渭河流域气候变化与人类活动对径流影响的定量分析

郭爱军，畅建霞，黄 强，孙佳宁

(西安理工大学 西北水资源与环境生态教育部重点实验室，陕西 西安 710048)

近百年来，全球环境变化剧烈，气温显著升高；同时，大规模水利工程、农田水利建设、城市化进程和水土保持工程等人类活动，改变了水文过程的下垫面条件和水循环速度。气候变化和人类活动的双重影响，引发了一系列水资源问题，特别是对河川径流的影响日益剧烈。合理地定量分析气候变化和人类活动对流域水资源的影响，在流域治理、水资源高效利用、提高气候变化影响认识等方面有着极其重要的意义[1]。

渭河是黄河第一大支流，是关中平原93.33万hm2良田的灌溉水源[2]。然而，近50年来，渭河河川径流呈明显减少的趋势，尤其在20世纪90年代后期，渭河流域的平均入黄水量仅有35.99亿m3，比50年代均值减少了62.06亿m3，对社会发展和沿岸生态环境造成了极其不利的影响[3]。研究表明，降水量的减少和日益频繁的人类活动是渭河流域径流减少的重要影响因素[4]； 20世纪90年代以来，与多年平均值相比，降雨量和水土保持措施对渭河入黄径流量减少的贡献率分别为68.2%和8.5%[5]。但至今尚未见定量分析气候变化和人类活动对渭河流域径流变化影响的相关报道。

为此，本研究选取渭河流域21个气象站、华县水文站以及状头水文站1960-2005年的径流和气象资料，研究渭河流域径流序列的变异年份，并在此基础上，采用累积量斜率变化率比较法定量计算气候变化(降水和蒸发)和人类活动对渭河流域径流变化量的贡献率，以期为渭河流域水资源可持续利用与管理提供理论依据。

1 研究区域概况

渭河发源于甘肃渭源县鸟鼠山，流经甘肃、宁夏、陕西3省(区)，在陕西潼关注入黄河，干流全长 818 km，流域总面积 13.5万km2。渭河流域内地貌复杂，主要有黄土丘陵沟壑区、黄土阶地区、河谷冲积平原区和土石山区等类型。渭河流域属典型的大陆性季风气候，处于暖温带半湿润气候区，多年平均降水量634.9 mm，冬季干燥寒冷，降水稀少，夏季高温多雨，降水量年内分配差异大，主要集中在7-10月，约占全年降水量的60%以上，且多以暴雨形式集中降落。流域多年平均气温在9.1～13.4 ℃，由东向西、由渭河向两侧呈递减趋势，最冷月平均气温-1～-3 ℃，最热月平均气温为23～26 ℃，气温差一般为26～28 ℃[6]。流域各地多年平均水面蒸发量为660～1 600 mm，最大蒸发量多发生在6、7月份，连续4个月最大蒸发量可占年蒸发量的46%～58%[7]。北洛河是渭河的第二大支流，发源于陕西省吴旗县白于山，流经吴旗、志丹等县，在大荔注入渭河，流域地处暖温带，属大陆性气候。年均降水量470～600 mm，7-9月降水占全年的50%～63%，且多以暴雨形式出现[8]。

自20世纪70年代开始，渭河流域开始修建大量的水利水保工程，截至1996年底，流域内累计兴修梯田52.85万hm2，完成造林75.66万hm2，种草20.54 万hm2，修筑淤地坝2 336座、淤成坝地0.32万hm2，建成100万m3以上水库151座，如冯家山水库和石头河水库等，各类水库总库容达16.8亿m3，万亩以上灌区99处，如陇丰渠、宝鸡渠、交口抽渭灌区等[9]。

2 基本资料的获取

本研究收集了华县水文站和状头水文站的月径流资料(黄河流域水文年鉴)，以2站年径流量之和为渭河流域年径流量；渭河流域21个气象站的资料(含降水、气温、风速等)收集自中国气象科学数据共享服务网，为保证资料系列的同步性和具有较长的观测系列，径流和气象资料均采用1960-2005年共46年的资料系列。潜在蒸发量采用世界粮农组织(FAO)推荐的FAO Penman-Menteith 公式计算得到[10]。渭河流域的降水量与潜在蒸发量根据各站点降雨与潜在蒸发量，采用基于ArcGis平台的泰森多边形法计算而来。图1为渭河流域气象及水文站点分布图。

