基于Budyko假设的若尔盖流域径流变化归因分析

赵娜娜 王贺年 于一雷 徐卫刚

摘要：变化环境下的水文循环研究是当今水科学研究的热点之一，研究流域水文过程变化的响应机制，对未来流域水资源规划及管理具有重要的现实意义。以若尔盖流域为研究区域，基于Budyko假设理论，应用敏感性分析方法，对若尔盖流域径流变化进行归因分析，结果表明：若尔盖流域径流对降水、潜在蒸散发和流域特征参数的敏感性系数分别为0.645 1、-0.234 7和-182.205 0，即若尔盖流域降水每增加1 mm将导致流域径流增加0.645 1 mm，潜在蒸散发每增加1 mm将导致流域径流减少0.234 7 mm，流域特征参数每增加1将导致流域径流减少182.205 0 mm;若尔盖流域逐年径流呈明显的下降趋势，与基准期（1960-1990年）相比，变化期（1991-2011年）径流量减少了56.23 mm（20.48%），其主要影响因素为流域下垫面特征的变化，其贡献率可达93.46%，而气候变化的影响仅占5.57%。

关键词：若尔盖流域;径流;气候变化;流域特征参数;归因分析

中图分类号：P467文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：赵娜娜

The attribution analysis of streamflow changes in the Zoige basin based on the Budyko hypothesis

ZHAO Nana1，2，3，WANG Henian1，2，YU Yilei1，2，XU Weigang1，2

（1.Institute of Wetland Research，Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091，China;2.Beijing Key Laboratory of Wetland Services and Restoration，Beijing 100091，China;3.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Abstract：The hydrologic cycle research under changing environment is one of the hot topics in water science study.The study on the response mechanism to hydrological process changes is of great practical significance to future water resources planning and management.In this study，based on the Budyko hypothesis，we conducted attribution analysis of the streamflow changes in the Zoige basin by sensitivity analysis，and the results showed that：the sensitivity coefficients of streamflow to precipitation，potential evapotranspiration，and catchment characteristic parameter were 0.654 1，-0.234 7，and -182.205 0，respectively，which means that every 1 mm increase in precipitation would induce a 0.654 1 mm increase in streamflow;every 1 mm increase in potential evapotranspiration would induce a 0.234 7 mm decrease in streamflow;every increase of 1 in the catchment characteristic parameter would induce a 182.205 0 mm decrease in streamflow.The streamflow of the Zoige basin showed a significantly decreasing trend.Compared with the reference period （1960-1990），the streamflow of the change period （1991-2011） decreased by 56.23 mm （20.48%）.The main influence factor was the change of underlying surface characteristics，whose contribution rate reached 93.46%.The climate change only contributed 5..57%.

Key words：the Zoige basin;streamflow;climate change;catchment characteristic parameter;attribution analysis

全球變化环境下的水文循环研究是当今流域水文学研究的热点之一[1-2]，近50年来，中国各大流域的河川径流量均呈明显的下降现象，这已引起管理部门和公众的广泛关注，研究流域径流变化的响应机制，对流域水资源规划及管理具有重要的现实意义。近些年来，各国学者在流域径流变化归因分析等方面进行了大量研究[3-7]，大多数研究均采用分布式水文模型的方法，但是需要在模型校准和参数率定上耗费大量的精力[8-9]。Budyko假设理论的敏感性分析是近年来兴起的研究气候变化影响流域径流的一个新的视角[10]，为探索流域径流演变的驱动机制提供了更简便的途径。

若尔盖高原湿地是青藏高原湿地的典型代表，是气候变化的敏感区和脆弱区，也是世界上海拔最高、面积最大的高原泥炭沼泽的主要分布区之一;同时其作为黄河源区的重要生态系统，也是黄河上游流域水安全和生态安全的重要屏障，流域湿地水文情势演变及其对生态环境变化和响应备受关注。近几十年来，由于人类活动干扰、全球气候变暖等因素的共同影响，若尔盖湿地面积在不断减少，仅1975年到2001年的26年间，沼泽湿地、湖泊湿地、河流湿地分别萎缩了20.2%、34.48%、48.03%，而沙化地却增长了351.81%，湿地生态环境遭到严重破坏，对黄河上游源区的水源涵养、区域生态平衡、湿地资源保护和可持续利用构成了严重的威胁。

本研究以若尔盖流域为研究区域，基于Budyko假设理论，应用敏感性分析方法研究气候变化与流域下垫面特征变化对流域径流变化的影响，明确各自的影响量和贡献率，旨在为若尔盖流域水资源管理提供参考。

