气候变化和人类活动对沣河流域径流量影响的定量评估

夏 伟， 周维博， 李文溢， 何庆龙， 安宝军， 杨 浩

( 1.长安大学 环境科学与工程学院， 陕西 西安 710054； 2.长安大学 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安 710054； 3.陕西省西咸新区沣东新城斗门水库建设管理中心 ，陕西 西安 710086)

1 研究背景

河川径流在自然水文循环过程中占据重要一环，对区域资源环境、自然水文循环和社会经济可持续发展具有重要意义[1-4]。而近几十年来，随着全球气候变化和人类活动的加强，河川径流发生了显著变化[5-9]。因此，针对气候变化和人类活动对河川径流的影响程度的相关研究已经成为水文学领域的研究热点。张调风等[10]通过对湟水河流域径流量影响因素进行定量评估发现，气候变化对湟水河流域径流量减少的贡献率为35.46%，人类活动对湟水河流域径流量减少的贡献率为64.54%；夏军等[11]通过对汉江上游径流量影响因素进行分析发现，人类活动相比于气候变化对汉江流域径流变化的影响较大，且其对径流变化的影响呈现增长的趋势；郭爱军等[12]对渭河流域进行研究表明，人类活动对渭河流域径流量的减少有决定性影响，在1972-1991年和1992-2005年两个时期的平均贡献率接近80%。

沣河作为西安市的第三大河流，是西安市人民主要的饮用水水源地，随着西咸新区的快速发展，沣河将逐渐从城郊河变为城中河，在城市发展中也将占据更加重要的战略地位。可是对于沣河流域径流特征分析及其影响因素分析研究较少，因此本文采用小波分析法[13]、累积距平法[14]、累积量斜率变化率比较法(SCRCQ)[15-18]等方法对沣河流域径流特征及其影响因素进行分析。

2 材料和方法

2.1 研究区概况

沣河流域位于东经108°35′～109°09′，北纬33°50′～34°20′，属于暖温带半湿润季风气候，流域内多年平均降水量为632 mm。沣河系渭河一级支流，流经西安、咸阳两市部分区县，全长为78.0 km，流域面积为1 460 km2，平均比降为8.2‰。沣河流域水系图如图1所示。

图1 沣河流域水系图

2.2 数据来源

本文选取了秦渡镇水文站1965-2016年径流量和降水量数据。秦渡镇水文站为沣河下游干流控制站，控制流域面积为566 km2。

2.3 研究方法

2.3.1 小波分析法 小波分析法[13]能够反映沣河流域年径流量在不同时间尺度上的变化情况。采用小波变换系数可以分析沣河流域年径流量变化的主要周期。根据小波方差随时间尺度的变化绘制的小波方差图可以反映出沣河流域年径流量时间序列中所包含的各种时间尺度的波动情况以及其波动的能量大小随时间尺度的分布。因此，结合小波变换系数和小波方差图可以确定出沣河流域年径流量变化的第一主周期。

2.3.2 累积距平法 累积距平法[14]可以较为直观地反映沣河流域年径流量在不同时代的阶段变化，同时可以采用该方法来判定年径流量的突变年份。其具体步骤为：先计算沣河流域年径流量的多年平均值，然后利用年径流量减去年径流量的多年平均值得到沣河流域每年径流量的距平值，再将每年径流量的距平值按照时间序列进行累加得到沣河流域年径流量的累积距平值。根据沣河流域年径流量的累积距平值绘制沣河流域累积距平曲线，若累积距平曲线呈现上升的趋势，表明累积距平值增大，年径流量大于年径流量的多年平均值；若累积距平曲线呈现下降的趋势，表明累积距平值减小，年径流量小于年径流量的多年平均值。这两种趋势的交汇处所对应的年份即为沣河流域年径流量的突变年份。

