南北过渡带典型流域径流变化归因对比研究

师润 田鹏 赵广举

摘 要：为探明中国南北过渡带不同河川径流变化的差异，采用线性趋势回归法与累积距平法对比分析了1975—2015年南北过渡带秦岭南麓汉江源武侯站与北麓渭河源武山站的径流变化特征，采用基于Budyko水热平衡方程的弹性系数法开展径流变化的归因识别。研究发现：汉江源区径流呈微弱减少趋势，渭河源区径流呈极显著减少趋势，分别于1990年和1993年发生突变;两流域年径流量均对气候变化较为敏感，特别是汉江源区，其径流对降水变化表现出较高的敏感性;降水、潜在蒸散发和下垫面变化对汉江源径流变化的贡献率分别为65.23%、6.02%和28.75%，对渭河源径流变化的贡献率分别为24.51%、26.62%和48.87%。研究结果表明渭河源区径流对人类活动影响更加敏感。

关键词：南北过渡带;径流变化;Budyko水热平衡方程;气候变化;人类活动;汉江源区;渭河源区

中图分类号：P333;TV121 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.006

Abstract：This study attempted to identify the differences in runoff changes of two rivers in the south and north of Chinas north-south transitional zone. The linear regression test and the cumulative anomaly method were applied to detect temporal variations in runoff at Wuhou and Wushan stations in the sources of Hanjiang River and Weihe River from 1975 to 2015. The elasticity coefficient method based on the Budyko hydrothermal balance equation was applied to quantify the attributions of climate change and land surface changes. The results show that the annual runoff at Wuhou in Hanjiang River shows a slightly decreasing trend， whereas runoff at Wushan Station shows a significant decreasing trend. Abrupt changes are detected in 1990 and 1993 respectively. Runoff in both watersheds shows high sensitivity to climate change， especially in the source of the Hanjiang River， its runoff shows high sensitivity to the changes of precipitation. The changes in precipitation， potential evapotranspiration and land surface contribute 65.23%， 6.02% and 28.75% respectively to the runoff changes in the source of the Hanjiang River and 24.51%， 26.62% and 48.87% respectively in the source of the Weihe River. Furthermore， the runoff in the source of the Weihe River is highly influenced by human activities comparing to that in the source of Hanjiang River.

Key words： northsouth transition zone; runoff changes; Budyko equation; climate change; human activity; the source of the Hanjiang River; the source of the Weihe River

以秦嶺—大巴山为主体的中国南北过渡带，地跨温带和亚热带，是中国南北气候和地理的天然界线[1]。南北过渡带是许多河流的源头，包括长江流域的汉江、嘉陵江、岷江、沱江及黄河流域的渭河、伊洛河等[2]。该地区水资源丰富，其中汉江是陕西省引汉济渭和国家南水北调中线重要引水工程的优质水源地[3-4]，跨地区调水保障了沿线和受水地区社会生产和人民生活基本用水。受气候变化和人类活动的影响，南北过渡带地区的河川径流量日益减少，导致水资源时空分布不均，研究南北过渡带河川径流变化及其驱动因素对缓解区域水资源供需矛盾、促进区域社会经济的可持续发展具有重要意义。

气候波动和人类活动是导致河川径流变化的主要因素[5-6]，有关学者在南北过渡带地区开展了相关的研究，如柯新月等[7]采用径流还原法分析灞河和洵河流域1956—2011年的实测径流量，发现人类活动是导致两流域径流减少的主要原因，贡献率超过了75%;李凌程等[8]定量评估了南水北调中线工程汉江上游流域径流变化的主要驱动因素，发现该流域1991—1999年径流减少主要是受气候因素驱动，而2000—2008年人类活动影响逐步增强且占主导地位。大量研究基于经验统计法[9-12]和水文模型法[13-15]，分析了不同流域径流变化特征与驱动因素，但针对南北过渡带不同流域河川径流变化的对比研究相对较少。笔者选择南北过渡带的汉江源头武侯水文站以上流域和渭河源头武山水文站以上流域为研究区，采用多种统计方法辨析实测径流量变化趋势及突变特征，基于Budyko水热平衡方程识别气候因子对径流变化的贡献率，辨识南北过渡带典型流域径流变化主要原因，以期为区域水资源可持续利用提供科学依据。