1研究区概况

若尔盖流域位于川西高原北端的阿坝藏族羌族自治州境内（101°37′-103°25′E，32°10′-34°06′N），跨阿坝、红原和若尔盖3个县。流域地处青藏高原东缘，属大陆性高原寒温带湿润半湿润季风气候，雨热同期，干湿季节分明。流域海拔3 400 mm以上，地势西南高東北低，河沟纵横，湖泊、沼泽、草甸遍布，主要河流为黑河、白河等，主要土壤类型为棕壤、草甸土、沼泽土等。由于若尔盖湿地没有设置入流水文站点，缺少入流水文资料，本研究以黄河上游吉迈水文站作为流入湿地的径流控制点，以玛曲站作为流出湿地的径流控制点，对吉迈水文站和玛曲水文站之间的集水流域（简称“吉迈—玛曲流域”，面积为38 122 km.2，以下简称“若尔盖流域”）作为研究区域，对流域1960-2011年的径流变化进行分析，将位于流域东部的黑河、白河以及玛曲流域组成的若尔盖沼泽湿地（以下简称“若尔盖湿地”）作为重点研究区域（图1）。

2研究方法

2.1Budyko假设理论

Budyko（1974）[11]认为流域多年平均蒸散发是由大气对陆面的水分供给（降水）和蒸发能力（净辐射或潜在蒸散发量）决定的，蒸散发量是两者之间的函数，其可简单的表达为：

式中：E为流域实际蒸散发量（mm）;P为降水量（mm）;E0为流域潜在蒸散发量。

我国气候学家傅抱璞教授（1981）[12]根据流域水文气象的物理意义提出了一组Budyko假设的微分形式，通过量纲分析和数学推导，得出了Budyko假设的解析表达式：

式中：ω为流域下垫面特征参数，能够反映流域下垫面状况，与流域土地利用、植被、土壤等相关[13-15]。

由此，Budyko假设理论可发展为考虑流域特征的一个综合表达式：

2.2流域径流影响因素的敏感性分析

参考弹性系数概念[16]，本研究提出一个相似的参数为敏感性系数，能够反映每单位因变量参数（X）变化引起的流域径流变化量（ Q/ X）。

基于长时间序列的水量平衡公式P=E+Q，式（2）可以推导为径流Q的模拟公式：

Q=[P.ω+E ..ω0].1/ω-E0[JY]（4）

基于式（4），应用微积分求偏导，可得流域径流（Q）对气候变化要素（P，E0）的敏感性系数：

其中，ω应用最小二乘法求解而得。

2.3数据来源

本研究选取位于若尔盖流域及其周边区域的10个气象站点（见图1、表1）1960-2011年逐日气象数据（国家气象信息中心http：//www.nmic.gov.cn/提供），主要包括蒸发皿蒸发量（Φ20）、平均气温、最高气温、最低气温、平均相对湿度、日照时数、降水量和平均风速等。选择吉迈和玛曲水文站1960-2011年的月径流数据用于径流分析，气象站和水文站的基本信息见表1。

3结果分析

3.1若尔盖流域径流演变特征

Mann-Kendall检验是水文学中普遍应用的非参数检验方法，其能够定量地计算出时间序列的变化趋势，适用于水文、气象等一系列非正态分布的数据，本研究对若尔盖流域1960-2011年间逐年径流量进行Mann-Kendall趋势检验，统计检验值Z为-2.83，其绝对值|Z|>2.58，表明研究区逐年径流量表现为明显的下降趋势，且在0.01水平上显著。另一方面，对若尔盖流域逐年径流量进行Mann-Kendall突变检验，结果（图2）表明，研究区的年径流量Mann-Kendall检验统计量UF值和UB值均超过了置信水平0.05相应的临界值（Y=1.96和Y=-1.96），UF曲线和UB曲线在1991年出现交叉点，且交点位于两临界线之间，这说明研究区径流变化过程中在1991年发生突变。

基于Mann-Kendall突变检验结果，若尔盖流域逐年径流的可能的突变点在1991年，由此将研究时段划分为基准期（1960-1990年）和变化期（1991-2011年）。对比两个研究时段内的流域多年平均径流量，结果（图3）表明，若尔盖流域基准期多年平均径流量为274.57 mm，变化期多年平均径流量为218.34 mm，结果表明，与基准期相比，变化期径流量减少了56.23 mm（20.48%）。

3.2基于Budyko假设的流域径流对气候因子及流域下垫面特征参数的敏感性

基于若尔盖流域1960-2011年逐年数据，得到研究区多年平均径流量（Q=251.86 mm）、多年平均降水量（P=687.45 mm）和多年平均潜在蒸散发量（E0=816.36 mm），代入式（4）同时应用最小二乘法，求得研究区流域特征参数值ω为1.9947。

基于式（5）、式（6）、式（7），求得若尔盖流域径流对降水的敏感性系数 Q/ P=0.6451，流域径流对潜在蒸散发的敏感性系数 Q/ E0=-0.2347，流域径流对流域特征参数的敏感性 Q/ ω=-182.2050。这分别表示了，若尔盖流域降水每增加1 mm将导致流域径流增加0.6451 mm，潜在蒸散发每增加1 mm将导致流域径流减少0.2347 mm，流域特征参数每增加1将导致流域径流减少182.2050 mm。

