渭河中游氣候變化及其對(duì)水文要素的影響

劉引鴿, 鄭潤(rùn)禾, 龍 顏, 胡浩楠, 黃 雪

(寶雞文理學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院 災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 寶雞 721013)

全球氣候變化影響區(qū)域氣候要素與水文要素的變化，對(duì)區(qū)域及流域內(nèi)人類生產(chǎn)生活以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要作用。20世紀(jì)中葉以來(lái)，氣候變化速度加快，同時(shí)也加速了水文循環(huán)。氣候氣象要素變化的不穩(wěn)定性加劇，以氣候變暖為主的氣候變化已成為當(dāng)前世界最重要的環(huán)境問(wèn)題之一[1-5]。氣候變化對(duì)水循環(huán)及水資源影響的研究越來(lái)越引起國(guó)內(nèi)學(xué)者的高度關(guān)注和重視，國(guó)內(nèi)學(xué)者有從不同角度針對(duì)黃河、淮河和長(zhǎng)江流域進(jìn)行土地利用、人類活動(dòng)及氣候變化對(duì)徑流的影響研究[6-9]；對(duì)渭河流域的研究主要表現(xiàn)在氣候要素變化趨勢(shì)研究，這些研究取得了比較好的成果，但對(duì)渭河中游進(jìn)行多要素的氣候變化及其水文效應(yīng)的研究較少。

研究氣候變化背景下的水文水資源變化對(duì)制定更有效的水資源管理措施以及水資源的開(kāi)發(fā)規(guī)劃有重要的促進(jìn)作用。渭河作為黃河的重要支流，且渭河中游地處陜西經(jīng)濟(jì)的黃金地帶，為陜西供給人民生產(chǎn)生活及經(jīng)濟(jì)發(fā)展所必須的水資源，一直以來(lái)對(duì)渭河流域的相關(guān)研究從未停止。因此，本文對(duì)渭河中游多氣候要素的變化及其對(duì)水文要素的影響展開(kāi)研究，采用渭河中游氣溫、降水、潛在蒸發(fā)量、水汽壓、大氣相對(duì)濕度、風(fēng)速等氣象資料，林家村、益門、千河和鸚鴿4站的徑流量資料，采用氣候診斷方法分析該區(qū)域氣候要素變化特征及其對(duì)水文要素的影響，并探討自然氣候變化及人類活動(dòng)對(duì)渭河中游徑流量的影響及其變化規(guī)律。這些研究對(duì)區(qū)域水資源開(kāi)發(fā)利用及管理有重要意義。

1 研究區(qū)概況

渭河是黃河第一大支流。渭河流域?qū)倥瘻貛О敫珊禋夂騾^(qū)，受季風(fēng)氣候影響顯著，降水及徑流量季節(jié)變化明顯，多年平均降水量572 mm，徑流量75.7億m3，且時(shí)空分布不均。渭河發(fā)源于甘肅省定西市渭源縣，流經(jīng)甘肅天水、陜西寶雞、咸陽(yáng)、西安與渭南等地，于渭南市潼關(guān)匯入黃河。渭河中游介于107°36′—108°62′E，33°76′—35°12′N，以陜西寶雞境內(nèi)林家村為起點(diǎn)，陜西咸陽(yáng)渭河鐵路橋?yàn)榻K點(diǎn)，渭河中游有千河、石頭河、清姜河等重要支流。截至2018年底，渭河中游總?cè)丝? 448.16萬(wàn)人，占全省人口的63.35%。平均人口密度為331人/km2。城鎮(zhèn)人口1 246.38萬(wàn)人，城市化率58.13%，流域人口分布以渭河兩側(cè)關(guān)中平原最為密集。渭河中游是陜西關(guān)中人口聚居區(qū)，是全省主要的工業(yè)，農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)[10-18]。

本文采用渭河中游7個(gè)氣象站1970—2017年的逐日降水量、氣溫、氣壓、水汽壓、大氣相對(duì)濕度、風(fēng)速及潛在蒸發(fā)量資料，以及林家村、益門、千河和鸚鴿4個(gè)水文站的逐日徑流量資料，各氣象站與水文站的位置分布見(jiàn)圖1，氣象站與水文站的基本信息見(jiàn)表1—2。將日資料轉(zhuǎn)化為月資料，在此基礎(chǔ)上計(jì)算季節(jié)以及年數(shù)據(jù)。其中四季定義為3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月—翌年2月為冬季，分別從年尺度和季節(jié)尺度進(jìn)行氣候趨勢(shì)變化特征分析。