1 研究区概况与数据获取

1.1 研究区概况

汉江源流域位于汉江上游干流武侯水文站以上（东经106°00′—106°50′，北纬32°30′—33°40′），流域呈带状，面积为3 092 km2，多年（1975—2015年）平均径流量为10.45亿m3。汉江发源于陕西省宁强县秦岭南麓，汉江源流域水系（见图1（b））主要由干流玉带河和支流沮水河组成。玉带河全长101.1 km，河道平均比降为8.2%，流域面积为831 km2，占流域总面积的26.88%;沮水河长130 km，第二支流较多，流域面积为1 747 km2，占流域总面积的56.50%。整个流域属北亚热带暖温湿润季风气候区，降水均匀且丰沛，多年平均降水量为853.16 mm，多年平均气温为12.7 ℃，多年平均日照时数为1 585.5 h。

渭河源流域位于黄河中游渭河干流武山水文站以上（东经104°00′—105°00′ ，北纬34°20′—35°30′），流域呈叶片状，总面积为8 080 km2，多年（1975—2015年）平均径流量为4.80亿m3。渭河发源于甘肃省渭源县鸟鼠山，渭河源流域水系（见图1（c））主要由左岸秦祁河、咸河和右岸榜沙河3大支流组成。秦祁河和咸河全长分别为67.5、69.0 km，平均比降分别为6.0%、5.3%，流域面积分别为858、1 159 km2，左岸水少质差，洪水含沙量大。榜沙河流经秦岭北麓山地，河道总长102.6 km，支流颇多，流域面积为3 597 km2，年径流量为4.39亿m3，右岸径流来源以降水为主，植被较好，水量大，含沙量小。整个流域地处秦岭北麓西段黄土高原边缘复合地带，受大陆性季风气候影响，光热资源丰富，降水极不均匀，多年平均降水量为468.52 mm，多年平均气温为5.8 ℃，多年平均日照时数为2 348.4 h。

1.2 数据来源与处理

根据汉江源区和渭河源区水文站的分布特点，并考虑数据的准确性、完整性和连续性，选取武侯水文站和武山水文站及其周边8个具有代表性的气象站（略阳、勉县、留坝、宁强和渭源、漳县、陇西、武山），如图1所示。武侯站设立在陕西省汉中市勉县武侯镇，武山站于1974年7月1日由原车家川站下迁至甘肃省天水市武山县。收集整理两个水文站1975—2015年径流数据，研究南北过渡带局部地区1975—2015年径流演变特征，并选取各气象站同时间序列的逐日气侯数据（包括降水、最高和最低以及平均气温、日照时数、平均风速、相对湿度），采用算术平均法计算流域平均降水量，采用被广泛应用的FAO修正PenmanMonteith公式[16]计算流域年潜在蒸散发量。水文数据来源于《长江水文年鉴》《黄河水文年鉴》和《黄河泥沙公报》，气象数据来源于中国气象数据共享服务网（http：//data.cma.cn）。

2 方 法

2.1 趋势及突变分析

采用线性趋势回归法[17]和累积距平法分析年径流、降水和潜在蒸散发序列的变化趋势。线性回归法较为简单，在此不作赘述。累积距平法可由曲线直观反映序列的变化趋势，结合实测值，检验序列的演变趋势及突变点[18-19]。

2.2 径流变化影响因子敏感性分析

基于Budyko水热平衡方程探究径流变化的主要原因已成为研究热点，其中，弹性系数法最具代表性，与数理统计方法相比，其物理意义更明显，所用数据更易获取[20-21]。

2.3 降水量、潜在蒸散发量、下垫面变化对径流变化的贡献

根据突变点对应年份将研究序列划分为两个时段，径流变化（dR）为后一时段的多年平均径流深R-2减去前一时段的多年平均径流深R-1。

3 结果与分析

3.1 南北过渡带典型流域水文情势变化分析

采用线性趋势回归法分析武侯站和武山站1975—2015年年径流量变化趋势，结果如图2所示。武侯站年径流量呈微弱減少趋势，年均减少0.070亿m3;而武山站年径流量减少趋势极显著（α<0.01）（见表1），年均减少0.128亿m3。武侯站的年径流量出现多个峰值，振荡幅度较大，较为离散，极值差异显著，变异系数CV=0.57，多年平均径流量为10.45亿m3。武山站的年径流量减少平缓，数据离散程度不大，无明显峰值，极值差异不大，变异系数CV=0.49，多年平均径流量为4.80亿m3，约为武侯站的1/2。总体上，两站1975—1992年年径流量的振荡幅度均高于1993—2015年的。

进一步判断汉江源区和渭河源区气象时间序列的趋势显著性，结果见表2。汉江源区的年降水量、年潜在蒸散发量序列趋势检验统计值为-0.54和-0.29，渭河源区的检验统计值为-0.75和4.13。这表明汉江源区年降水量、年潜在蒸散发量序列呈不显著减少趋势，渭河源区年降水量序列呈不显著减少趋势，而年潜在蒸散发量序列呈极显著增加趋势。

