渭河流域上游氣候變化及其對徑流的影響

劉引鴿，龍 顏，鄭潤禾，周歡歡，黃 雪，胡浩楠

(寶雞文理學院 地理與環境學院，陜西 寶雞 721013)

1 研究背景

水文循環是地球上重要的物質能量循環，其過程不僅與周圍自然地理環境相關，人類施加的外力因素也會使其發生變化。據IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)評估報告，地表溫度受氣候變化的影響在19世紀末至21世紀初呈上升狀態，20世紀50年代后更是加劇升溫[1]。在全球氣候發生了明顯變化的背景下，各氣候要素也隨之變化。發生變化的氣候要素與不斷進行的人類活動在一定程度上改變了水資源的時空分布格局。因此，探討氣候變化及其水文效應成為當前的研究熱點之一。有學者研究了氣候變化背景下冰川的變化[2]、流域氣溫和蒸散的變化[3]以及區域氣溫小于0℃的首日氣候特征[4]，使用多個水平衡模型研究人為作用和氣候變化對流域水資源可利用性的潛在影響[5]，開發了新的氣候模式來分析氣候在未來的變化及其與水資源的關系[6]。20世紀末，我國逐漸展開相關水文研究，結合氣候變化分析水文變化特征[7]，國內學者針對不同地區區域徑流量對氣候變化的響應進行研究，如渭河[8-10]、黃河[11-13]、淮河[14]、東江[15]等流域，這些研究主要注重單氣候要素對徑流量的影響，而關于多氣候要素結合對徑流量影響的研究較少。

研究氣候環境變化下的水文水資源變化情況有助于制定更加有效的水資源管理策略，科學規劃、合理利用水資源[16]。渭河流域是全國最重要的河流流域之一，對氣候變化的響應明顯，同時也是重要的水資源供給區，關系著流域內人民的日常生活和社會活動。鑒于渭河流域的重要地位，一直以來對渭河流域的相關研究也從未中斷，尤其是氣候變化與水文循環的關系一直在研究探索中。本文以渭河上游為研究區，根據所選取氣象站點的氣溫、降水量、風速、日照時間、蒸發等數據，以及水文站點的徑流數據，分析各氣候要素和水文要素的時空變化規律及其相關關系，探討在人類活動程度不同的區域氣候變化和人類活動對徑流的影響，這些研究對區域水資源利用以及環境管理有重要意義。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

位于中國內陸的渭河具有重要的地理意義，流域以林家村為上游和中游的分界。近幾十年來氣候變化對流域地表水資源影響極大，同時引起氣候水文事件頻繁發生[16-18]，對流域內社會經濟產生了重大影響。

本文選取渭河流域上游時間序列較為完整、分布均勻且比較典型的25個氣象站，整理各站與水文循環關系最為密切的氣溫、降水量、風速、日照時間和蒸發等氣候要素1960-2017年的日數據，選取位于干流不同河段，自然環境和人類活動水平均有所差異的林家村、北道、武山以及渭源站4個典型水文站，收集其1960-2010年的徑流數據(其中武山、渭源站徑流數據到2005年為止)，分析渭河上游近60年氣候變化及徑流量的時空變化特征，以及自然氣候變化和人類活動對水文徑流量的影響程度。渭河上游流域及選取的氣象站和水文站分布情況如圖1所示。

圖1 渭河上游流域及選取的氣象站和水文站分布

2.2 研究方法

采用最小二乘法計算氣候要素及水文要素的趨勢率，分析其時空變化特征，分別用小波和Mann-Kendall檢驗法分析周期及突變特征，通過計算水文要素與氣候要素的相關系數分析相關關系。利用雙累積曲線法對影響徑流量的自然及人為因素進行貢獻率分析。

雙累積曲線法的原理是以降水量和徑流量為變量做雙累積曲線，將曲線斜率發生明顯變化的年份作為突變年，第1個突變年以前定為基準期，也認為是無人類活動影響的自然狀態的徑流量變化，再通過累積降水量-徑流量的擬合關系式估算徑流量，突變后的實際徑流量減去估算徑流量即為徑流量受到人類活動影響的變化量，突變后估算徑流量減去基準期徑流量即為徑流量受到氣候變化影響的變化量[19-20]。相關公式如下：

ΔR=Rs-Rb

(1)

(2)

(3)

