黃土高原溝壑區典型小流域徑流變化趨勢及歸因分析

王 隴, 宋孝玉, 李藍君, 張 玲, 劉 雨, 李懷有, 李垚林

(1.西安理工大學 省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室, 西安 710048;2.黃委會西峰水土保持科學試驗站, 甘肅 西峰 745000)

黃河流域是我國重要的糧食、能源和化工聚集地，但自古以來黃河水旱災害頻發、水少沙多以及治理困難等問題始終存在。且20世紀80年代末以來，黃河干流實際來水量逐年減少，下游河道連年斷流[1]。這些問題產生的原因，表象似在黃河，根子實在流域[2]。地處黃河中游的黃土高原是我國四大高原之一，也是中華文明的發源地之一，總面積達64萬km2，是地球上分布最為集中且面積最大的黃土區域[3]，也是世界上水土流失最為嚴重、生態環境最為脆弱的區域之一[2]。為治理水土流失，我國自1999年以來實施了退耕還林(草)工程，使黃河的多年平均輸沙量從20世紀的16億t減少到了21世紀的3億t左右[4]，降幅達80%；但多年平均徑流量也從580億m3減少到了470億m3左右[4]；工業發展、農業生活用水和生態恢復用水矛盾進一步凸顯。因此，研究黃土高原水文循環的基本單元——小流域，探究其徑流變化趨勢及其歸因分析十分必要。

夏露等[5]以硯瓦川流域為研究對象，對該流域1981—2012年的徑流變化進行了演變特征和驅動因素的分析，定量評價了降水和水土保持措施對于徑流變化的貢獻程度；蔣觀滔等[6]基于1971—2010年北洛河上游水文數據，定量分析了氣候因素和人類活動對徑流變化的貢獻率；李志等[7]研究了1972—2000年黑河流域氣候和人類活動對于徑流的影響。上述研究都揭示了研究流域在特定研究時段內徑流變化歸因。但是，由于水文資料的限制，目前大部分對于小流域徑流的研究資料序列都較短，且數據系列多在我國第12個五年規劃之前，難以跟蹤最新的徑流變化情勢，匹配其他相關研究成果。而南小河溝作為黃委會于1952年確立的黃土溝壑區典型小流域，截至目前已經進行了近70 a的流域綜合治理探索實踐，擁有較為完整的水文實測資料。科技工作者們基于該流域進行了較多研究，但對其徑流變化趨勢及其歸因分析的研究卻未見報道。

因此，本文以南小河溝流域為研究區域，在分析流域水文要素的變化趨勢及其徑流變化與氣候因子和人類活動關系的基礎上，通過不同方法定量揭示氣候及人類活動對徑流變化的貢獻率，綜合分析黃土高原溝壑區徑流變化歸因，為下一步小流域治理規劃的改進、黃河流域生態保護和高質量發展提供科學依據和研究參考。

1 研究區概況

南小河溝流域(107°30′—107°37′E，35°41′—35°44′N)地處甘肅省慶陽市后官寨鄉境內[8]，系涇河二級支流。流域總面積38.9 km2。多年平均降水量為546.8 mm，年內分配極為不均，5—9月份降水量占全年降水量的76.9%，年平均氣溫為9.3℃[9]。

流域自1951年開始進行水土保持治理，1954年開始進行水土流失觀測。流域主溝道溝口設置有流域控制站——十八畝臺徑流泥沙觀測站(107°32′09″E，35°42′02″N)。流域內有兩條支溝，即楊家溝與董莊溝。其中，董莊溝作為對照觀測支溝，未進行任何治理。在以生物固溝措施為主的楊家溝和非治理的董莊溝分別布設了楊家溝徑流站、董莊溝徑流站，在流域中游花果山水庫出口布設了花果山水庫出口徑流站。十八畝臺徑流站集水面積30.6 km2，主要進行流域水土流失規律觀測和水土保持綜合治理效益觀測[10]；楊家溝徑流站集水面積0.87 km2，董莊溝徑流站集水面積1.15 km2，是生物固溝(楊家溝)與非治理溝(董莊溝)對比觀測站。1954年開始布設徑流場，主要進行不同地形部位即不同下墊面徑流泥沙來源觀測、單項水土保持措施效益觀測和水土流失規律觀測，分為農地、林地、人工牧草和天然荒坡4大類，數量一百余個。在觀測徑流泥沙的同時，南小河溝流域也設有雨量觀測站，包括十八畝臺、楊家溝、下寺肴(107°33′26″E，35°41′14″N)、南佐(107°35′19″E，35°41′37″N)、方家溝畎(107°36′01″E，35°42′56″N)、馬家集(107°34′14″E，35°43′37″N)、路家堡(107°33′08″E，35°43′15″N)等[10]。