综合分析过渡带南北气象水文要素趋势变化规律，其中降水量和潜在蒸散发量分别有增加和减少趋势，而径流量均呈减少趋势，这意味着气候变化不是两流域径流量减少的唯一影响因素，人类活动造成的下垫面改变也可能是秦岭南北麓径流量减少的重要原因，需要进一步深入辨析各因子对径流量变化的贡献。

3.2 南北过渡带典型流域径流突变及其与降水关系分析

采用累积距平曲线分析两个流域的年径流量阶段变化特征，结果如图3所示，秦岭南麓汉江源区的径流量、降水量累积距平曲线均在1990年发生了明显转折，而北麓渭河源区的两曲线明显转折分别发生在1993年和1992年。将1990年、1993年对应的转折点作为两流域径流量变化的突变点，据此划分径流量变化的基准期（人类活动影响较弱时段）和变化期（人类活动影响剧烈时段）。汉江源区基准期（1975—1990年）的年均径流量为13.10亿m3，变化期（1991—2015年）为8.75亿m3，变化期比基准期减少了33.21%;渭河源区变化期（1994—2015年）年均径流量为3.16亿m3，较基准期（1975—1993年）的6.70亿m3减少了52.83%。过渡带南北径流突变时间基本一致，与马新萍等[31]、刘登伟等[32]研究结果相同。汉江源区径流减少量较渭河源区大，但渭河源区径流相对减少量大于汉江源区。

径流突变前，汉江源区的径流量和降水量累积距平曲线较为贴合，突变后两者更为贴合，而渭河源区则相反，说明突变以后，汉江源区径流—降水关系未发生显著变化，且受降水影响较突变前更甚，渭河源区的径流—降水相关性明显下降。1975—2015年汉江源区的径流量和降水量累积距平变化具有较好的同步性和一致性，总体呈W形上下波动;而渭河源区的径流量与降水量累积距平曲线变化趋势总体一致，呈钟形分布。这表明汉江源区的径流—降水相关性较高，其径流很大程度上受降水影响，但渭河源区的径流除受降水变化影响外，其他影响因素同样不可忽视。

3.3 南北过渡带典型流域径流变化归因分析

3.3.1 对气候因子和下垫面变化的敏感性分析

汉江源区和渭河源区各时期的气候因子P、PET和下垫面特征参数ω及其弹性系数见表3。与基准期相比，两个源区变化期的P和R均减小，PET和ω均增大，且渭河源区更加明显;两个源区的干旱指数PET/P均增大，径流系数R/P均减小，R与P呈正相关，但与PET、ω呈负相关;汉江源区和渭河源区的干旱指数均值分别为0.83和1.72，渭河源区干旱指数>1>汉江源区干旱指数，表明汉江源区的气候相对湿润，渭河源区气候相对干旱。

汉江源区径流对P、PET和ω的弹性系数大小关系为|εP|>|εPET|>|εω|，其范围分别为1.87～2.16、-1.16～-0.87和-0.74～-0.61，即P、PET或ω每增加1%将分别导致1.87%～2.16%的径流增加，0.87%～1.16%或0.61%～0.74%的径流减少。渭河源区三者大小关系为|εP|>|εω|>|εPET|，其范围分别为2.60～3.18、-2.35～-1.63和-2.18～-1.60，即P、ω或PET每增加1%将分别导致2.60%～3.18%的径流增加，1.63%～2.35%或1.60%～2.18%的径流减少。另外，汉江源区|εP|与|εPET|的和小于渭河源区，这表明两流域均对P的变化最为敏感，且渭河源区径流对气候变化的敏感性高于汉江源区。

表3同时反映了各时期径流对气候因子和下垫面敏感性的变化。变化期汉江源区的|εP|、|εPET|较基准期的增量均大于|εω|的增量，而渭河源区|εω|的增量大于|εP|、|εPET|的，表明南北过渡带两典型流域径流对P、PET和ω的变化的敏感性正在发生变化，其中汉江源区径流对气候变化的敏感性在不断增强，对下垫面变化的敏感性逐渐减弱，而渭河源区径流对各因子的敏感性均逐渐增强，尤其是对下垫面变化的敏感性。

3.3.2 径流变化的归因识别

两流域P、PET和ω对径流减少的贡献见表4。与基准期相比，在变化期，南北过渡带两个典型流域的P和R均减小，ω和PET均增大。图4（d）表明汉江源区降水量对径流变化的贡献率达到了65.23%，人类活动引起的下垫面特征变化的贡献率次之，为28.75%，潜在蒸散发量的贡献率仅占6.02%;在渭河源区，人类活动的贡献率最大，为48.87%，由P和PET引起的气候变化贡献率约占1/2，这与左德鹏等[33]研究结果相同，且PET的贡献略大于P。