圖1 渭河中游區(qū)域示意圖

表1 渭河中游水文站基本情況

表2 渭河中游氣象站基本情況

2 研究方法

采用線性回歸法對(duì)渭河中游50 a的氣候及水文要素進(jìn)行趨勢(shì)分析，利用Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法(以下簡(jiǎn)稱M-K檢驗(yàn))進(jìn)行氣候突變檢驗(yàn)，采用小波分析進(jìn)行氣候要素周期分析。

累積距平法是由曲線直觀地判斷離散數(shù)據(jù)點(diǎn)變化趨勢(shì)的一種非線性統(tǒng)計(jì)方法，采用累積量斜率變化率比較法計(jì)算氣候變化(降水和潛在蒸發(fā))和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化量的貢獻(xiàn)率。相比于多元回歸法，累積量斜率變化率比較法引入了年份與累積量，有效地避免了多元回歸法的不足，因此具有更大的適應(yīng)性[19-21]。

累積量斜率變化率比較法描述如下：設(shè)累積徑流量與年份線性關(guān)系式的斜率在拐點(diǎn)前后2個(gè)時(shí)期的徑流量分別為SRb和SRa(108m3/a)，累積降水量與年份線性關(guān)系式的斜率在拐點(diǎn)前后2個(gè)時(shí)期的降水量分別為SPb和SPa(mm/a)，則累積徑流量斜率變化率為(SRa-SRb)/|SRb|，同樣，累積降水量斜率變化率為(SPa-SPb)/|SPb|，那么降水量對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率CP(%)為：

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

(1)

同理，也可計(jì)算潛在蒸發(fā)對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率，從而進(jìn)一步求出氣候變化對(duì)徑流量減少的貢獻(xiàn)率。設(shè)累積潛在蒸發(fā)量與年份線性關(guān)系式的斜率在拐點(diǎn)前后2個(gè)時(shí)期的潛在蒸發(fā)量分別為SEb和SEa，則累積潛在蒸發(fā)量對(duì)徑流的貢獻(xiàn)率表示為:

CE=-[(SEa-SEb)/|SEb|]/[(SRa-SRb)/|SRb|]×100%

(2)

在此基礎(chǔ)上可計(jì)算出人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率CH(%)為：

CH=1-CP-CE

(3)

3 結(jié)果與分析

3.1 氣候要素時(shí)間變化特征

由圖2、表3可以看出，渭河中游多年平均氣溫、氣壓、水汽壓、風(fēng)速和大氣相對(duì)濕度的趨勢(shì)率分別為0.35℃/10 a，0.96 hPa/10 a，0.11 hPa/10 a，-0.16 m/(s·10 a)，-0.65%/10 a。季節(jié)變化中，氣溫四季都處于顯著上升趨勢(shì)，其中春季氣溫上升最快，達(dá)到0.49℃/10 a，說(shuō)明渭河中游暖春現(xiàn)象明顯；氣壓和水汽壓呈微弱上升趨勢(shì)，四季變化幅度不大；風(fēng)速四季都呈下降趨勢(shì)，其中春季下降幅度最大，達(dá)-0.19 m/s；大氣相對(duì)濕度除秋季上升外其余季節(jié)都為下降趨勢(shì)，冬春兩季下降明顯，分別為-0.71%,-1.58%。總體來(lái)看，渭河中游氣候有趨于暖干化的特征，冬春季節(jié)變化幅度較大。

表3 渭河中游氣候要素變化趨勢(shì)及特征值

圖2 渭河中游氣候要素年際與季節(jié)變化趨勢(shì)

