变化环境下泾河流域径流变化归因分析

张潇雨 佘敦先 邓翠玲 丁凯熙

(武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室， 武汉 430072)

在人类活动和全球气候变化的双重驱动影响下，全球水循环格局发生了显著变化[1]．IPCC报告显示21世纪全球气温升高仍将持续[2]，将会对全球水文循环产生较大影响．其中，径流作为水文循环中的重要环节，与气候变化、人类活动密切相关．人类活动主要通过土地利用/覆盖变化、修建大型水利工程、生态修复工程等方式改变流域下垫面条件，进而影响流域径流变化[3]．近50年来，中国主要江河绝大多数水文站实测年径流有不同程度的减少[4]，给水资源管理和区域经济社会可持续发展带来严重影响．因此，定量区分气候变化和人类活动对径流变化的贡献已经成为当今全球气候变化背景下水文学研究的热点问题之一[5-6]．

国内外学者针对河川径流变化趋势及其归因分析等方面已经开展了大量的研究，当前研究径流变化归因的方法主要有：分布式水文模型、基于Budyko假设的方法和双累积曲线等．分布式水文模型具有良好的物理基础，但该类方法对数据要求较高，且其结果很大程度上依赖于模型的模拟效果[7]．双累积曲线主要通过降雨径流关系进行径流变化归因分析，该方法对降水数据的要求较高且忽略了潜在蒸发对径流的影响[8]．许多学者基于Budyko假设[9]，根据不同的研究目标提出了多种不同的、适用于不同情况的衍生方程[10-13]，并将其广泛应用于定量分离气候变化和人类活动对径流的影响领域，该方法计算简便，对数据要求相对较低，但需要较长时间序列的数据，且数据序列长短对计算结果的精确性有影响[14]．

泾河流域位于我国黄河流域，处于半湿润半干旱的过渡地带．有研究表明泾河流域近几十年来径流呈现明显减小趋势[15]，给区域发展带来了巨大压力，因此理清泾河流域径流变化的影响因素对合理管理与分配区域水资源、制定社会经济可持续发展策略具有重要意义．已有学者采用水文模型或降雨径流关系对泾河流域在不同尺度下的径流变化进行了归因分析，并得出人类活动是导致径流减小的主要原因的结论[15-16]．但上述研究年限大部分是基于2015年之前的径流数据得到的相关结论，随着气候变化的深入影响及不断加剧的人类活动进程，泾河流域径流量的变化趋势是否发生改变以及产生的原因何在，需要进行新的计算与分析．本文基于泾河流域1960—2018年共59年的径流资料和气象数据，采用基于Budyko假设方法，定量分析了气候变化和人类活动对泾河流域径流变化的影响．

1 研究区域概况和数据来源

1.1 研究区概况

泾河是渭河的第一大支流，是黄河水系输沙量最大的二级支流[17]．泾河流域位于黄土高原中部(106°14′～108°42′E，34°46′～37°19′N)[16]，属于典型黄土高原水土流失区域．泾河发源于宁夏六盘山东麓，自西北向东南流经固原、庆阳等地，于高陵县陈家滩注入渭河．河流全长455 km，流域面积45 421 km2[18]．泾河多年平均径流量21.4亿m3，但径流年内分配不均匀，汛期流量占全年径流量的一半以上．泾河流域位于半湿润向半干旱的过渡地带，因此泾河流域的气候具有冬冷夏热、四季分明的特点，年内温差较大，降水量相对较少且集中在夏季[19]．

1.2 数据来源

本文以泾河流域张家山水文站(张家山(二)站和张家山泾惠渠的流量和)1960—2018年实测径流资料作为径流变化规律分析的基础数据．选取流域内及周边14个气象站点1960—2018年相对湿度、降水量、日照时间、气温、风速等气象要素作为基础气象数据，气象站点数据均来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn)．水文站和气象站点空间位置如图1所示．相应气象站点的潜在蒸散发数据由联合国粮农组织推荐的FAO Penman-Monteith公式计算得到[20]，利用泰森多边形法将站点的降水和潜在蒸散发插值成面数据．

图1 泾河流域位置及张家山水文站和气象站位置图

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall检验

Mann-Kendall检验法是用于确定要素时间序列变化趋势的常见方法，在水文要素变化研究中得到了广泛应用．

对一时间序列进行MK统计[21]．若统计结果UF和UB存在交点且位于临界线内，则交点为突变点．

2.2 累积距平法

累积距平法是一种判断变化趋势的统计方法，常用于划分变化的阶段性．对于有n个样本量的时间序列X，某一时刻的累积距平计算公式为:

(1)

2.3 Budyko假设

Budyko[9]假设认为实际蒸散发是降水量和潜在蒸散发的函数，可以表示为：

(2)

式中：E0为潜在蒸散发；E为实际蒸散发；P为降水．

在Budyko假设的应用过程中，不同学者从不同角度考虑，推导出了一系列具体Budyko公式，如傅抱璞[10]考虑了蒸发分别随降水和潜在蒸发的改变率，Choudhury[11]和Yang[12]等考虑水分条件、能量条件，Lu Zhang[13]考虑了植被的影响．这些公式被广泛应用于国内外类似的研究中且效果较好．因此本文选用这3种公式对泾河流域径流变化进行归因分析．