3 研究方法

本研究采用累积距平法与Mann-Kendall法诊断渭河流域径流序列的变异点。

3.1 累积距平法[11]

累积距平法是由曲线直观判断离散数据点变化趋势的一种非线性统计方法。对于序列x，其某一时刻t的累积距平可以表示为：

(1)

将n个时刻的累积距平值全部算出，即可绘出累积距平曲线进行趋势分析。累积距平曲线呈上升趋势，表示距平值增加，呈下降趋势则表示距平值减小。从曲线的起伏可以诊断出发生变异的年份。

图 1 渭河流域气象及水文站点分布图

3.2 Mann-Kendall法[11]

Mann-Kendall检验法最初由Mann[12]与Kendall[13]提出，现已成为世界气象组织推荐并已广泛使用的非参数检验方法，此方法不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，适用水文、气象等非正态分布的数据，计算简便。

对于具有ri个样本量的时间序列x，构造一秩序列：

(2)

式中：Sk是第i时刻数值大于第j时刻数值个数的累计数，ri表示第i个样本xi>xj(1≤j≤i)的累计数。

假定时间序列随机独立，定义如下统计量：

(k=1,2,…,n)。

(3)

式中：UFk为标准正态分布；E(Sk)、Var(Sk)分别是Sk的均值和方差，其中E(Sk)=k(k-1)；Var(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72。

给定置信度α，若|UFk|>Uα/2，则表示时间序列有明显的变化趋势存在。

将时间序列x按逆序排列，再按上式计算，同时使

(4)

将UFk和UBk绘制成曲线UF和UB，若UF和UB2条曲线在临界直线之间出现交点，那么该交点就是变异开始的时间。

3.3 累积量斜率变化率比较法[14]

本研究中，采用累积量斜率变化率比较法计算气候变化(降水和潜在蒸发)和人类活动对径流变化量的贡献率，相比于多元回归法(多元回归法计算气候变化及人类活动对径流变化的贡献率时，各影响因素的权重分摊具有人为性，且各影响因素之间的复相关系数较小，因此结果精度较小)，累积量斜率变化率比较法引入了年份与累积量，有效地避免了多元回归法的不足，因此具有更大的适应性。

设累积径流量-年份线性关系式的斜率在拐点前后2个时期的径流量分别为SRb和SRa(108m3/年)，累积降水量-年份线性关系式的斜率在拐点前后2个时期的降水量分别为SPb和SPa(mm/年)，则累积径流量斜率变化率为(SRa-SRb)/|SRb|，同样,累积降水量斜率变化率为(SPa-SPb)/|SPb|，那么降水量对径流量变化的贡献率Cp(%)为：

Cp=(SPa-SPb)/|SPb|/((SRa-SRb)/|SRb|)×100%。

(5)

同样，可计算潜在蒸发对径流量变化的贡献率。设累积潜在蒸发量-年份线性关系式的斜率在拐点前后2个时期的潜在蒸发量分别SEb和SEa(mm/年)，则累积潜在蒸发量斜率变化率为(SEa-SEb)/|SEb|，那么潜在蒸发量对径流量变化的贡献率CE(%)为：

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

(6)

由于渭河流域地下水的交换对径流量变化的影响不显著，相对其他因素来说非常有限，因此，这里认为其贡献率近似为0。

依据水量平衡原理，人类活动对径流量变化的贡献率CH(%)为：

CH=1-CP-CE。

(7)

