渭河中游氣候變化及其對水文要素的影響

劉引鴿, 鄭潤禾, 龍 顏, 胡浩楠, 黃 雪

(寶雞文理學院 地理與環(huán)境學院 災害監(jiān)測與機理模擬陜西省重點實驗室, 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，對區(qū)域及流域內人類生產生活以及社會經濟發(fā)展有重要作用。20世紀中葉以來，氣候變化速度加快，同時也加速了水文循環(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前世界最重要的環(huán)境問題之一[1-5]。氣候變化對水循環(huán)及水資源影響的研究越來越引起國內學者的高度關注和重視，國內學者有從不同角度針對黃河、淮河和長江流域進行土地利用、人類活動及氣候變化對徑流的影響研究[6-9]；對渭河流域的研究主要表現(xiàn)在氣候要素變化趨勢研究，這些研究取得了比較好的成果，但對渭河中游進行多要素的氣候變化及其水文效應的研究較少。

研究氣候變化背景下的水文水資源變化對制定更有效的水資源管理措施以及水資源的開發(fā)規(guī)劃有重要的促進作用。渭河作為黃河的重要支流，且渭河中游地處陜西經濟的黃金地帶，為陜西供給人民生產生活及經濟發(fā)展所必須的水資源，一直以來對渭河流域的相關研究從未停止。因此，本文對渭河中游多氣候要素的變化及其對水文要素的影響展開研究，采用渭河中游氣溫、降水、潛在蒸發(fā)量、水汽壓、大氣相對濕度、風速等氣象資料，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水文要素的影響，并探討自然氣候變化及人類活動對渭河中游徑流量的影響及其變化規(guī)律。這些研究對區(qū)域水資源開發(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。渭河流域屬暖溫帶半干旱氣候區(qū)，受季風氣候影響顯著，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，且時空分布不均。渭河發(fā)源于甘肅省定西市渭源縣，流經甘肅天水、陜西寶雞、咸陽、西安與渭南等地，于渭南市潼關匯入黃河。渭河中游介于107°36′—108°62′E，33°76′—35°12′N，以陜西寶雞境內林家村為起點，陜西咸陽渭河鐵路橋為終點，渭河中游有千河、石頭河、清姜河等重要支流。截至2018年底，渭河中游總人口2 448.16萬人，占全省人口的63.35%。平均人口密度為331人/km2。城鎮(zhèn)人口1 246.38萬人，城市化率58.13%，流域人口分布以渭河兩側關中平原最為密集。渭河中游是陜西關中人口聚居區(qū)，是全省主要的工業(yè)，農業(yè)主產區(qū)[10-18]。

本文采用渭河中游7個氣象站1970—2017年的逐日降水量、氣溫、氣壓、水汽壓、大氣相對濕度、風速及潛在蒸發(fā)量資料，以及林家村、益門、千河和鸚鴿4個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圖1，氣象站與水文站的基本信息見表1—2。將日資料轉化為月資料，在此基礎上計算季節(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)尺度進行氣候趨勢變化特征分析。

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

采用線性回歸法對渭河中游50 a的氣候及水文要素進行趨勢分析，利用Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法(以下簡稱M-K檢驗)進行氣候突變檢驗，采用小波分析進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)點變化趨勢的一種非線性統(tǒng)計方法，采用累積量斜率變化率比較法計算氣候變化(降水和潛在蒸發(fā))和人類活動對徑流變化量的貢獻率。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性[19-21]。

累積量斜率變化率比較法描述如下：設累積徑流量與年份線性關系式的斜率在拐點前后2個時期的徑流量分別為SRb和SRa(108m3/a)，累積降水量與年份線性關系式的斜率在拐點前后2個時期的降水量分別為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|，那么降水量對徑流量變化的貢獻率CP(%)為：

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

(1)

同理，也可計算潛在蒸發(fā)對徑流量變化的貢獻率，從而進一步求出氣候變化對徑流量減少的貢獻率。設累積潛在蒸發(fā)量與年份線性關系式的斜率在拐點前后2個時期的潛在蒸發(fā)量分別為SEb和SEa，則累積潛在蒸發(fā)量對徑流的貢獻率表示為:

