基于Budyko假設的洮河與大夏河徑流變化歸因識別

楊 林,趙廣舉,2,*,穆興民,2,田 鵬,高 鵬,2,孫文義,2,張麗梅

1 西北農林科技大學水土保持研究所,黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 楊凌 712100 2 中國科學院水利部水土保持研究所, 楊凌 712100 3 西北農林科技大學資源環境學院, 楊凌 712100

日趨劇烈的人類活動深刻改變流域下墊面,進而影響流域的產匯流機制,導致河流的徑流量等水文要素變化,從而影響水循環過程和水量平衡[1- 2]。近幾十年來,我國在黃河上中游地區實施了大規模的水土保持措施,建設了眾多水利工程。截止2011年,累積建設梯田超過4.5萬km2,淤地壩5.5萬座,植被覆蓋度由20世紀80年代的28%增長到近年的63%[3-4]。這些措施極大的改變了黃河干支流水文過程,由此導致徑流輸沙急劇銳減[5- 8]。黃河水沙變化規律及其歸因識別已引起相關行業部門的極大關注。定量分析其變化的原因,對深入理解流域水文演變機理和規律具有重要的科學意義,對流域水資源科學管理具有現實意義。

針對河川徑流變化影響因素的評估方法已有較多研究,如廣泛應用的水文模型法、水文統計法等[9- 10]。基于Budyko假設的水熱耦合平衡方程可以定量評估氣候變化和人類活動對徑流的敏感性和貢獻量[11- 13],目前,已有許多研究學者利用黃河流域的氣象資料和水文資料擬合水熱關系,證實了Budyko水熱耦合平衡方程理論的適用性[14- 16]。

洮河、大夏河作為黃河上游區重要的一級支流,受氣候變化和人類活動雙重作用,河川徑流發生顯著的變化[17-18]。徑流的豐枯變化必定影響區域的水源供水格局,進而牽動區域內的社會經濟的發展[19-20]。目前,針對洮河、大夏河流域的水文研究多集中在水文氣象要素變化特征方面,而對其徑流變化歸因分析研究較少,且多集中在2015年之前[20-23]。鑒于此,本文以洮河、大夏河流域為研究區域,采用Budyko水熱耦合平衡方程理論量化降雨、潛在蒸散發、下墊面特征系數對徑流變化的影響程度,識別引起流域徑流變化的原因,對深刻理解水循環過程和改善流域水資源管理措施具有理論和實踐意義。

1 研究區概況和數據來源

1.1 研究區概況

洮河流域位于甘肅省西部,介于101°36′— 104°20′E、34°06′—36°01′N(圖1),發源于西傾山北麓,由西向東依次經過碌曲、卓尼、岷縣,岷縣受阻后北拐穿過九甸峽和海甸峽,經東鄉、臨洮等地,在永靖注入黃河。流域總面積24973 km2,干流全長673.2 km,流域以白石山、太子山一線為界,分為青藏高原和黃土高原兩大地貌單元,地貌單元間地理—生態格局天然分異,由地勢平緩的草原區、高山聳立的森林草原區向植被稀疏、水土流失嚴重的黃土區過渡。紅旗水文站是洮河流域的把口站,多年平均徑流量為46.8億m3。

大夏河發源于甘南高原,河源由夏河和咯河(又名：德烏魯河)兩大支流組成(圖1)。大夏河流經夏河縣、合作市、臨夏、東鄉縣注入劉家峽水庫,流域面積6808 km2,主河道長201.9 km,流域內多年平均降水量630 mm,平均蒸發量705.8 mm。折橋水文站是大夏河流域的把口站,多年平均徑流量為4.479億 m3。

圖1 研究區水文、氣象站點空間分布Fig.1 Locations of hydro-climatic stations in the study area

1.2 數據來源與處理

本文選擇洮河流域的紅旗水文站和大夏河流域的折橋水文站(圖1),通過黃河水文年鑒、《黃河泥沙公報》及黃土高原數據中心(http://loess.geodata.cn/hyd/inedx.jsp)獲取兩個水文站的月徑流數據。通過中國氣象數據共享網(http://data.cma.cn)下載獲得流域范圍內12個氣象站點1961—2017年的基礎氣象數據,包括最高溫度、最低溫度、平均溫度、日照時數、平均相對濕度、日降雨量、平均風速。采用世界糧農組織(FAO)修正的Penman-Monteith公式獲取研究區的潛在蒸散發,該方法充分考慮了作物地表特征和空氣動力學的參數的變化[24],廣泛應用于蒸散發計算中[25-26],計算公式如下：