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源

研究所用的數據來自于流域內所設相關測站，包括：(1) 水文資料：南小河溝流域典型時期1958—2017年流域控制測站十八畝臺測站的年徑流量及十八畝臺、下寺肴、南佐、方家溝畎、馬家集、路家堡6個雨量站的年降雨量，面降雨量采用泰森多邊形法計算得到，十八畝臺測站的控制面積是30.6 km2；(2) 下墊面資料：1958—2017年，黃委會西峰水保站對南小河溝流域歷年植被恢復和土地利用面積的統計數據，包括林地、草地恢復面積及農地、未利用地和建筑用地面積的動態變化。

2.2 研究方法

目前關于徑流問題的研究，研究者采用的方法各有特點，但都著眼于將資料序列分為兩個時期，一是基準期，二是變化期[11]。基準期一般為未大規模治理或者治理措施有限的時期，變化期為進行了大規模人類活動或者增加了新的水土保持措施之后，對研究區的徑流情況產生了明顯改變的時期。本文首先對年降雨、徑流數據進行趨勢分析及突變點檢驗，劃分出兩個時期。之后采用雙累積曲線法和彈性系數法定量分析氣候因子和人類活動對于徑流變化的貢獻率，并引入土地利用面積，探討人類活動的具體表現及其影響。

2.2.1 變化趨勢分析及突變點確定 進行水文資料趨勢分析和突變點檢驗經常采用的方法可分為兩類：一是基于原始數據的參數統計分析，如距平累積法、滑動t檢驗法和線性回歸法；二是非參數秩檢驗統計法，如斯波爾曼秩檢驗和曼肯德爾秩和檢驗[12]。本文選用了應用廣泛的Mann-Kendall(M-K)檢驗法。M-K法是一種非參數統計檢驗方法[5]。該方法的優點是不要求樣本遵從一定的分布，也不受少數特別值的干擾，更適用于類型變量和順序變量，計算也比較方便[5]。

2.2.2 徑流變化歸因分析 對于黃河流域徑流變化歸因分析，研究方法主要有5類：彈性系數法[13]、模型模擬法[14]、雙累積曲線法、累積量斜率變化率比較法[15]。其中雙累積曲線法使用簡單，應用最為廣泛，而彈性系數法則能系統考慮氣候變化與植物生長的互饋關系，使徑流變化與各個因素關系更加明晰。因此，本文采用了雙累積曲線法和彈性系數法來進行徑流變化的歸因分析：

(1) 雙累積曲線法。雙累積曲線法是對于時間序列進行分析的一種常用方法[16]。本文采用年降雨—徑流深累積值，按照相同的時間步長繪制雙累積曲線。根據曲線和基準期的實測資料，經過回歸分析可以得出基準期的累積降雨量與累積徑流深的關系方程。將變化期的實測降雨累積值代入上述方程中，計算對應的徑流深累積值，與變化期的實測資料進行對比，相差部分即為人類活動影響下的徑流量變化量。

(2) 彈性系數法。徑流的的氣候(下墊面)彈性系數的定義是：單位的氣候(下墊面)要素變化所導致的流域徑流量的變化[17]。本研究中，氣候變化主要考慮降水和潛在蒸散發的變化，而下墊面因素主要考慮人類活動，即修建水土保持工程措施和植樹、種草等植被恢復措施[18]。彈性系數法以流域的水量平衡方程[公式(1)]和傅抱璞水熱耦合平衡方程[公式(2)]為基礎，具體表示為：

