变化环境下洮河流域径流变化归因

刘酌希,陈 鑫,管晓祥,舒章康,杨晓甜,王国庆,3

(1.河海大学 水文水资源学院,南京 210098;2.水利部 应对气候变化研究中心,南京 210029;3.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,南京 210029)

水是人类社会和自然环境得以维持的必备要素，水资源又是联系人类社会和自然环境的纽带。近年来，全球的水资源问题日益突出。日益增长的用水量和引水量使世界200条较大河流的径流量减少了22%[1]。20世纪50年代以来，黄河等中国北方典型流域实测值减少显著[2-4]。气候变化和人类活动被认为是影响各种尺度水文循环和水资源演变规律最主要的驱动力。在气候变化和人类活动的影响下，流域径流呈现特异性和变化性。气候变化(水文、气象等要素的改变)会导致流域径流量以及流域产汇流过程的变化；人类活动则主要通过改变下垫面土地利用/覆被变化以及取用水的变化，影响水文循环[5]。进行气候变化和人类活动对径流的贡献率的量化分析对水资源管理和水文科学研究有重要意义。当前径流变化的归因分析主要包括配对流域试验法[6]、个人用水调查法[7]、基于水平衡和Budyko假设的气候弹性方法[8]、统计学方法[9]以及水文模型模拟法[10]等方法，随着计算机的发展，物理意义明确、所需人力物力少的水文模型模拟法被广泛运用。美国农业部开发的分布式水文模型(SWAT模型)较为常见，该模型可直接输入流域内的气象、土壤特性、地形、植被和土地管理措施等信息，并直接模拟水流等物理过程。也可进行长期的流域模拟并可模拟无观测数据的流域，因而被广泛使用。

洮河作为黄河上游右岸第二大支流，是甘肃省中部干旱地区最重要的水源区，其水资源的变化可牵动黄河流域的社会经济等的发展。但是，目前针对洮河流域的水文研究主要在分析其水文气象要素变化特征方面[11-14]，而对其径流变化归因分析也只停留在气候变化或者土地利用变化较为单一的层面[15-16]。因此，本文以洮河流域为研究对象，采用基于SWAT模型的径流归因识别方法，定量辨识气候变化和人类活动这两种影响因素对径流的贡献率，有益于洮河流域的水资源规划研究。

1 资料与方法

1.1 基本资料

洮河是黄河上游右岸最大的一级支流，发源于青海省西倾山北麓的勒尔当，于甘肃省永靖县汇入黄河刘家峡水库区，由西向东流经碌曲、卓尼，在岷县急转北流，穿九甸峡和海甸峡，涉及两个省15个县市。洮河流域(101°36′—104°20′E，34°06′—36°01′N)地跨甘南高原和陇西黄土高原两大地貌单元，上游斜坡陡峭，山谷很深，山脉起伏，河流侵蚀薄弱，除了森林覆盖，大部分是平坦的草地和丘陵牧场。下游地表起伏较大，沟谷纵横，地形破碎，区域内大部分面积被黄土覆盖，呈典型的黄土丘陵地貌。流域面积25,527 km2，海拔1,748～4,569 m，流域气候虽属大陆性气候，但因受青藏高原和蒙古高原气候交绥的影响，大部地区湿润多雨，降水量较大，年平均径流量约53亿m3(红旗水文站)，径流模数约20.8万m3/(s·km2)。多年平均气温从上游的1℃增至下游的9℃，多年平均降水量从650 mm减少至300 mm[15]。

洮河流域控制站红旗水文站1955—2015年的逐日径流资料摘录于水文年鉴，降水、日最高/最低气温以及风速、相对湿度、太阳辐射等气象数据由中国气象数据共享服务网提供(http:∥data.cma.cn/)，洮河流域内及周边气象站点分布如图1所示。90 m空间分辨率的数字高程模型来源于地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/)；洮河流域土地利用类型数据来源于中国科学院地理科学与资源研究所，空间分辨率为1 km。土壤数据采用世界土壤数据库HWSD数据，分辨率为1 km。

图1 洮河水系及水文气象站点分布

1.2 SWAT模型及目标函数

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是美国农业部农业研究中心Jeff Amold 博士所开发的流域尺度模型。模型开发的最初目的是在具有不同下垫面条件的大尺度复杂流域内，预测土地管理措施对汇流、产沙和农业化学污染物负荷等的长期影响。SWAT模型主要分为3个模块，水文模型、土壤侵蚀和污染负荷[17]，本文使用水文模型模块。流域水文建模可分为两个阶段：水文循环的陆地阶段和水文循环的汇合阶段。陆相控制着水流、沉积物、养分和农药负荷等向每个子流域的主河道的输入；汇流阶段是指河网中的水流、沉积物等向出水口的运移过程。

水量平衡原理是流域内所有过程的理论支撑。SWAT通过细分流域来反映不同作物和土壤类型的蒸散发差异，分别预测出各水文响应单元(HUR)的径流量，然后演算得到流域的总径流量。水量平衡方程为：