3.2 氣候要素空間變化特征

渭河中游氣象要素傾向率空間變化特征見(jiàn)圖3。可以看出，整個(gè)區(qū)域年平均氣溫呈上升趨勢(shì)，但上升幅度區(qū)域有差異，其中，渭河寶雞段及千河下游地區(qū)氣溫上升速度較快，最高達(dá)到了0.41℃/10 a，而千河上游及渭河武功段氣溫上升速度相對(duì)較為緩慢，升溫速率為0.30℃/10 a，其他地區(qū)趨勢(shì)率為0.33～0.36℃/10 a。氣壓變化表現(xiàn)為寶雞與太白周邊氣壓下降，幅度為-0.30～0.54 hPa/10 a，北部山區(qū)及東部地區(qū)氣壓呈上升趨勢(shì)，氣壓空間變化整體上差異較小。年平均風(fēng)速整體呈輕微下降趨勢(shì)，平均下降幅度為0.16 m/s。其中，千陽(yáng)地區(qū)、渭河中游南部地區(qū)下降幅度最大，為0.4 m/s，但在渭河中游西部地區(qū)風(fēng)速有小幅度上升，上升幅度在0.1 m/s左右。平均相對(duì)濕度整體呈下降趨勢(shì)，平均下降幅度為0.65%/10 a，下降趨勢(shì)不十分明顯。水汽壓呈微弱上升趨勢(shì)，平均趨勢(shì)為0.1 hPa/10 a，其中寶雞市區(qū)及周邊有微弱的下降趨勢(shì)。

圖3 渭河中游氣候要素傾向率空間變化特征

3.3 氣候要素周期變化與突變

運(yùn)用小波變換法對(duì)渭河中游氣候要素的周期變化進(jìn)行分析。圖4為渭河中游氣候氣象要素小波變化實(shí)部。從圖4中可以看出，渭河中游年平均氣溫主要存在3～7 a和26～32 a的周期。在26～32 a時(shí)間尺度上，周期震蕩顯著。氣壓的變化存在一個(gè)25 a的周期，水汽壓的變化沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的周期特征，濕度與風(fēng)速變化也同樣存在一個(gè)25 a的周期。由Mann-Kendall檢驗(yàn)突變可以看出(圖5)，氣溫突變點(diǎn)在1996年，水汽壓的突變點(diǎn)在1983年，濕度的突變點(diǎn)在2003年，氣壓與風(fēng)速無(wú)突變發(fā)生，其中氣溫和水汽壓都為突變上升，濕度為突變下降。

圖4 渭河中游氣候要素小波分析實(shí)部

圖5 渭河中游氣候要素突變分析

3.4 氣候要素變化對(duì)水文要素的影響

3.4.1 徑流、降水及蒸發(fā)量變化 由圖6可知，渭河中游各站的徑流量與降水量均呈減少趨勢(shì)，其中，林家村站的徑流量與千河站的降水量變化最大，分別以0.48億m3/a及2.04 mm/a的趨勢(shì)減少。蒸發(fā)量則表現(xiàn)出波動(dòng)變化，1980—1997年蒸發(fā)量為輕微增加趨勢(shì)，1998—2017年蒸發(fā)量為顯著減少趨勢(shì)。蒸發(fā)量近年來(lái)顯著減小的原因可能是由于風(fēng)速減小造成的，加之渭河中游城市化進(jìn)程不斷加快，人類活動(dòng)影響使得太陽(yáng)輻射量減弱，導(dǎo)致蒸發(fā)量的下降。由于蒸發(fā)量在1995年，1997年出現(xiàn)兩個(gè)較大值，整體上蒸發(fā)為增加趨勢(shì)為2.66 mm/a。

圖6 渭河中游徑流量、降水量與蒸發(fā)量年際變化

表4給出了渭河中游各水文站徑流及降水年際變化特征的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從變差系數(shù)Cv值來(lái)看，徑流量的年際變化幅度較大，最大值為林家村(Cv=0.72)，降水量的年際變化幅度次之，最小值為千河站(Cv=0.20)，蒸發(fā)量變化幅度最小，最小為林家村站(Cv=0.09)。從極值比來(lái)看，徑流量的極值比最大，為林家村站，比值為58.12，降水量的極值比次之，最小值為千河站，比值為2.44，蒸發(fā)量極值比最小，最小為林家村站，比值為1.51。徑流序列的波動(dòng)程度要遠(yuǎn)大于降水量序列的波動(dòng)幅度，其中林家村站的徑流序列波動(dòng)程度最大，千河站的降水序列波動(dòng)幅度最小。從表5可以看出，各站的徑流量在1990年后減少最為劇烈，其中處于渭河干流的林家村站徑流量2000年后相對(duì)于20世紀(jì)60年代減少78.78%，降水量在20世紀(jì)90年代減少最為劇烈，其中千河站20世紀(jì)90年代的降水量相對(duì)于20世紀(jì)60年代減少了18.36%。整體上來(lái)看，渭河中游徑流量的減少趨勢(shì)大于降水量的減少趨勢(shì)，蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)不明顯。