(1)

式中,ET0為潛在蒸散量(mm/d);Δ為飽和水汽壓曲線斜率(kPa/℃);Rn為太陽凈輻射(MJ m-2d-1);G為土壤熱通量(MJ m-2d-1);γ為干濕常數(kPa/℃);U2為2 m高處的風速(m/s);T為平均氣溫(℃);es為平均飽和水汽壓(kPa),ea為實際水汽壓(kPa),(es-ea)為飽和水汽壓差(kPa)。

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall 趨勢檢驗和突變檢驗

Mann-Kendall(MK)趨勢檢驗和Mann-Kendall突變檢驗分析是水文時間序列常用的方法,能夠很好地反映河川徑流變化發展規律,具有精確度高、不受異常值干擾、適用于非正態分布數據的優點。計算方法詳見參考文獻[8, 27]。

2.2 徑流變化歸因識別

基于Budyko水熱耦合平衡理論量化氣候變異和人類干擾對徑流變化的敏感性和貢獻率,能夠準確、快速識別引導徑流變化的主導因素,在研究氣候變化和下墊面變化對徑流影響程度分析中廣泛應用[15, 28]。

2.2.1敏感性分析

基于Budyko水熱耦合平衡方程計算長時間尺度下的實際蒸散發[29],其方程基本形式為：

(2)

式中：ET表示流域年實際蒸散發(mm),P表示年降雨量(mm),ET0表示年潛在蒸散發(mm),參數ω代表流域的下墊面參數(無量綱),與土壤性質、地形和植被相關[30-31]。

在多年尺度上,閉合流域滿足水量平衡關系,即：

R=P-ET

(3)

式中,R為多年平均徑流深(mm)；P為多年平均降雨量(mm)；ET為多年平均實際蒸散量(mm)。將方程(2)代入方程(3)可以得到：

(4)

假設P、ET0和ω是獨立的變量,公式(3)可以改寫為R=f(P,ET0,ω),徑流深可以表達為：

(5)

(6)

進一步推導,各彈性系數表達式為(?=ET0/P)：

(7)

(8)

(9)

降雨、潛在蒸散發、下墊面的徑流彈性系數由(7)—(9)式求得,彈性系數的正負表示徑流與該因子的正負相關關系,彈性系數的絕對值大小表示該因子對徑流變化的影響程度。

2.2.2徑流變化的貢獻率分析

如果徑流發生顯著性變化,基于突變點,研究時期分為基準期和若干人類活動期,基準期和人類活動期的徑流深變化為ΔR,理論上徑流深變化可以歸因于降雨、潛在蒸散發、下墊面狀況改變三方面,由公式(10)計算單個因素引起的徑流深變化表達為：

(10)

式中i代表降雨P、潛在蒸散發ET0、下墊面系數ω。

通過計算可以分別獲得人類活動期降雨、潛在蒸散發、下墊面系數相對基準期引起的徑流深變化為ΔRP、ΔRET0、ΔRω,從而計算單個因素對徑流變化貢獻率為：

ηi=ΔRi/ΔR×100%

(11)

其中ηi表示降雨、潛在蒸散發、下墊面系數對徑流變化的貢獻率。

3 結果與分析

3.1 水文氣象要素特征

洮河和大夏河流域的徑流特征如表1所示,結果表明：洮河流域的多年平均徑流深為177.71 mm,是大夏河121.49 mm的1.41倍。大夏河年際徑流深極值比為22.66,是洮河的5—6倍,表明大夏河年際徑流深差異明顯,這主要與大夏河南北地域差異性和季風性氣候引起的降雨時空分布有關。采用非參數MK趨勢檢驗流域徑流深的變化趨勢可知：洮河、大夏河流域的徑流深均呈現減少趨勢,顯著性超過99%。圖2為流域年徑流深的線性擬合,由此可知,洮河、大夏河1961—2017年徑流深減少速率分別為-1.85 mm/a、-1.36 mm/a。Mann-Kendall突變點檢驗發現,洮河、大夏河徑流突變分別發生在1987、1985年,突變之后人類活動期徑流相對變化率超過30%。