4 渭河流域径流演变趋势及变异点分析

4.1 径流、降雨及潜在蒸发演变趋势分析

表1给出了渭河流域径流、降水及潜在蒸发年际变化特征值的统计结果，从变差系数Cv值来看，径流量的年际变化幅度最大(Cv=0.49)，潜在蒸发量的年际变化幅度最小(Cv=0.06)。从极值比来看，径流量的极值比最大，为9.89，潜在蒸发量的极值比最小，为1.3，径流序列的波动程度要远远大于降雨和潜在蒸发序列的波动。

对渭河流域径流、降水及潜在蒸发进行统计分析，得到渭河流域径流、降水及潜在蒸发的年际变化如图2，3，4所示，其代际变化率如表2所示。

表 1 渭河流域径流、降水及潜在蒸发年际变化特征值

图 2 渭河流域径流量的年际变化

图 3 渭河流域降水量的年际变化

由图2，3，4和表2可知，渭河径流量与降水量分别以1.31亿m3/年、1.70 mm/年的趋势减少；径流量与降水量在20世纪90年代减少得最为剧烈，相对于20世纪60年代分别减少52.12%和 10.95%；渭河流域径流量的减少趋势大于降水量；潜在蒸发量以0.14 mm/年的趋势增加，在2000年后达到最大。

图 4 渭河流域潜在蒸发量的年际变化

表 2 渭河流域径流、降水及潜在蒸发量代际变化率(相对于20世纪60年代)

4.2 渭河流域径流序列变异点诊断

4.2.1 累积距平法 采用累积距平法对渭河流域的径流序列进行变异点诊断，结果见图5。由图5可以看出，1971与1991年前后径流量的累积距平值先增大后减小，因此1971与1991年为径流发生变异的年份。

图 5 渭河流域年径流量的累积距平

4.2.2 Mann-Kendall法 通过Mann-Kendall检验法对渭河流域的径流序列进行变异点诊断，结果如图6所示，从中可清楚地辨析1960-2005年径流量的变化趋势及发生变异的年份。图6表明，1960-1971年渭河径流量呈上升趋势，1971年以后逐年减少。UF和UB曲线相交于1991年，且位于临界线之间(置信水平α=0.05)，于1994年超过α=0.05显著性水平线，表明1991年是变异开始的时间， 1994年之后减少趋势显著。

4.2.3 变异年份的确定 20世纪70年代以来，渭河流域水利水保工程修建频繁，其中大、中及小型蓄水、引水工程300余座，如宝鸡峡灌区、段家峡灌区、金盆水库以及冯家山水库等，人类活动对径流量的影响逐年增大[15]。

众多学者的研究表明，自 1990s以来，渭河流域年平均气温和年平均最低温度上升趋势明显，年平均气温大于9 ℃的区域面积从1950s的47.30%上升至2000年后的82.08%，年平均最低气温大于3 ℃的区域面积从1950s的68.55%上升至2000年后的85.75%[16-18]；1990s以来降水持续减少，20世纪90年代的降雨量较多年平均值减少60.0 mm，减少了10.4%，流域进入连续干旱少雨的时期，其中1982和2003年为渭河流域大的降水转折年[19]。

图 6 渭河流域径流序列变异点的Mann-Kendall分析

结合累积距平法、Mann-Kendall法以及对渭河流域人类活动和气候变化的分析，将1971和1991年作为渭河流域径流量发生变异的年份。据此将整个径流序列划分为3个时段，即1960-1971年、1972-1991年和1992-2005年，由于1971年之前渭河流域受人类活动影响较小，因此将1960-1971年近似作为渭河流域的天然时期(基准期)，1972-1991年和1992-2005年为受人类活动和气候变化影响较高的时期(计算期)。

5 气候变化和人类活动对渭河径流影响的定量分析

5.1 累积径流量-年份变化关系

针对渭河流域的径流序列绘制其累积径流量与年份的线性关系图，得到基准期和计算期的斜率(设累积径流量与年份线性关系式的斜率为SR)如图7所示。根据累积径流量与年份之间拟合的线性关系式，各时间段相关系数R均达到0.99以上。