3 結果與分析

3.1 氣候要素的時空變化特征

圖2、3分別為渭河上游各氣象要素的年際、季節變化特征。由圖2可知，除年均氣溫以0.29 ℃/10a的速率上升，其他氣候要素的年際變化都表現為下降，年降水量、風速、日照時間、蒸發趨勢率分別為-14.36 mm/10a、-0.05 (m·s-1)/10a、-19.91 h/10a、-4.64 mm/10a。

圖2 1960-2017年渭河上游各氣象要素年際變化

由圖3可知，全年各季節均處于升溫趨勢，升溫速率在冬季最大，為0.34 ℃/10a；降水量在春、冬季以0.04、0.73 mm/10a速率增加，夏、秋季以-4.89、-8.65 mm/10a速率減少；全年各季節風速均有所下降，春季達-0.09 (m·s-1)/10a，其他季節均在-0.04 (m·s-1)/10a左右；日照時間在春季呈上升趨勢，趨勢率為4.43 h/10a，夏、秋、冬季分別以-8.32、-6.01、-8.97 h/10a的速率下降。春季蒸發趨勢率為3.91 mm/10a，夏、秋、冬季都均有所減少，減少速率分別為-2.46、-3.94、-2.15 mm/10a。

圖3 1960-2017年渭河上游各氣象要素季節變化

年代變化上，氣溫呈現20世紀60至70年代有所降低、80年代后整體顯著升高的特點。降水量在20世紀60至70年代先減少后上升，80年代后的近40年內出現幾次較為明顯的增長，整體波動下降。風速、日照時間、蒸發在20世紀80年代、90年代和21世紀后總體均呈現下降、上升、下降的趨勢。

采用ArcGIS插值給出各氣象要素線性趨勢率空間分布，如圖4所示。由圖4可以看出，1960-2017年渭河上游整個區域年均氣溫均為增加趨勢，但有區域差異，其中會寧、安定及甘谷、西和一帶增溫速率快，會寧增溫速率最大，為0.48 ℃/10a，華亭增溫速率最小，為0.14 ℃/10a，區域北部與南部增溫較快。整個區域降水量則呈減少趨勢，東部地區降水量減小速率大于西部，岷縣降水量減少速率最大，為-33.6 mm/10a，榆中減少最小，為-3.68 mm/10a。西部的漳縣、岷縣及榆中、安定一帶風速呈增大趨勢，榆中的風速增大趨勢最大，為0.16(m·s-1)/10a，東部區域風速呈減小趨勢，趨勢率最小值(最大減小速率)出現在張家川，為-0.38 (m·s-1)/10a。除西和、清水的日照時間為上升趨勢外(西和變化趨勢率達到最大值，為28.2 h/10a)，其他區域的日照時間均為減少趨勢，六盤山減小速率最大，為-58.7 h/10a。蒸發量空間變化分布不均，甘谷上升速率最大，為50.85 mm/10a，其余大部分地區以下降趨勢為主，隆德出現最大的減小趨勢，為-69.53 mm/10a。整體而言，該區域的西北部降水量、風速增大，東部減小，蒸發量及日照時間為南部增加，北部減少。這種變化與地理環境、人類活動及氣象要素的相互影響相關。

圖4 1960-2017年渭河上游25個氣象站點各氣候要素趨勢率空間分布

1960-2017年渭河上游各氣象要素小波變換實部圖如圖5所示。由圖5可以看出，2～6、14～22、25～30 a為渭河上游地區年平均氣溫的周期，其中第一、第二主周期分別為22、6 a；年降水量的多個周期為2～6、8～12、14～17、18～24 a，其中20 a為主周期；年平均風速的變化呈現10～14、16～21、23～30 a周期特征，20 a時間尺度為主周期；年平均日照時間以2～8、10～15、20～30 a為周期，主周期為25 a；年蒸發量存在5～13、17～24、25～30 a周期特征，主周期為20 a。總體上各氣候要素變化主周期均在20～30 a的時間尺度內。

圖5 1960-2017年渭河上游各氣象要素小波變換實部圖

氣候要素年季變化的M-K突變檢驗結果(圖略)表明，渭河上游年平均氣溫的突變年份為1996年，春、夏、秋、冬季分別在2002、2001、1995、1995年突變；年降水量突變點為1970年，季節突變不明顯；2000年為年平均風速突變的時間點，1979、1999、1995年分別為夏、秋、冬季的突變時間點；年平均日照時間突變點為2008年，2002年夏季也發生了突變；年蒸發量沒有出現較為明顯的突變，春季突變點為1983年。總體上，20世紀末至21世紀初是除降水量以外的各氣候要素發生突變的時間段。