表1 流域水文氣候變化特征

圖2 徑流變化趨勢和突變檢驗Fig.2 Runoff changing trends and abrupt changesUFk：MK正序檢驗統計量 MK normal series test statistics； UBk：MK逆序檢驗統計量 MK inverse series test statistics

流域降雨、蒸發等氣象因素直接影響著河川徑流變化。采用MK趨勢檢驗分析研究區降雨、潛在蒸散發變化特征發現(表1),洮河、大夏河年降雨量無顯著的變化趨勢,年降雨量變化速率分別為-1.08、0.005 mm/a(圖3)；而洮河和大夏河流域年潛在蒸散發顯著增長(P≥0.01),增長速率分別為0.6、1.46 mm/a,2000年之后年潛在蒸散發均超過850 mm,這與黃河流域整體增溫變暖一致。

圖3 研究區氣象變化趨勢Fig.3 Climate changing trends in the study area

3.2 徑流變化歸因分析

3.2.1徑流對氣候和下墊面變化的敏感性分析

基于Budyko水熱耦合平衡方程理論計算洮河流域和大夏河流域各時段水文特征以及徑流對降雨量、潛在蒸散發、下墊面參數的彈性系數(表2)。分析發現：洮河、大夏河流域在人類活動期降雨量、徑流深相對基準期均減少,年潛在蒸散發增加,徑流系數減少,降雨轉換為蒸散發的比例增加。

表2 氣象水文變量特征

總體而言,洮河、大夏河流域徑流變化與ET0、ω呈負相關,與P呈正相關。對比突變點前后的兩個時段,洮河流域的降雨彈性系數由1961—1987年的1.67,增加到1988—2017年的1.92,說明同樣的降水增加10%時,1987年以前會使洮河徑流增加16.7%,則會使1987年之后增加19.2%,表明降水對徑流的影響程度進一步加強；同理,潛在蒸散發或者下墊面參數ω增加10%時,1987年以前分別會使洮河徑流減少6.7%或者10.8%,1987年之后分別會使徑流減少9.2%或者13.1%。同理,大夏河流域的降雨、潛在蒸散發、下墊面特征參數分別增加10%,1985年以前分別會使大夏河徑流增加19.2%、減少9.2%、減少11%,1985年之后徑流分別增加23.1%、減少13.1%、減少16%。通過對比降雨、潛在蒸散發、下墊面參數ω彈性系數絕對值大小,降雨彈性系數最大,下墊面次之,潛在蒸散發最小,揭示了洮河、大夏河對降雨補給最敏感,降水量的增減,直接決定流域水量的多少；下墊面對流域降水攔蓄截留,改變產流過程的填洼、下滲和土壤蓄水能力,匯流過程中的地表糙率、河流水文路徑等水文過程。

圖4反映了洮河、大夏河流域1961—2017年干旱指數(ET0/P)和降雨、潛在蒸散發、下墊面彈性系數的年際變化趨勢,干旱指數呈現上升趨勢,流域內暖干化現象顯著,降雨、潛在蒸散發彈性系數絕對值呈現顯著的上升趨勢(P<0.01),反映了流域徑流變化對氣象要素的敏感性增強。

圖4 干旱指數、彈性系數年際變化Fig.4 Interannual changes of drought index and elasticity coefficients

3.3 徑流變化的歸因識別

基于Budyko水熱耦合平衡方程理論量化氣候變化和下墊面條件對徑流過程的影響程度(表3)。由表可知,理論計算的徑流深變化(dR)和實際徑流深變化(dR＇)數值接近(二者誤差的絕對值δ<5),表明本研究評估徑流變化歸因的方法是可行的。洮河流域和大夏河流域人類活動期相對于基準期,降雨、潛在蒸散量和下墊面狀況對徑流的貢獻有較大差異。與基準期相比,洮河流域的徑流減少31%,下墊面變化對徑流減少的貢獻占比最高(63.68%),其次為降雨,貢獻33.99%,潛在蒸散發貢獻最小。大夏河流域人類活動期相比于基準期,下墊面變化對徑流貢獻為76.87%,降雨和潛在蒸散發貢獻接近,分別貢獻10.50%和12.63%。

綜上,下墊面條件是引起洮河、大夏河流域徑流減少的主要因素,降雨次之,潛在蒸散發影響程度最小。流域2000年之后降水頗豐,但徑流深基本保持在150 mm左右,可見下墊面狀況的改變對流域的產匯流過程產生了深刻的影響。