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

(2)

在此基礎上可計算出人類活動對徑流量變化的貢獻率CH(%)為：

CH=1-CP-CE

(3)

3 結果與分析

3.1 氣候要素時間變化特征

由圖2、表3可以看出，渭河中游多年平均氣溫、氣壓、水汽壓、風速和大氣相對濕度的趨勢率分別為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，其中春季氣溫上升最快，達到0.49℃/10 a，說明渭河中游暖春現(xiàn)象明顯；氣壓和水汽壓呈微弱上升趨勢，四季變化幅度不大；風速四季都呈下降趨勢，其中春季下降幅度最大，達-0.19 m/s；大氣相對濕度除秋季上升外其余季節(jié)都為下降趨勢，冬春兩季下降明顯，分別為-0.71%,-1.58%。總體來看，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及特征值

圖2 渭河中游氣候要素年際與季節(jié)變化趨勢

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圖3。可以看出，整個區(qū)域年平均氣溫呈上升趨勢，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較為緩慢，升溫速率為0.30℃/10 a，其他地區(qū)趨勢率為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，氣壓空間變化整體上差異較小。年平均風速整體呈輕微下降趨勢，平均下降幅度為0.16 m/s。其中，千陽地區(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)風速有小幅度上升，上升幅度在0.1 m/s左右。平均相對濕度整體呈下降趨勢，平均下降幅度為0.65%/10 a，下降趨勢不十分明顯。水汽壓呈微弱上升趨勢，平均趨勢為0.1 hPa/10 a，其中寶雞市區(qū)及周邊有微弱的下降趨勢。

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

運用小波變換法對渭河中游氣候要素的周期變化進行分析。圖4為渭河中游氣候氣象要素小波變化實部。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時間尺度上，周期震蕩顯著。氣壓的變化存在一個25 a的周期，水汽壓的變化沒有發(fā)現(xiàn)明顯的周期特征，濕度與風速變化也同樣存在一個25 a的周期。由Mann-Kendall檢驗突變可以看出(圖5)，氣溫突變點在1996年，水汽壓的突變點在1983年，濕度的突變點在2003年，氣壓與風速無突變發(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部

圖5 渭河中游氣候要素突變分析

3.4 氣候要素變化對水文要素的影響

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，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的趨勢減少。蒸發(fā)量則表現(xiàn)出波動變化，1980—1997年蒸發(fā)量為輕微增加趨勢，1998—2017年蒸發(fā)量為顯著減少趨勢。蒸發(fā)量近年來顯著減小的原因可能是由于風速減小造成的，加之渭河中游城市化進程不斷加快，人類活動影響使得太陽輻射量減弱，導致蒸發(fā)量的下降。由于蒸發(fā)量在1995年，1997年出現(xiàn)兩個較大值，整體上蒸發(fā)為增加趨勢為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)計結果，從變差系數(shù)Cv值來看，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。徑流序列的波動程度要遠大于降水量序列的波動幅度，其中林家村站的徑流序列波動程度最大，千河站的降水序列波動幅度最小。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年后相對于20世紀60年代減少78.78%，降水量在20世紀90年代減少最為劇烈，其中千河站20世紀90年代的降水量相對于20世紀60年代減少了18.36%。整體上來看，渭河中游徑流量的減少趨勢大于降水量的減少趨勢，蒸發(fā)量的變化趨勢不明顯。

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性 氣候要素是影響水文要素變化的主要原因之一，為了進一步討論各水文要素與氣候要素之間的關系，求出氣候要素與水文要素之間的相關系數(shù)見表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)顯著的負相關關系，與降水量和濕度呈現(xiàn)顯著的正相關關系，與水汽壓的相關關系較弱。蒸發(fā)量與氣溫和氣壓呈現(xiàn)顯著的正相關關系，與濕度、水汽壓和降水量有顯著的負相關關系，與風速的負相關關系不顯著(主要是由于20世紀90年代蒸發(fā)量突增所致，其余年代應為顯著正相關)。

表6 渭河中游水文要素與氣象要素的相關系數(shù)