P=E+R

(1)

(2)

式中：E，P，R分別為多年平均的年實際蒸散發量(mm)、多年平均的年降水量(mm)、多年平均的年徑流深(mm)；E0是多年平均潛在蒸發量(mm)；n是下墊面參數，由試算法計算得出。

根據公式(1)—(2)，徑流量對各P，E0以及n的偏導結果如下：

(3)

(4)

(5)

根據schaake[19]對彈性系數的定義，徑流的降水彈性系數(ερ)和徑流的潛在蒸散發彈性系數(εE0)以及下墊面的彈性系數(εn)可分別表示如下：

(6)

(7)

(8)

3 結果與分析

3.1 流域降雨徑流變化趨勢及突變點分析

采用M-K檢驗法對南小河溝流域1958—2017年降雨量與徑流量序列進行趨勢分析及突變檢驗，結果分別如圖1—2所示。

圖1 南小河溝流域年降雨量M-K趨勢及突變檢驗結果

圖2 南小河溝流域年徑流量M-K趨勢及突變檢驗結果

由圖1可以看出，年降雨的M-K統計值在1958—1963年和1982—2017年都小于0，表明降雨呈減小趨勢，但趨勢并不顯著；1964—1981年則是大于0，呈增加趨勢，增加趨勢同樣不顯著；年降雨量M-K統計值并未超出95%置信區間，表明南小河溝流域降雨并未發生突變。由圖2可以看出，徑流的M-K值在1958—1959年和1964—1973年大于0，徑流呈增大趨勢，但并未超出置信上界，增加趨勢不顯著；其余年份徑流的M-K值均小于0，且超出了置信下界，減小趨勢顯著。UF和UB相交3次，且交點在突變區域和臨界線內，因此需要使用雙累積曲線法來進一步確定徑流的突變點，結果見圖3。

圖3 南小河溝降雨徑流雙累積曲線

由圖3可以看出，降雨—徑流雙累積曲線在1985年之后直線斜率發生了明顯變化，在2012年也出現了一定變化，這也與20世紀80年代初南小河溝流域大規模造林，林木減水作用期以及2010年補充造林的作用期相吻合，結合圖2可以判斷出徑流的突變點在1985年。根據突變檢驗結果，本研究將資料序列分為兩個時期，以1958—1985年作為基準期，以1986—2017年作為變化期，對這兩個時期內氣候和人類活動對于徑流變化的貢獻率進行定量評估。

3.2 氣候和人類活動對于流域徑流變化貢獻的定量分析

3.2.1 基于雙累積曲線法的徑流變化歸因分析 根據突變檢驗的結果，分別統計南小河溝流域基準期、變化期的降雨量、徑流量變化情況，結果見表1。

表1 南小河溝流域降雨徑流變化

比較基準期和變化期降雨和徑流的均值、標準差和變差系數可知，變化期降雨的均值、標準差和變差系數分別為501.1 mm，76.8，0.15，均值比基準期減少了9.47%，標準差和變差系數與基準期相比變化微弱，與趨勢分析及突變檢驗結果相吻合；變化期徑流量的均值、標準差和變差系數分別為22.6 mm，18.5，0.82，相比基準期，均值減少了36.34%，標準差減少了32.73%，變差系數增大了6.49%，徑流的均值和標準差下降幅度較大，符合上文的結果。

降雨徑流雙累積曲線圖(圖3)結果顯示，變化期的降雨徑流累積曲線的斜率明顯小于基準期，經過回歸分析可以得到變化期和基準期的線性擬合方程，將變化期的累積降雨量代入基準期的回歸方程中，即可計算出單純氣候因素影響下的徑流量變化量，與實測值進行比較差值部分即為人類活動影響下的徑流變化量，進而可以求得二者的貢獻率，結果見表2。