图 7 渭河流域累积径流量与年份的线性关系

根据不同时期得到的累积径流量与年份之间的线性关系，得计算期相对于基准期的变化率见表3，1972-1991年累积径流量-年份线性关系式的斜率相对于基准期(1960-1971年)减少27.69×108m3/年，减少率为25.21%；1992-2005年相对于基准期减少65.42×108m3/年，减少率为59.57%，径流量自20世纪70年代以来逐年递减，且递减趋势显著。

5.2 累积降水量、潜在蒸发量-年份变化关系

按同样方法可获得变异点前后时段累积降水量、潜在蒸发量与年份的线性关系图，得到基准期和计算期的斜率如图8、9所示。设累积径流量、累积降水量和潜在蒸发量与年份线性关系式的斜率分别为SR、SP和SE，计算结果列于表3。表3表明，1972-1991年累积潜在蒸发量-年份线性关系式的斜率比基准期(1960-1971年)减少21.22 mm/年，减少率为2.51%；1992-2005年比基准期增加 27.07 mm/年，增加率为3.20%；1972-1991年累积降水量-年份线性关系式的斜率比基准期减少 37.28 mm/年，减少率为6.19%；1992-2005年比基准期减少89.68 mm/年，减少率为14.89%，降水量在1991年前后呈显著减少趋势。

图 8 渭河流域累积降水量与年份的线性关系

图 9 渭河流域累积潜在蒸发量与年份的线性关系

表 3 渭河流域累积径流量、潜在蒸发量、降水量斜率及其变化率

5.3 气候变化和人类活动对径流量的影响

采用累积量斜率变化率比较法计算降水、潜在蒸发和人类活动对径流量的影响。设潜在蒸发对径流减少的贡献率为CE，降水对径流减少的贡献率为CP，气候变化对径流减少的贡献率为CE+CP，人类活动对径流减少的贡献率为CH，结果见表4。

表 4 气候变化和人类活动对渭河流域径流量变化的贡献率

20世纪70年代渭河流域开始实施大规模、频繁的水利水保措施，因此进入1970s以来，人类活动是影响渭河流域径流量减少的主要因素。由表4可知，1972-1991年人类活动对径流减少的贡献率为85.40%；气候变化对径流减少的贡献率为 14.60%，其中降水占24.55%，蒸发占-9.96%，潜在蒸发对径流的贡献率为负，相对于基准期潜在蒸发对径流的作用有所减小。1992-2005年，人类活动仍然是影响径流减少的主要因素，贡献率为 69.63%，相对于1972-1991年人类活动的影响明显减弱，减少了15.77%。

表4表明，1992-2005年，气候变化对径流减少的贡献率为30.37%，相对于1972-1991年影响率逐渐增大，增加了15.77%，其中蒸发对径流减少的贡献率为5.37%，降水的贡献率为25.00%。这主要是因为进入1990s以来渭河流域降水减少，气温上升幅度明显，蒸发对径流减少的贡献率增加较为明显，相对于1972-1991年蒸发对径流减少的贡献率增加了约15%。

6 结 论

1)渭河流域径流量与降水量呈逐年减小趋势，径流量变化幅度大于降水的变化，最小年径流量出现在1995年，仅为多年均值的0.28。潜在蒸发量呈逐年增加趋势，进入20世纪以来潜在蒸发量达到最大。

2)采用累积距平法、Mann-Kendall法，确定出渭河流域径流变异发生在1971年和1991年，自1994年之后径流呈显著减少趋势，这与很多学者的研究结果一致。

3)采用累积量斜率变化率比较法定量计算了人类活动和气候变化对径流变化的贡献率。相对于基准期，1972-1991年与1992-2005年人类活动对径流变化的贡献率分别为85.40%和69.63%，贡献率虽然变小，但是人类活动对径流变化的影响作用一直处于主导地位；气候变化对径流变化的贡献率从1972-1991年的24.55%到1992-2005年的25.00%，呈不明显增加趋势。

4)本研究采用统计学方法，揭示了渭河流域近50年来径流、降水及潜在蒸发的变化趋势，定量地分析了人类活动和气候变化对径流变化的贡献率，对未来水资源的高效开发与管理具有重要的指导意义。

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