3.2 氣候變化對徑流量的影響

3.2.1 徑流量變化 徑流是水文循環的主要要素之一，徑流量變化對氣候要素有一定響應。圖6為研究期林家村、北道、武山、渭源4個水文站徑流量年際變化和年代際變化趨勢。由圖6可知，渭河上游4個水文站的徑流量均呈現明顯的下降趨勢，林家村、北道、武山、渭源站徑流量變化速率分別為-5.074×108、-2.895×108、-1.201×108、-0.033×108m3/10a。北道和武山站徑流量在1960-2017年內的年代變化均表現出20世紀60至70年代增加、80至90年代顯著減少，21世紀后有所增加的特點。林家村站徑流量變化與北道、武山站在21世紀前徑流量變化趨勢相同，21世紀后林家村仍表現為微弱下降。渭源站在20世紀60、70、80、90年代及21世紀后的徑流量變化分別為減少、增加、增加、減少、增加。4個水文站的徑流量由大到小依次為林家村站、北道站、武山站、渭源站，也是由于各站所處不同的河段位置所造成的。

圖6 研究期4個水文站徑流量年際變化和年代際變化趨勢

3.2.2 徑流量與各氣候要素的相關關系 通過計算4個站點的徑流與各氣象要素的相關系數，表明均具有一致的相關性。以林家村水文站為例，其徑流量與各氣候要素的相關系數及相關關系曲線分別見表1和圖7。由表1可知，對徑流量而言，降水量的影響較為明顯，與其呈顯著正相關；風速與其相關系數較低，關系不明顯；氣溫和蒸發的影響也較為明顯，與其有較高的相關系數，呈顯著負相關。與降水量呈顯著負相關關系的氣候要素為日照時間和蒸發量，除降水量以外的其他氣候要素均與蒸發量呈正相關。各相關關系均通過0.05顯著性檢驗。由圖7可知，徑流量隨氣溫、日照時間、蒸發量的增加以及降水量的減少而減少。

表1 林家村站徑流量與各氣候要素的相關系數

根據徑流量與這些氣象要素的線性關系可估算出，降水量每增加1 0 mm，徑流量將增加0.61×108m3，氣溫每升高0.1℃，徑流量將減少1.09×108m3，蒸發量每減少10 mm、日照時間每減少1 h，徑流量分別增加0.53×108、0.03×108m3。

由此可見，徑流量變化受到氣溫、蒸發量和降水量的影響程度較大，徑流量減少與氣溫和蒸發量的增加以及降水量的減少有關。

蒸發量在時間變化上并沒有隨著氣溫的升高而呈現增加趨勢，而是為減少趨勢，這可能是因為雖然氣溫升高有利于蒸發量增大，但風速、日照時間的減少使蒸發量減少，綜合作用結果使渭河上游的蒸發量為減少趨勢。

3.2.3 自然和人為因素對徑流量的影響 自然地理環境的變化與近些年來增加的人為因素都在進一步干涉水文循環過程。為了更加了解流域內的水資源現狀，對徑流量變化影響因子的定量分析是有必要的。由于各水文站所代表的不同區域內的自然因素即氣候變化以及人為因素即人類活動的水平不同，對徑流量變化的貢獻率也因此產生差異，可利用雙累積曲線法進行具體分析，圖8為降水量與各水文站徑流量的雙累積曲線。

圖7 徑流量與各氣候要素相關關系曲線

由圖8可知，1970和1993年各站徑流量和降水量的雙累積曲線斜率均發生了明顯的變化，并且在各分段內累積徑流量和累積降水量的線性相關程度均大于0.99，通過顯著性檢驗，可以確定徑流量的突變點為1970和1993年，第1個突變點之前即1960-1969年為基準期(即假定為無人類影響時期)，并將基準期之后的時間段劃分為1970-1979年、1980-1989年、1990-1999年、2000-2010年，分析不同研究時間段內徑流量受到自然和人為因素影響的程度大小。

圖8 降水量與各水文站徑流量的雙累積曲線

首先估算出林家村、北道、武山、渭源站在基準期的徑流量分別為31.47×108、17.97×108、7.35×108、0.27×108m3，依據各站累積降水量和累積徑流量的擬合公式及各站在突變期徑流量的總變化量，估算徑流量發生突變后的變化總量及氣候變化和人類活動造成的影響量和貢獻率，結果見表2、3。