2.3.3 累积量斜率变化率比较法(SCRCQ) 累积量斜率变化率比较法(SCRCQ)[15]的原理主要为：根据累积距平法确定突变年份，以突变年份为界，绘制突变前后两个时期的累积量-年份关系曲线，然后在突变前后两个时期的累积量-年份关系曲线的基础上绘制突变前后两个时期的累积量-年份的线性趋势线，得到突变前后两个时期的累积量-年份的线性关系式，从而得到累积量-年份的线性关系式在突变前后两个时期的斜率分别为Ka和Kb，再根据Ka和Kb计算累积量斜率变化率S，其计算公式为：

S=(Kb-Ka)/Kb×100%

(1)

则沣河流域累积径流量斜率变化率SR为：

SR=(KRb-KRa)/KRb×100%

(2)

沣河流域累积降水量斜率变化率SP为：

SP=(KPb-KPa)/KPb×100%

(3)

沣河流域累积蒸散发量斜率变化率SE为：

SE=(KEb-KEa)/KEb×100%

(4)

最后根据沣河流域累积径流量斜率变化率(SR)、累积降水量斜率变化率(SP)和累积蒸散发量斜率变化率(SE)计算沣河流域降水对径流量的贡献率(CP)、蒸散发对径流量的贡献率(CE)以及人类活动对径流量的贡献率(CH)，计算公式分别为：

CP=SP/SR×100%

(5)

CE=SE/SR×100%

(6)

CH=1-CP-CE-CT

(7)

式中：CT为气温对径流量的影响。

由于气温主要是通过影响蒸散发进而影响径流量，且根据左德鹏等[19]对渭河流域径流影响因素的研究，沣河流域蒸散发对径流量的影响很小，因此，本文不考虑气温及蒸散发对径流量的影响。则上述公式(7)可以简化为：

CH=1-CP

(8)

3 结果分析

3.1 年径流量及年降水量变化特征

图2为1965-2016年沣河流域年径流量及年降水量的年际变化过程。从图2(a)中可以看出，沣河流域1965-2016年多年平均径流量为2.24×104m3，年径流量总体呈减小的趋势，每10 a年递减量为0.121×104m3；从图2(b)中可以看出，沣河流域1965-2016年多年平均降水量为644.73 mm，年降水量总体呈减小的趋势，每10 a递减量为0.072 mm。图3为沣河流域年径流量小波分析时频分布图，图4为沣河流域年径流量小波方差图，结合图3和图4可以看出，年径流量存在12～15 a、25～30 a以及45～50 a三类尺度的周期，其中，第一主周期为29 a。

图2 1965-2016年沣河流域年径流量及年降水量年际变化

图3 沣河流域年径流量小波分析时频分布图

图4 沣河流域年径流量小波方差图

3.2 年径流量突变分析及阶段划分

根据计算的沣河流域1965-2016年年径流量累积距平值所绘制的沣河流域年径流量累积距平曲线如图5(a)所示，可以发现1965-1988年沣河流域年径流量累积距平曲线呈现上升趋势，1988-2016年沣河流域年径流量累积距平曲线呈现下降趋势，因此在该时期沣河流域年径流量发生突变的年份为1988年。再根据沣河流域1988-2016年年径流量计算1988-2016年年径流量累积距平值，绘制1988-2016年年径流量累积距平曲线如图5(b)所示，可以发现1988-1997年沣河流域年径流量累积距平曲线呈现下降趋势；1997-2016年沣河流域年径流量累积距平曲线呈现上升趋势。因此在该时期沣河流域年径流量发生突变的年份为1997年。据此将研究阶段划分为3个不同时期：A：1965-1987年，B：1988-1996年，C：1997-2016年。由于沣河流域在20世纪80年代以前受到人类活动的影响很小，因此，可以将1965-1987年这一时期作为基准期，1988-1996年和1997-2016年两个时期作为计算期。

图5 1965-2016年沣河流域年径流量累积距平曲线

3.3 突变年份分割时期的年径流量及年降水量与年份之间的关系

根据所划分的3个不同时期绘制沣河流域累积径流量-年份和沣河流域累积降水量-年份在这3个时期的关系曲线分别如图6(a)和图6(b)所示。

由图6(a)知，沣河流域累积径流量在三个不同时期与年份之间的拟合关系式分别为：

A:YA=2.5308XA-4972,R2=0.9938

(9)