表4 渭河中游徑流量、降水量及蒸發(fā)量年際變化特征值

表5 渭河中游徑流、降水及蒸發(fā)量代際變化率

3.4.2 氣侯要素與水文要素的相關(guān)性 氣候要素是影響水文要素變化的主要原因之一，為了進(jìn)一步討論各水文要素與氣候要素之間的關(guān)系，求出氣候要素與水文要素之間的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表6。可以看出，渭河中游徑流量與氣溫、氣壓和蒸發(fā)量呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與降水量和濕度呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，與水汽壓的相關(guān)關(guān)系較弱。蒸發(fā)量與氣溫和氣壓呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，與濕度、水汽壓和降水量有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與風(fēng)速的負(fù)相關(guān)關(guān)系不顯著(主要是由于20世紀(jì)90年代蒸發(fā)量突增所致，其余年代應(yīng)為顯著正相關(guān))。

表6 渭河中游水文要素與氣象要素的相關(guān)系數(shù)

3.4.3 氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)渭河中游徑流的貢獻(xiàn)率 為了進(jìn)一步探究不同年代氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)渭河中游徑流量的影響程度的差異性，采用雙累積曲線法對(duì)渭河中游的徑流序列進(jìn)行變異點(diǎn)診斷，結(jié)果見(jiàn)圖7。可以看出，各站的徑流和降水雙累積曲線的斜率在1970年、1993年前后都發(fā)生了明顯的變化。為更好印證這一判斷，通過(guò)各站徑流量累積曲線(圖8)也可看出，在1970年與1993年前后徑流量的累積距平值為先增大后減小，因此可以判定1970年與1993年為徑流發(fā)生變異的年份。由此可將徑流序列劃分為1960—1970年、1971—1993年及1994—2015年3個(gè)時(shí)段。

圖7 渭河中游降水量與各站徑流量雙累積曲線

圖8 渭河中游各站年徑流量累積距平

由圖9可以看出，在1970年和1993年各站徑流、降水和蒸發(fā)量的累積曲線斜率都發(fā)生了明顯的變化，并且在各分段內(nèi)累積徑流、累積降水和蒸發(fā)的線性相關(guān)程度都在0.99以上，通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。以1960—1970年為基準(zhǔn)期，計(jì)算相對(duì)于基準(zhǔn)期的變化率見(jiàn)表7，可以看出，林家村和千河兩站1971—1993年累積徑流量斜率相對(duì)于基準(zhǔn)期分別減少，益門站小幅增加，1994—2015年相對(duì)于基準(zhǔn)期減少，各站徑流量從20世紀(jì)70年代以來(lái)呈現(xiàn)出減少趨勢(shì)，20世紀(jì)90年代后減少趨勢(shì)更為顯著，其中渭河林家村站減少最為明顯。

1971—1993年各站降水量—年份線性關(guān)系式的斜率比基準(zhǔn)期分別減少38，39，1 mm/a，減少率分別為5.81%，5.73%，0.14%；1994—2015年各站降水量比基準(zhǔn)期減少67，88，64 mm/a，減少率分別為10.24%，12.92%,9.16%，各站降水量在20世紀(jì)90年代后呈顯著減少的趨勢(shì)。潛在蒸散發(fā)量—年份線性關(guān)系式的斜率1971—1993年比基準(zhǔn)期減少36 mm/a，減少率為2.70%，1994—2015年潛在蒸散發(fā)—年份的線性關(guān)系式斜率比基準(zhǔn)期增加144 mm/a，增加率為10.81%。