以上研究表明，汉江源区降水是造成径流变化的主导因子，且贡献率为65.23%，而渭河源区径流变化与人类活动密切相关，下垫面变化对径流减少的贡献率接近50%。由此可知，南北过渡带典型流域间径流变化差异主导因子不同，对径流减少贡献也不同。

4 讨 论

对比南北过渡带秦岭南北麓河川径流变化发现，渭河源区径流量减少显著，而汉江源区径流量未发生明显减少。两个流域的径流量在20世纪90年代初发生突变，该时期处于枯水期，其主要原因是北半球大尺度的气候波动[31]。

对比而言，汉江源区的径流量远大于渭河源区，但渭河源区径流量减少趋势显著性高于汉江源区。一方面降水是径流的主要来源，过渡带秦岭南麓的降水量明显高于北麓，潜在蒸散发量南麓低于北麓;另一方面汉江源区多山地陡坡，土层浅薄，径流可快速汇集至出水口，茂密的植被有效减少了蒸散发消耗，而位于黄土高原边缘的渭河源区地形平缓开阔，尤其是渭河左岸地区，其土壤质地疏松多孔不易蓄水，导致径流汇集缓慢，且被深厚的黄土覆盖，径流汇集过程中下渗和蒸散发消耗较多。两个源区气候变化亦不同，汉江源区气候因子变化趋势不显著，渭河源区潜在蒸散发量呈极显著增大，降水呈不显著减少且年潜在蒸散发量远大于该区年降水量，其径流变化受蒸发能力直接影响[33]。

河川径流量的减少不仅受气候波动影响，还与人类活动引起的下垫面变化关系密切。据统计，1985—2008年汉江源区森林覆盖率提高了22.5%。退耕还林全面实施后，汉江源区2000—2012年的土地利用變化较整个汉江流域相对缓慢，其间林地面积增加约3%，草地、水域及其他用地变化很小。此外，汉江源区无大型水利工程，少量中、小型水利工程对该流域水文的影响并不显著。渭河流域实施了大面积的坡改梯、退耕还林还草等水土保持措施，使得下垫面环境发生显著变化。这些措施一方面拦蓄地表径流，增加了降水的入渗和蒸发，另一方面随着林地面积增加，林冠层和地被物对雨水的截持量明显增加，使得径流减少[34]。截至2009年底，武山县总计退耕还林35 933 hm2。除受水土保持措施和退耕还林还草工程的影响，农业灌溉引蓄水等水利水保工程（淤地坝、水库、水窖）对径流的减少起到很大的作用[11]。1996年起陕甘地区实施“集雨窖灌”工程，每年集蓄雨水约600万m3，对比汉江源区，渭河源区土地利用覆被变化、农业灌溉、水土保持与水利工程实施及快速城市化对河川径流变化的影响更为剧烈，是该区径流减少的主要因素。

5 结 论

以南北过渡带秦岭南麓汉江源区和北麓渭河源区为研究区，采用线性趋势回归和累积距平等方法分析其径流变化特征，运用弹性系数法量化气候和人类活动对南北过渡带秦岭南、北麓径流变化的贡献，主要结论如下。

（1）南北过渡带的汉江源区和渭河源区1975—2015年径流量均呈减少趋势，且渭河源区减少趋势更加显著。汉江源区年径流量减少速率为0.070亿m3/a，渭河源区为0.128亿m3/a;受气候干湿交替影响，两流域年径流量分别在1990年和1993年发生突变，突变后年均径流量分别减少了4.35亿m3和3.54亿m3。

（2）过渡带南北气候差异明显，渭河源区干旱指数>1>汉江源区干旱指数。采用弹性系数法计算发现两流域对降水变化最为敏感，渭河源区径流对气候变化的敏感性高于汉江源区。汉江源区径流对气候和下垫面变化的敏感性分别呈不显著增强和减弱趋势，而渭河源区对两者的敏感性均呈显著增强趋势，尤其是下垫面变化。

（3）汉江源区降水、潜在蒸散发、下垫面特征对径流变化贡献率分别为65.23%、6.02%、28.75%，而渭河源区三者的贡献率分别为24.51%、26.62%、48.87%。由此可见，汉江源区径流受气候变化影响更为显著，而渭河源区人类活动的贡献率接近50%，原因一方面是大规模的水土保持措施显著减少了地表径流，另一方面是农业灌溉、雨水集蓄等贡献较大。

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