表2 基于雙累積曲線法的徑流歸因分析結果

由表2可知，變化期的多年平均徑流量較基準期減少12.9 mm，其中，在氣候條件(多年平均降雨量減少)作用下，會減少0.9 mm，貢獻率為7.0%；人類活動作用下，多年平均徑流量減少12.0 mm，貢獻率為93.0%。可以看出，在1958—2017年人類活動是南小河溝流域徑流變化的主要原因。

3.2.2 基于彈性系數法的徑流變化歸因分析 由水量平衡公式計算出年均實際蒸散發E，依關系式反算出下墊面參數n。將E，n和潛在蒸散發E0[20-21]代入公式(2)—(8)中計算得到徑流的降雨、潛在蒸散發和下墊面彈性系數[17]，結果見表3。

表3 南小河溝流域徑流彈性系數

由表3可以看出，下墊面參數從基準期的4.00減小到了3.24；由于研究時段內流域的地形和土壤條件處于穩態，因此，n的減小主要是由于人類活動引起。氣候條件通過改變降水和潛在蒸散量來影響徑流量，而人類活動主要通過改變實際蒸散發來影響徑流量[22]。根據1958—2017年南小河溝流域徑流的彈性評估結果(表3)來看，當降水、潛在蒸散發、下墊面每變化1%時，徑流分別變化3.57%，-2.54%，-3.19%。3個彈性系數中，徑流的降雨彈性系數最大、下墊面彈性系數次之、潛在蒸散發彈性系數最小。說明南小河溝流域徑流變化對于降雨的敏感性最高、其次是下墊面，對潛在蒸散發的敏感性最弱。

由表4可知，對于徑流減少的貢獻中，降雨為-30.4%，潛在蒸散發為73.0%，下墊面變化為57.4%。由此可知，氣候變化對于徑流減少的總貢獻率為42.6%，下墊面變化對于徑流減少的貢獻率為57.4%，可見下墊面即人類活動對于徑流變化的影響仍然占據主導地位。

表4 南小河溝流域徑流變化貢獻率結果

4 討 論

本文通過雙累積曲線法和彈性系數法兩種方法分別進行了南小河溝流域徑流的歸因分析，得出了一致的結論，即南小河溝流域1958—2017年內徑流變化的主要影響因素為人類活動。夏露等[5]使用雙累積曲線法研究黃土高原溝壑區硯瓦川流域徑流變化驅動力發現，降水對于徑流減少的貢獻率為-37.9%，水保措施對于徑流減少的貢獻率為137.9%，水保措施為主要驅動力；張凱等[23]使用雙累積曲線法對汾河上中游研究顯示，降水和人類活動對于徑流降低的貢獻率分別為29%，71%，人類活動為主要影響因素；楊大文等[24]基于流域水熱耦合平衡方程，對黃河流域38個典型流域的徑流變化成因分析發現，人類活動為主要驅動力；黨素珍等[25]采用彈性系數法分析了涇河上游1973—2010年水沙變化，發現氣候變化對涇河上游流域徑流減少的貢獻率為36.8%～43.8%，而人類活動的貢獻率為56.2%～63.2%。綜上所述，表明本文應用雙累積曲線法和彈性系數法對于黃土高原典型小流域——南小河溝徑流變化的歸因分析結論與其他研究人員的已有研究成果一致。這是由于20世紀90年代末，我國開展了大規模的退耕還林(草)工程，植被覆蓋率大幅提高、水土保持效果顯著；經濟發展迅速，工農業機械化、規模化等產生了大量的需水和耗水，之后人類活動便成為了徑流變化的主要影響因素。