B：YB=1.7833XB-3483.8，R2=0.9956

(10)

C：YC=2.1354XC-4187.6，R2=0.9964

(11)

式中：X为年份;Y为累积径流量，104m3。

由图6(b)知，沣河流域累积降水量在3个不同时期与年份之间的拟合关系式分别为：

A：YA=654.22XA-1.29×106,R2=0.9984

(12)

B：YB=564.97XB-1.11×106，R2=0.9953

(13)

C：YC=668.99XC-1.32×106，R2=0.9994

(14)

式中：X为年份;Y为累积降水量，mm。

以上各拟合关系式的相关系数R值均大于0.997，且通过了0.01的Pearson显著性检验，这表明所建关系的拟合程度较好，可以利用年份与累积径流量和累积降水量建立相关关系。

图6 1965-2016年沣河流域累积径流量和累积降水量与年份之间的关系

3.4 年降水量和人类活动对年径流量变化的贡献率

表1和2分别给出了沣河流域累积径流量和累积降水量的斜率及其变化情况。

由表1可知，沣河流域累积径流量-年份线性关系在A，B和C 3个时期的斜率分别为2.5308×104m3/a，1.7833×104m3/a和2.1354×104m3/a；与基准期(A)相比，计算期(B)和计算期(C)的沣河流域累积径流量-年份线性关系的斜率分别减小了0.7475×104m3/a和0.3954×104m3/a，斜率变化率分别为-41.92%和-18.52%；与计算期(B)相比，计算期(C)的沣河流域累积径流量-年份线性关系的斜率增大了0.3521×104m3/a，斜率变化率为16.49%。

由表2可知，沣河流域累积降水量-年份线性关系在A，B和C三个时期的斜率分别为654.22 mm/a，564.97 mm/a和668.99 mm/a；与基准期(A)相比，计算期(B)和计算期(C)的沣河流域累积降水量-年份线性关系的斜率分别减小了89.25 mm/a和增大了14.77 mm/a，斜率变化率分别为-15.80%和2.21%；与计算期(B)相比，计算期(C)的沣河流域累积降水量-年份线性关系的斜率增大了104.02 mm/a，斜率变化率为15.55%。

根据公式(5)和(8)计算可知，与基准期(A)相比，计算期(B)的降水量和人类活动对沣河流域径流量减小的贡献率分别为37.69%和62.31%，计算期(C)的降水量和人类活动对沣河流域径流量减小的贡献率分别为-11.92%和111.92%；与计算期(B)相比，计算期(C)的降水量和人类活动对沣河流域径流量减小的贡献率分别为94.30%和5.70%。

表1 沣河流域累积径流量斜率及其变化

表2 沣河流域累积降水量斜率及其变化

4 结 论

本文采用线性趋势线法、小波分析法、累积距平法和累积量斜率变化率比较法(SCRCQ)对1965-2016年沣河流域径流特征及其影响因素进行分析。主要结论有：

(1)沣河流域1965-2016年多年平均径流量为2.24×104m3，年径流量呈减小的趋势，每10 a递减量为0.121×104m3，且存在12～15、25～30以及45～50a 3类尺度的周期，其中，第一主周期为29a。

(2)根据累积距平法将研究阶段划分为3个不同时期：A：1965-1987年，B：1988-1996年，C：1997-2016年，在这3个时期的累积径流量-年份和累积降水量-年份线性关系式的相关系数(R)均大于0.997，且通过了0.01的Pearson显著性检验。

(3)采用累积量斜率变化率比较法定量估算了气候变化和人类活动对沣河流域径流量变化的影响程度。与基准期(A)相比，计算期(B)的降水量和人类活动对沣河流域径流量减小的贡献率分别为37.69%和62.31%，计算期(C)的降水量和人类活动对沣河流域径流量减小的贡献率分别为-11.92%和111.92%；与计算期(B)相比，计算期(C)的降水量和人类活动对沣河流域径流量减小的贡献率分别为94.30%和5.70%。由此可见，人类活动是沣河流域径流量减小的主要影响因素。