3.3若尔盖流域径流变化归因分析

基于若尔盖流域基准期（1960-1990年）逐年数据，得到该研究时段多年平均径流量（274.57 mm）、多年平均降水量（683.96 mm）和多年平均潜在蒸散发量（813.73 mm），代入公式（4）同時应用最小二乘法，求得研究区基准期的流域特征参数值ω为1.8746;同理，基于变化期（1991-2011年）的多年平均径流量（218.34 mm）、多年平均降水量（692.60 mm）和多年平均潜在蒸散发量（822.14 mm），求得研究区变化期的流域特征参数值为2.2064。两个研究时段径流、气象及流域特征参数变化见表2。

基于若尔盖流域径流对气候因子（P、E0）的敏感性系数及气候变化量（ΔP、ΔE0），计算可得气候变化对流域径流的影响量为：

ΔQclimate= Q/ P·ΔP+ Q/ E0·ΔE0=5.57+（-3.85）=3.60（mm）

基于若尔盖流域径流对流域特征参数值（ω）的敏感性系数及流域特征参数值变化量（Δω），计算可得流域特征变化对流域径流的影响量为：

ΔQcatchment= Q/ ω·Δω=-60.46（mm）

由此可得若尔盖流域径流变化归因结果见表3，结果表明，在研究时段1960-2011年间若尔盖流域径流变化的主要原因是流域特征的变化，导致流域径流减少60.46 mm，贡献率可达93.46%，而气候变化的影响仅占5.57%。

4讨论

4.1基于双累积曲线的结果验证

双累积曲线方法是水文气象要素一致性或长期演变趋势分析中最简单、最直观、最广泛的方法。其基本假设为降水在有限的时段内其变化时自然变化的，流域下垫面变化对降水的影响是微弱的，而累积径流量受下垫面及降水量共同作用，因此，通过双累计曲线可以分辨流域下垫面变化对流域径流的影响。

图4为若尔盖流域年降水量与径流量的双累积曲线图，结果表明，1960-1990年间降水累积量与径流累积量间有明显的线性关系，其拟合直线的斜率在1991年发生明显的变化，这也符合本研究中对研究时段的划分，同时表明，下垫面变化在该时段开始对流域径流有明显的影响，其偏离点与原拟合直线的延长线的距离表示了下垫面变化的影响量。

从图中可以看出，基准期累积径流量∑Q=0.4033∑P-31.071，方程决定系数R.2为0.9907，观测年数N为52年，统计检验达到了0.001置信水平。将变化期的累计降水量带入拟合方程中，得到模拟累计径流量，并反推变化期模拟逐年径流量Q′，图5反映了变化期逐年实测径流量与模拟径流量的对比，结果表明，变化期（1991-2011）实测年平均径流量为218.34 mm，模拟年平均径流量为279.12 mm，由此可知，下垫面导致的径流变化量ΔQcatchment为60.78 mm。

4.2敏感性分析方法

相比其他研究方法，越来越多的研究者开始采用气候敏感性分析方法来研究气候变化对流域径流的影响[17]。敏感性分析方法为探索流域径流演变的驱动机制提供了更简便的途径[18]，也提供了一个新的视角。而大多数敏感性分析研究都是基于理论模型，其中应用最为广泛的理论模型是多年水热耦合平衡方程。Budyko假设是水热平衡的典型代表，也是流域水文过程研究中应用最为广泛的理论基础之一[19-20]。而我国学者也分别在湿润区[21]与非湿润区[22-23]进行了应用，对其在我国的适用性进行了分析。本研究基于Budyko假设理论的敏感性分析方法，同时应用常用的双累积曲线对研究结果进行验证，结果表明敏感性分析方法的结果是可信的。

5结论

本研究以若尔盖流域为研究区域，基于Budyko理论，分别对研究区径流年际变化过程中气候变化和下垫面变化的影响进行分析，研究结论如下。

（1）若尔盖流域逐年径流呈明显的下降趋势，基于突变点1991年，将研究时段划分为基准期（1960-1990年）和变化期（1991-2011年），与基准期相比，变化期径流量减少了56.23 mm（20.48%）。

（2）若尔盖流域径流对降水、潜在蒸散发和流域特征参数的敏感性系数分别为0.6451、-0.2347和-182.2050，表明，若尔盖流域降水每增加1 mm将导致流域径流增加0.6451 mm，潜在蒸散发每增加1 mm将导致流域径流减少0.2347 mm，流域特征参数每增加1将导致流域径流减少182.2050 mm。

（3）在研究时段1960-2011年间，若尔盖流域径流变化的主要影响因素是流域下垫面特征的变化，其贡献率可达93.46%，而气候变化的影响仅占5.57%。

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