(1)

式中:Wt表示土壤的最终含水量(mm)；W0表示土壤在第i时刻的初始含水量(mm)；Pd表示第i时刻的降水量(mm)；Qs表示第i时刻的地表径流量(mm)；Ea表示第i时刻的蒸散发量(mm)；Ws表示第i时刻从土壤剖面进入包气帯的水量(mm)；Qgw表示第i时刻地下水出流(mm)。

本文采用3个指标评价SWAT模型的适用性：纳什效率系数(NSE)、决定系数(R2)和相对误差(RE)。这3个指标最具代表性。

(1) 纳什效率系数(NSE)

(2)

(2) 决定系数(R2)

(3)

(3) 相对误差(RE)

(4)

1.3 河川径流归因定量识别方法

利用统计分析方法，寻找降水，径流改变特征、趋势以及突变点，划分流域人类活动稳定期和人类活动剧烈期，本文采用MK突变检验法[18-20]和有序聚类分析法[21-23]来进行突变诊断。突变点之前为人类活动稳定期，之后为人类活动剧烈期，突变点之后的径流与基准期的径流差异包括两部分：气候变化引起的径流变化和人类活动引起的径流变化。选取流域水文模型，将人类活动稳定期的气象、水文资料输入模型，对模型进行参数率定并验证其的适用性。为保证水文模型模拟值和人类活动稳定期的径流量在物理成因上具有一致性，保持模型参数不变，模型输入人类活动剧烈期的气象资料，模拟此时的径流。

具体表达式如下所示：

ΔQ=Qa-Qb

(5)

ΔQc=Qc-Qb

(6)

ΔQb=Qa-Qc

(7)

(8)

(9)

式中：突变点之前的径流均值为Qb；突变点之后模拟径流的均值为Qc；实际径流为Qa；径流总变化为ΔQ；气候变化引起的均值变化度为ΔQc；贡献率为Wc；人类活动引起的均值变化度为ΔQb；贡献率为Wb。

2 结果与分析

2.1 径流的阶段性变化

由洮河流域出口断面红旗水文站1955—2015年的年径流深过程(图2)可以看出：(1) 径流的线性递减率为1.38 mm/a，实测径流量在170 mm上下波动，且总体趋势下降；(2) 径流量年代际变化显著，从1960s末到1980s中期，再从1980s中期到21世纪初，径流量持续下降，尤其是1980s中期到21世纪初，有明显的下降趋势，较1980s前减少了28.5%；(3) 从年径流5 a滑动平均过程来看，径流量起伏变化较明显，首尾滑动平均值相差较大，趋势变化较实测数据一致。

图2 洮河流域径流量年际变化过程

由洮河流域年径流量序列MK检验图(图3)可以看出，UFk和UBk过程线在1986年发生交叉，相交点位于置信区间(±1.96)以内，说明在0.05检验水平内突变不显著。且根据洮河流域年径流量时序离差平方和过程(图4)可知实测年径流量的时序离差平方和在1986年达到最小，出现了明显的跳跃式突变。综上可以判断，1986年为年径流量的突变年。

图3 洮河流域年径流量序列M-K检验

图4 洮河流域年径流时序离差平方和

2.2 基于SWAT模型的径流模拟

2.2.1 参数敏感性分析 SWAT模型参数共有200多个，且都具有一定的物理意义，参数的大小对模型的结果会产生一定的影响。但是参数众多，调节起来工作量大，因此采用SWAT-CUP对模型进行敏感性分析，筛选掉影响不大的参数，减小模型的不确定性，提高模型的率定效率。

根据洮河流域的特性和已有研究成果，本文选取了12个参数，选取洮河流域1956—1985年的月径流资料，初始数据可能会受到变量的影响产生误差，故设置两年预热期，为1956—1957年，率定期为1958—1976年，验证期为1977—1985年。经过多次调试，得到参数校准值见表1。参数的敏感性见图5。

表1 洮河流域率定参数范围与校准值

图5 参数敏感性分析

结合表1以及图5可知，土壤饱和导水率SOL_K，土壤容重SOL_BD，主河道曼宁系数v_CH_N2.rte，土壤蒸发补偿系数v_ESCO.hru，SCS径流曲线系数CN2，地下水滞后系数GW_DELAY的t-Stat绝对值都较高，分别代表了模型最为敏感的6个参数。由表中P-Value值可以看出，SCS径流曲线系数CN2敏感显著性很高。土壤饱和导水率敏感性最高，它与土壤性质密切相关，直接影响流域地下水量；SCS径流曲线数敏感显著性很高，它直接影响径流量的大小。

2.2.2 模拟结果与分析 流域出口站红旗站实测月径流值与模型模拟出来的径流值如图6—7所示。率定期和验证期的径流模拟精度结果(包括效率系数，决定系数和相对误差)见表2。