3.4.3 氣候變化和人類活動對渭河中游徑流的貢獻率 為了進一步探究不同年代氣候變化與人類活動對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渭河中游的徑流序列進行變異點診斷，結果見圖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個時段。

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，并且在各分段內累積徑流、累積降水和蒸發(fā)的線性相關程度都在0.99以上，通過顯著性檢驗。以1960—1970年為基準期，計算相對于基準期的變化率見表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于基準期分別減少，益門站小幅增加，1994—2015年相對于基準期減少，各站徑流量從20世紀70年代以來呈現(xiàn)出減少趨勢，20世紀90年代后減少趨勢更為顯著，其中渭河林家村站減少最為明顯。

1971—1993年各站降水量—年份線性關系式的斜率比基準期分別減少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90年代后呈顯著減少的趨勢。潛在蒸散發(fā)量—年份線性關系式的斜率1971—1993年比基準期減少36 mm/a，減少率為2.70%，1994—2015年潛在蒸散發(fā)—年份的線性關系式斜率比基準期增加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系

為了進一步討論人類活動與氣候變化對各時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算降水和人類活動對徑流量的影響。設降水對徑流減少的貢獻率為CP，潛在蒸發(fā)對徑流減少的貢獻率為CE，即氣候變化對徑流減少的貢獻率為CE+CP，人類活動對徑流減少的貢獻率為CH，見表8。可以看出進入1970s以來人類活動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70年代前為受人類活動影響徑流較少時期，后兩時期為受氣候變化和人類活動影響較大的時期。20世紀70年代以來，渭河中游人類活動對徑流量的影響不斷增大。而20世紀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，對徑流量產生較大影響。

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對渭河中游徑流量變化的貢獻率

林家村站與千河站1971—1993年氣候變化對徑流減少的貢獻率為分別為6.21%，8.89%，人類活動對徑流減少的貢獻率分別為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年人類活動仍然是影響徑流減少的主要因素，貢獻率分別為74.72%，62.68%，相對于1971—1993年的影響有所下降，1993年前自然氣候對這兩站徑流減少的貢獻率僅為10%以下，之后貢獻率增加到25%以上。這可能是由于20世紀70年代以來渭河中游開始修建眾多大型的水利水保工程，如馮家山水庫、王家崖水庫、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90年代來氣溫的突變性上升，使?jié)撛谡羯l(fā)量增加，使其對徑流量減少的貢獻率增加，從而導致氣候變化對徑流量減少的貢獻率上升。同時，近些年來渭河中游大型水利水保工程規(guī)模趨于飽和，使得人類活動對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)，人類活動較少，因此這一區(qū)域人類活動對徑流量變化的貢獻率較小。

4 結 論

(1) 渭河中游年均氣溫呈明顯上升趨勢，冬春季節(jié)上升趨勢顯著。氣壓整體上呈微弱上升趨勢；水汽壓呈微弱上升趨勢，風速呈微弱下降趨勢，但變化特征并不明顯。濕度整體上呈下降趨勢。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，1990s后徑流量下降趨勢增強，降水量減少趨勢放緩。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。徑流量與氣溫、氣壓和蒸發(fā)量呈現(xiàn)顯著的負相關關系，與降水量和濕度呈現(xiàn)顯著的正相關關系。蒸發(fā)量與氣溫和氣壓呈現(xiàn)顯著的正相關關系，與濕度、水汽壓和降水量有顯著的負相關關系。降水量與氣溫呈現(xiàn)顯著負相關關系，與濕度呈現(xiàn)顯著的正相關關系，與氣壓的負相關關系不顯著。

(3) 自然氣候對徑流影響表現(xiàn)為，人類活動對徑流量減少的貢獻率大于氣候變化對徑流量的貢獻率，且渭河干流徑流量受人類活動的影響更大，但氣候變化的貢獻率近年來有增長趨勢，1994年前自然氣候對徑流的減少的貢獻率僅為10%以下，之后貢獻率增加到25%以上，這些表明減少人類活動對徑流的影響是實現(xiàn)水文循環(huán)的重要途徑。