量變化的貢獻率分別為85.5%和14.5%，2004—2016年氣候變化和人類活動對徑流量變化的貢獻率分別為100%和0%。僅考慮降水影響，兩個時期氣候變化對徑流變化影響的貢獻率分別為60.1%和76.2%，人類活動對徑流變化影響的貢獻率分別為39.9%和23.8%。表明榕江流域年徑流變化受氣候變化影響為主并呈現影響加強態勢，其中降水變化對徑流影響的貢獻最大。

3) 本研究揭示了榕江流域近60 a年徑流量的變化及其成因，對于該流域未來水資源的開發利用具有重要意義。對于氣候變化因素，本文僅考慮了降水和氣溫，實際上影響徑流變化的氣候因素較多，其他氣候影響因素有待進一步研究。