由图6—7可以看出，模拟的径流曲线与实测的径流曲线变化趋势一致。由表2可以看出，在率定期和验证期，效率系数和决定系数均大于0.8，相对误差均小于20%，表明洮河流域径流的实测值和模拟值均具有较好的拟合度。率定期和验证期均存在旱期实测值高于模拟值的现象，表明SWAT模型对偏枯水年的模拟精度较低。而以上雨季少数极端径流量的峰值模拟值较小的现象，表现出模型对于极端径流的模拟参数有待改善。综上可见，采用SWAT模型来模拟径流的结果良好，表明运用该模型在洮河流域有较好的适用性。

表2 月径流模拟评价指标

图6 率定期实测与模拟径流量过程

图7 验证期实测与模拟径流量过程

2.3 径流变化归因分析

依据2.1部分分析结果，实测径流突变点可定为1986年，突变点之前为人类活动稳定期，突变点之后为人类活动剧烈期，基于SWAT模型对天然径流过程的模拟过程与实测径流过程对比如图8所示，突变后模拟平均径流深与突变前实测平均径流深的差值为气候变化的影响值，突变后实测的平均径流深与突变后模拟的平均径流深的差值为人类活动的影响值，由此得出人类活动与气候变化对突变点前后径流变化的贡献率(表3)。由图8及表3可知：(1) 1986年以后的变化期的模拟年均径流量比1986年以前的基准期的年均径流量下降了19%，说明气候要素变化引起了径流量的减少，气候变化对径流减少的贡献率为59%；(2) 变化期的实测年均径流量比基准期的年均径流量明显降低，减少了32.7%，说明人类活动也引起了径流量的减少。人类活动对径流减少的贡献率为41%；(3) 在人类活动稳定期，模拟径流与实测径流基本一致，模拟与实测径流的差距可视为数据观测误差或模型参数选择造成的结果。

图8 洮河流域1958-2011年实测与模拟年径流量过程

表3 人类活动和气候变化对径流量影响定量分析

表4统计了不同阶段气温、降水和径流量统计值及其与人类活动稳定期的相对变化情况。由表4可知：(1) 洮河流域自基准期之后气温持续增加，降水量减少，径流量减少。(2) 1986—2000年较基准期气温升高了0.46℃，降水减少了6.89%，径流量减少了30.42%；2001—2015年较基准期气温升高了0.98℃，降水减少了2.53%，径流量减少了26.62%。人类活动剧烈期和人类活动稳定期相比，气温升高了0.72℃，降水减少了4.72%，径流量减少了28.50%。(3) 气温升高，降水减少，导致产流量减少，使得径流减少，但是上述降水、径流变化并不完全对应，多年平均径流深的相对变化是降水的5倍以上，凸显了人类活动对河川径流的影响。

表4 洮河流域不同时期气温、降水、径流及其变化

从1980s到2000s这3个不同时期的土地利用情况见表5，可以看出土地利用类型变化不大，草地占比最大，占56.8%，林地占比第二，为23.3%，再次为耕地，占比13.3%。3个时期耕地先减再增后减，林地草地变化趋势与之相反，与洮河从毁林毁草开荒到实行退耕还林还草措施的进程相对应；且1980s水域减少，2000s水域增加且居住地增加，这与城市化的发展与水利工程的建设密切相关。

表5 不同时期土地利用变化

洮河地形复杂，自20世纪90年代以来，草原牧民长期放牧，毁林毁草开荒，使得植被被严重破坏，草场消失严重且大片的草场的水源涵养能力下降，森林大面积减少，多被开垦为耕地，水土流失严重，生态被破坏现象仍然严重。而对于植被稀少的黄土覆被区来说，人类活动给本就水土流失严重的地区带来了沉重打击，植被退化现象严重，蓄水能力减弱。溥济渠灌区和洮惠渠灌区两大灌区均从20世纪80年代末修建完成，大规模引水调水也发生在这一时期，与径流变化相对应。20世纪90年代以来，水利工程的兴建使得水资源大量消耗，以及下泄流量不足，枯水期甚至可能不会排水，使得一些河道断流。

3 结 论

(1) 近60 a来，洮河流域径流下降趋势显著，平均线性递减率为-1.38 mm/a，1986年以来实测径流量较前期减少28.5%。

(2) 验证期和率定期SWAT模型径流模拟精度较高，纳什效率系数NSE和决定系数R2均超过80%，相对误差RE均小于7%，表明SWAT模型可以较好地模拟洮河流域的天然径流过程。

(3) 变化期的径流量相比于基准期的径流量减少了70 mm，其中气候变化使径流减少了41.2 mm，对径流变化的贡献率为58.9%；人类活动使径流减少了28.8 mm，对径流变化的贡献率为41.1%，且人类活动的影响有增大趋势。

不同的时间尺度模拟结果会有一定的差距，月尺度的径流模拟有待研究。SWAT模型的不确定性分析需进一步研究，如输入、参数、结构和处理方法会产生的影响。