相比而言，南小河溝流域地處水土流失最為嚴重的區域，也是進行系統治理探索最早的流域之一，徑流的影響也更為復雜，更有研究價值。根據實際的治理情況和收集到的1954年、1969年、1980年、2000年和2012年5期的土地利用數據(表5)[21]可以發現：南小河溝流域的土地主要分為林地、草地、農地、未利用地和建筑用地這5類。林地的面積除在2000年時出現了減少以外，一直在不斷的增長，從治理初期的83.5 hm2到2012年的974.4 hm2，增幅達到1 066.9%；草地面積則從1 161.1 hm2一直減少到了384.6 hm2，降幅達到201.9%；農地面積則是從1954—2000年一直在穩定增長，到2000年時，增長了近一倍，但在2012年又回落到了治理初期的水平；未利用地從610 hm2，下降到2012年的326.1 hm2，減少了46.5%；建筑用地從2.3 hm2增加到了159.1 hm2，增幅最大，但所占面積最小。南小河溝流域這一系列土地利用過程體現了人類活動在干預水文循環過程中的波動性、生態治理與經濟民生發展的相互需要和妥協。結合本研究得出的結果，可以看出，流域變綠會增加耗水，使得徑流量顯著減少，或是會使得潛在蒸散發增大導致徑流的減少；同時，隨著開墾土地、發展經濟也會使得徑流減少，用水矛盾將進一步顯現。

表5 南小河溝流域5期土地利用類型及其面積 hm2

研究結果的相互驗證，也表明了兩種研究方法在該區域的適用性和可靠性。同時，研究結果顯示，雙累積曲線法計算得到的氣候變化和人類活動對于徑流變化貢獻率的絕對值與彈性系數法得到結果的絕對值相差較大，這是由于雙累積曲線法只是構建了降雨與徑流的相關關系，忽略了氣候因素中潛在蒸散發對于徑流變化的影響，將被忽略的部分歸入了人類活動之中，結果顯示便偏大，鄭培龍等[26]對涇河流域徑流歸因分析結果顯示人類活動對于徑流變化占絕對主導地位，而氣候變化影響很小，與本文研究結果一致；而彈性系數法則充分考慮了水熱關系及下墊面變化對于徑流的作用，分離出了氣候條件中降雨和潛在蒸散發以及下墊面變化即人類活動各自對于徑流變化的貢獻率。這便是上述差異產生的原因，二者的結果都是合理的，但根據計算結果，對于黃土溝壑區小流域徑流歸因分析的方法使用較之于雙累積曲線法，更推薦彈性系數法。

流域中，氣候條件和人類活動對于徑流變化的作用事實上是復雜且相互交織的，研究發現，雙累積曲線法雖然能夠分離出氣候變化和人類活動對于徑流變化的貢獻率，但是彈性系數法較之于雙累積曲線法的優勢在于能夠適當描述植被不同生長階段與水文過程的互饋關系，因此能直接考慮植被生長程度對徑流變化的影響。通過基于該類方法的數據分析，可以進一步分離出氣候變化導致的下墊面變化(不同植被生長情況)、人類活動導致的下墊面變化(地貌與土地利用動態變化)[27]。因此結果分析也更加全面。但本研究假設流域在研究時段內降雨都轉化為蒸發和徑流，未考慮土壤含水量的變化，下一步應該結合水文模型模擬流域水文循環過程對徑流的歸因分析開展深入研究。

5 結 論

(1) 通過M-K秩次檢驗和雙累積曲線法可以得知，南小河溝流域年徑流量的突變點出現在1985年，而降雨并未發生突變。因而將資料序列分為基準期(1958—1985年)和變化期(1986—2017年)，M-K值顯示，降雨的變化在基準期存在波動，但在變化期則表現為不顯著的下降趨勢；徑流在基準期也存在波動變化，但在變化期則表現為顯著的下降趨勢。

(2) 南小河溝流域徑流歸因分析結果表明：雙累積曲線法計算得到氣候變化和人類活動對于徑流減少的貢獻率分別為7.0%，93.0%；彈性系數法計算得出氣候變化和人類活動對于徑流減少的貢獻率分別為42.6%，57.4%；人類活動為南小河溝流域徑流變化的主要影響因素。

(3) 相比于雙累積曲線法，對于黃土高原溝壑區典型小流域的徑流變化歸因分析更推薦彈性系數法。