圖9 渭河中游累積徑流量、累積潛在蒸發(fā)量、累積降水量與年份的線性關(guān)系

為了進(jìn)一步討論人類活動(dòng)與氣候變化對(duì)各時(shí)期徑流量變化的影響程度，采用累積量斜率變化率比較法計(jì)算降水和人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響。設(shè)降水對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)率為CP，潛在蒸發(fā)對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)率為CE，即氣候變化對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)率為CE+CP，人類活動(dòng)對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)率為CH，見(jiàn)表8。可以看出進(jìn)入1970s以來(lái)人類活動(dòng)成為影響渭河中游地區(qū)徑流量減少的主要因素，即20世紀(jì)70年代前為受人類活動(dòng)影響徑流較少時(shí)期，后兩時(shí)期為受氣候變化和人類活動(dòng)影響較大的時(shí)期。20世紀(jì)70年代以來(lái)，渭河中游人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響不斷增大。而20世紀(jì)90年代后，渭河中游氣溫發(fā)生了突變性上升，降水持續(xù)減少，對(duì)徑流量產(chǎn)生較大影響。

表7 渭河中游累積徑流量、降水量及蒸發(fā)量斜率及其變化率

表8 氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)渭河中游徑流量變化的貢獻(xiàn)率

林家村站與千河站1971—1993年氣候變化對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)率為分別為6.21%，8.89%，人類活動(dòng)對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)率分別為93.79%，91.11%。可以看出渭河干流和支流千河徑流量變化受人類影響較大，都在90%以上。1994—2015年人類活動(dòng)仍然是影響徑流減少的主要因素，貢獻(xiàn)率分別為74.72%，62.68%，相對(duì)于1971—1993年的影響有所下降，1993年前自然氣候?qū)@兩站徑流減少的貢獻(xiàn)率僅為10%以下，之后貢獻(xiàn)率增加到25%以上。這可能是由于20世紀(jì)70年代以來(lái)渭河中游開(kāi)始修建眾多大型的水利水保工程，如馮家山水庫(kù)、王家崖水庫(kù)、寶雞峽水利樞紐等，人為攔蓄成為徑流量減少的主要因素，而20世紀(jì)90年代來(lái)氣溫的突變性上升，使?jié)撛谡羯l(fā)量增加，使其對(duì)徑流量減少的貢獻(xiàn)率增加，從而導(dǎo)致氣候變化對(duì)徑流量減少的貢獻(xiàn)率上升。同時(shí)，近些年來(lái)渭河中游大型水利水保工程規(guī)模趨于飽和，使得人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響程度趨于穩(wěn)定，影響力顯著下降。益門站所在清姜河流域徑流量則受氣候變化影響較大且較為穩(wěn)定，這主要是由于清姜河流域主要位于秦嶺山區(qū)，人類活動(dòng)較少，因此這一區(qū)域人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率較小。

4 結(jié) 論

(1) 渭河中游年均氣溫呈明顯上升趨勢(shì)，冬春季節(jié)上升趨勢(shì)顯著。氣壓整體上呈微弱上升趨勢(shì)；水汽壓呈微弱上升趨勢(shì)，風(fēng)速呈微弱下降趨勢(shì)，但變化特征并不明顯。濕度整體上呈下降趨勢(shì)。氣候要素存在周期及突變特征，其中氣溫的周期變化及突變較為顯著。氣候要素年代空間變化存在明顯差異。

(2) 水文要素變化為徑流量與降水量呈顯著下降趨勢(shì)，1990s后徑流量下降趨勢(shì)增強(qiáng)，降水量減少趨勢(shì)放緩。蒸發(fā)量變化具有階段性，1997年前為輕微增加，之后為顯著減少趨勢(shì)。徑流量與氣溫、氣壓和蒸發(fā)量呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與降水量和濕度呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系。蒸發(fā)量與氣溫和氣壓呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，與濕度、水汽壓和降水量有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。降水量與氣溫呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與濕度呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，與氣壓的負(fù)相關(guān)關(guān)系不顯著。

(3) 自然氣候?qū)搅饔绊懕憩F(xiàn)為，人類活動(dòng)對(duì)徑流量減少的貢獻(xiàn)率大于氣候變化對(duì)徑流量的貢獻(xiàn)率，且渭河干流徑流量受人類活動(dòng)的影響更大，但氣候變化的貢獻(xiàn)率近年來(lái)有增長(zhǎng)趨勢(shì)，1994年前自然氣候?qū)搅鞯臏p少的貢獻(xiàn)率僅為10%以下，之后貢獻(xiàn)率增加到25%以上，這些表明減少人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響是實(shí)現(xiàn)水文循環(huán)的重要途徑。