表3 徑流變化歸因識別

4 討論

4.1 流域特征參數ω的含義

Budyko方程的唯一參數ω,是一個區域下墊面特征綜合體現,一般認為主要受地形、土壤、植被因素的影響。已有學者針對人類活動影響較弱的地區建立了區域相對入滲能力、相對土壤水儲量、平均坡度三者的函數求解ω的關系[14],研究發現流域在較短時間內地形和土壤性質的變異性相對較弱,參數ω主要反映下墊面植被的變化。20世紀末,黃土高原實施退耕還林(草)、荒山造林等一系列大規模生態修復工程,植被狀況顯著改善,覆蓋度由上世紀80年代的28%增加至近年的63%[21]。同時,學者針對洮河流域內1980—2010年歸一化植被指數(NDVI)研究分析發現,春、秋季植被生長旺盛,流域范圍內NDVI顯著增加[32]。洮河、大夏河流域范圍內梯田的修建、植被覆蓋的增加深刻地改變了流域下墊面的狀況,人類活動期的下墊面參數ω相比于基準期分別增長了19.05%、25.6%,表明流域中降水轉化為蒸散發的比例增加,這與流域中植被覆蓋度變化密切相關,植被覆蓋度的增加導致冠層截留增加,同時改變了產流過程中的填洼、下滲和土壤蓄水能力和匯流過程中地表糙率、地表蓄水量、河道匯水路徑等水文過程,延長產匯流時間,增加了蒸散發。1990年之后徑流減少30%以上,植被變化是控制流域的下墊面狀況的主導因素,但是流域中植被變化驅動的水文過程變化機理研究相對較少,后期需要進一步加強。

4.2 河川徑流變化主要驅動因素

采用Budyko水熱耦合平衡方程理論對徑流影響因素的彈性系數進行分析發現,氣候因子的彈性系數絕對值最大,表明氣候變化直接影響著流域水文循環過程。洮河、大夏河流域人類活動期的徑流較基準期均呈顯著減少,盡管下墊面的彈性系數介于1—1.3之間,但下墊面狀況的改變對徑流深變化的貢獻率超過了60%,與已有的研究結果一致[23]。流域內降雨年際變化不均勻,平水年和枯水年交替出現,洮河、大夏河流域在2003年之后,降水量相對頗豐,但徑流深分別減少26.08%、28.61%,表明流域內徑流的改變與降雨變化不同步,因此,流域下墊面變化是河川徑流銳減的主導因素。統計研究區的治理措施發現,20世紀70年代末,洮河、大夏河流域均實施小流域綜合治理,修筑梯田、淤地壩等水土保持措施,并于1999年開展退耕還林草工程,截止2015年,洮河流域修筑梯田2116 km2,退耕還林面積達561 km2,修建水利水電工程及水庫62座,中型淤地壩6座,灌溉面積達到6.03萬hm2[23, 33]；大夏河流域至2010年底,興修梯田2.11萬hm2,營造林草面積達2.41萬hm2,修建谷坊380座、淤地壩7座,水土流失治理率初步達到43.5%[34],這些舉措深刻地改變了流域下墊面條件,影響了產匯流機制,由此可以看出,研究區下墊面的變化深刻地改變了流域的水文過程。

5 結論

本文以黃河上游支流洮河、大夏河流域為研究對象,采用Mann-Kendall趨勢檢驗、突變等方法分析流域1961—2017年徑流序列變化,基于Budyko水熱耦合方程理論量化氣候變化和人類活動對徑流變化的貢獻,主要結論如下：

洮河流域、大夏河流域徑流深均顯著減少,變化速率分別為-1.85 mm/a、-1.36mm/a。兩個流域的年降雨量未發生顯著變化,但年潛在蒸散發量顯著增加(P<0.01)。采用Mann-Kendall突變檢驗識別洮河、大夏河年徑流階段變化特征,人類活動影響較小的時期分別為1961—1987、1961—1985年,人類活動影響劇烈期為1988—2017年、1986—2017年。

依據Budyko水熱耦合平衡方程識別徑流變化的主導因素,研究發現人類活動引起的洮河、大夏河流域下墊面變化是徑流變化的主要因素,分別貢獻63.68%和76.87%。洮河、大夏河流域的徑流減少主要受下墊面變化的控制,降雨量次之,潛在蒸散發影響最弱。