表2 不同年代各水文站徑流量總變化量及氣候變化和人類活動的影響量 108 m3

由表3可以看出，由于20世紀80年代渭河流域雨水較多，降水量對徑流量減少的作用較小，同時區域徑流量因土地利用結構等受人類活動作用發生改變而加劇減少，人類活動作用于徑流量的程度較高，達到77.6%～94.5%。20世紀90年代，徑流量隨著該時期降水量的減少發生變化，氣候變化對徑流量減少的貢獻率有所上升，在23.58%～42.53%之間，人類活動貢獻率有所減小。到21世紀，高速發展的社會經濟和逐漸頻繁的工農業生產增強了人類活動，對徑流量減少的作用更加明顯。在4個水文站中，林家村站和北道站位于渭河干流的下游河段，地勢相對平緩，居民更加密集，人類活動也更加頻繁，導致人類活動對徑流量的影響更加顯著。武山站和渭源站位于干流上游及源頭區域，周邊地勢較高，人類的活動強度相對低于林家村站和北道站，因此在影響徑流量變化的程度上，人類活動的作用程度較低，氣候變化的作用程度則在各時段均大于林家村站和北道站，氣候變化貢獻率最高超過了40%，說明武山和渭源所處區域自然氣候影響更加明顯。總體上，人類活動的貢獻率在干流區域的下游達75%以上，在上游區域為57%以上，自然氣候對徑流量影響相應的貢獻率分別為25%及43%以下。在降水量異常減少年代，氣候變化對徑流量的影響增大。

表3 不同年代氣候變化和人類活動對各水文站徑流量變化的貢獻率 %

從自然和人為因素在不同年代的貢獻率水平差異及變化情況可以看出，20世紀70至80年代，渭河流域降水較多，對徑流量減少的作用也較小，到90年代，渭河流域降水量減少，而蒸發量增加以及氣溫升高的程度顯著大于其他年代，徑流量受氣候變化的影響程度因此增加。同時，土地、植被等下墊面的狀態由于人類活動而發生改變，進一步作用于徑流量。對比4個水文站的人類活動和氣候變化對徑流量減少貢獻率的差異可以看出，不同的地理位置造成不同的自然環境，同時人類的生產、生活活動也會受到自然條件的影響而呈現不同的強度。因此，在不同區域，徑流量變化受到自然環境和人類活動的影響程度也出現差異，導致不同的貢獻率。在林家村、北道、武山、渭源4個水文站中，渭源站與另外3站差異較明顯，特別是在20世紀70至90年代，氣候變化的貢獻率明顯高于其他3站，21世紀后渭源站徑流量減少的人類活動貢獻率雖然明顯上升，但仍在4站中最低，這與渭源所處渭河源頭的地理位置及其經濟發展水平有關。

4 結 論

(1)渭河流域上游年和四季平均氣溫均呈上升趨勢；年降水量和夏、秋季降水量減少，春、冬季上升；風速在年和四季變化上均呈下降趨勢；年平均日照時間減少，春季上升，其他季節減少；蒸發量在春季上升，其他季節和年平均蒸發量減少。各氣候要素均表現出多個周期特征，其中主周期均為20～30 a時間尺度，突變時間則集中在20世紀末至21世紀初。氣候要素空間變化區域有差異。

(2)結合各站徑流量的變化情況，可以看出在年代變化上，4個水文站整體分別在20世紀60和70年代均有增加，但總量在減少，隨后80、90年代顯著下降，21世紀后有所增加，但總量小于60、70年代，近60年內徑流量整體減少。各氣候要素與徑流量的相關關系中，氣溫、日照時間和蒸發量與徑流量為負相關，降水量與其為正相關。且降水量每增加10 mm，徑流量將增加0.61×108m3；氣溫每升高0.1 ℃，徑流量將減少1.09×108m3，蒸發量每減少10 mm、日照時間每減少1 h，徑流量分別增加0.53×108、0.03×108m3。

(3)由于不同年代具有不同的氣候特征和人類活動水平，因此對徑流量的作用水平也不同。氣候變化貢獻率在干流區域林家村、北道站為5%～25%，在武山和渭源站為11%～43%之間。20世紀70至80年代渭河上游徑流量減少受自然因素作用較小，90年代后降水量異常減少、氣溫和蒸發量增加使氣候因素對徑流量變化的作用加劇。21世紀后，人為作用顯著。自然環境和人類活動強度的差異會造成不同的貢獻率水平，但徑流量的變化仍以人類活動影響為主，說明減少人類活動對徑流量的影響是水資源管理的重要措施。