流域蓄水量在多年时间尺度上可忽略不计，因此结合Budyko公式和多年时间尺度的水量平衡公式：

R=P-E+ΔS

(3)

式中：ΔS为多年平均情况下流域蓄水量变化，ΔS=0．

本文应用的3种Budyko公式分别联立式(3)推求出不同的径流深公式，并求偏导得到相应的归因分析公式[22]．

假设径流变化受气候变化和人类活动的影响，其中气候变化只考虑降水和潜在蒸散发的作用，流域径流变化量可以表示为：

ΔR=ΔRC+ΔRω=ΔRP+ΔRE0+ΔRω

(4)

式中：ΔRC、ΔRP、ΔRE0、ΔRω分别为气候、降水、潜在蒸散发、人类活动对径流深的影响量．

各影响因素造成的径流变化量的计算公式如下：

(5)

为了减小单一Budyko公式对径流变化归因分析的不确定性，取上述3种公式结果的平均值作为Budyko假设方法求得的各个影响量的最终结果．

3 结 论

3.1 泾河流域气象水文要素变化特征

泾河流域1960—2018年径流深、降水量与潜在蒸散发的变化趋势如图2所示．由图可得，泾河流域径流深(图2a)在1960—2018年间整体呈现下降趋势，降水量(图2b)整体变化不明显，潜在蒸散发(图2c)呈现上升趋势．

图2 泾河流域1960—2018年径流深、降水、潜在蒸散发年际变化趋势图

3.2 径流深突变检验结果

泾河流域1960—2018年径流深突变检验和趋势分析结果如图3所示．

图3 泾河流域年径流深Mann-Kendall趋势检验法和累积距平法检验结果

Mann-Kendall检验表明泾河流域径流深整体呈减小趋势．UF和UB两条曲线相交于1994年，且该点位于临界直线之间．因此，采用Mann-Kendall检验时，泾河流域径流突变点为1994年．累积距平法分析表明泾河流域的年径流深具有明显的阶段性变化特征，其变化过程大致可以分为两个阶段：1996年以前，径流累积距平整体呈增加趋势，1996年后则呈现出减小趋势．

Mann-Kendall检验和累积距平法检验得到的突变点虽有不同，但是相差不大．结合泾河流域相关论文[23]综合分析，本文最终确定1996年可以视为径流变化的转折点．整个研究时段可划分为突变前(1960-1995年)和突变后(1996—2018年)两个阶段．突变前后径流深、降水量、潜在蒸散发、流域特征参数及其变化见表1．

表1 突变前后R、P、E0及ω的均值变化

3.3 基于Budyko假设的径流变化归因分析

基于Budyko假设的推导公式，泾河流域径流深对降水和潜在蒸散发的敏感系数和归因结果见表2．3种公式计算出的降雨、潜在蒸散发和人类活动对径流变化的贡献率相近，因此认为计算结果较为可靠．综合3种公式计算结果，人类活动导致径流减少14.32 mm，贡献率为84.73%；气候变化导致径流减少了2.58 mm，贡献率为15.27%，其中降水减少导致径流减少了0.10 mm，贡献率为0.59%，蒸散发增加导致径流减少2.48 mm，贡献率为14.67%．因此人类活动是导致泾河流域径流减小的主要原因．近几十年来，泾河流域人口明显增加，工农业用水增加，有严重的土地退化和植被破坏现象[24-25]，修建水库导致流域蒸发量增加[23]．此外，流域内开展的退耕还林草、梯田、修建淤地坝等水土保持措施使得土地持水性和截流量上升，上述因素均是导致径流变化的重要影响因素[26]．

表2 基于Budyko假设的径流变化对降水和潜在蒸散发的敏感系数及归因分析结果

4 结 论

本文基于泾河流域1960—2018年的气象和径流数据，通过MK检验法和累积距平法分析了气象要素和径流的年际变化特征，之后基于Budyko假设方法，定量区分了气候变化和人类活动对泾河流域径流变化的影响，得出以下主要结论：

1)1960—2018年泾河流域径流深呈现明显的下降趋势，突变点为1996年．与突变前阶段相比，突变后阶段实测径流深减小了16.9 mm．

2)人类活动是泾河流域径流减小的主要原因．基于Budyko假设方法的计算结果表明，人类活动导致径流流域径流减少了14.32 mm，贡献率为84.73%．

3)气候变化导致径流减少了2.58 mm，贡献率为15.27%．在气候因素中，蒸散发增加是主要因素，导致径流减少了2.48 mm，贡献率为14.67%；降水对径流的影响较小，贡献率仅为0.59%．

本文为理解泾河流域径流变化及其归因、科学管理泾河流域水资源、制定区域可持续发展战略等提供了理论基础．本文对人类活动中的具体影响因素未展开分析，因此，未来可以加深研究，从而更加准确清晰人类活动对径流变化的影响机制．