渭河流域上游气候变化及其对径流的影响

刘引鸽，龙 颜，郑润禾，周欢欢，黄 雪，胡浩楠

(宝鸡文理学院 地理与环境学院，陕西 宝鸡 721013)

1 研究背景

水文循环是地球上重要的物质能量循环，其过程不仅与周围自然地理环境相关，人类施加的外力因素也会使其发生变化。据IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)评估报告，地表温度受气候变化的影响在19世纪末至21世纪初呈上升状态，20世纪50年代后更是加剧升温[1]。在全球气候发生了明显变化的背景下，各气候要素也随之变化。发生变化的气候要素与不断进行的人类活动在一定程度上改变了水资源的时空分布格局。因此，探讨气候变化及其水文效应成为当前的研究热点之一。有学者研究了气候变化背景下冰川的变化[2]、流域气温和蒸散的变化[3]以及区域气温小于0℃的首日气候特征[4]，使用多个水平衡模型研究人为作用和气候变化对流域水资源可利用性的潜在影响[5]，开发了新的气候模式来分析气候在未来的变化及其与水资源的关系[6]。20世纪末，我国逐渐展开相关水文研究，结合气候变化分析水文变化特征[7]，国内学者针对不同地区区域径流量对气候变化的响应进行研究，如渭河[8-10]、黄河[11-13]、淮河[14]、东江[15]等流域，这些研究主要注重单气候要素对径流量的影响，而关于多气候要素结合对径流量影响的研究较少。

研究气候环境变化下的水文水资源变化情况有助于制定更加有效的水资源管理策略，科学规划、合理利用水资源[16]。渭河流域是全国最重要的河流流域之一，对气候变化的响应明显，同时也是重要的水资源供给区，关系着流域内人民的日常生活和社会活动。鉴于渭河流域的重要地位，一直以来对渭河流域的相关研究也从未中断，尤其是气候变化与水文循环的关系一直在研究探索中。本文以渭河上游为研究区，根据所选取气象站点的气温、降水量、风速、日照时间、蒸发等数据，以及水文站点的径流数据，分析各气候要素和水文要素的时空变化规律及其相关关系，探讨在人类活动程度不同的区域气候变化和人类活动对径流的影响，这些研究对区域水资源利用以及环境管理有重要意义。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

位于中国内陆的渭河具有重要的地理意义，流域以林家村为上游和中游的分界。近几十年来气候变化对流域地表水资源影响极大，同时引起气候水文事件频繁发生[16-18]，对流域内社会经济产生了重大影响。

本文选取渭河流域上游时间序列较为完整、分布均匀且比较典型的25个气象站，整理各站与水文循环关系最为密切的气温、降水量、风速、日照时间和蒸发等气候要素1960-2017年的日数据，选取位于干流不同河段，自然环境和人类活动水平均有所差异的林家村、北道、武山以及渭源站4个典型水文站，收集其1960-2010年的径流数据(其中武山、渭源站径流数据到2005年为止)，分析渭河上游近60年气候变化及径流量的时空变化特征，以及自然气候变化和人类活动对水文径流量的影响程度。渭河上游流域及选取的气象站和水文站分布情况如图1所示。

图1 渭河上游流域及选取的气象站和水文站分布

2.2 研究方法

采用最小二乘法计算气候要素及水文要素的趋势率，分析其时空变化特征，分别用小波和Mann-Kendall检验法分析周期及突变特征，通过计算水文要素与气候要素的相关系数分析相关关系。利用双累积曲线法对影响径流量的自然及人为因素进行贡献率分析。

双累积曲线法的原理是以降水量和径流量为变量做双累积曲线，将曲线斜率发生明显变化的年份作为突变年，第1个突变年以前定为基准期，也认为是无人类活动影响的自然状态的径流量变化，再通过累积降水量-径流量的拟合关系式估算径流量，突变后的实际径流量减去估算径流量即为径流量受到人类活动影响的变化量，突变后估算径流量减去基准期径流量即为径流量受到气候变化影响的变化量[19-20]。相关公式如下：

ΔR=Rs-Rb

(1)

(2)

(3)

3 结果与分析

3.1 气候要素的时空变化特征

图2、3分别为渭河上游各气象要素的年际、季节变化特征。由图2可知，除年均气温以0.29 ℃/10a的速率上升，其他气候要素的年际变化都表现为下降，年降水量、风速、日照时间、蒸发趋势率分别为-14.36 mm/10a、-0.05 (m·s-1)/10a、-19.91 h/10a、-4.64 mm/10a。

图2 1960-2017年渭河上游各气象要素年际变化

由图3可知，全年各季节均处于升温趋势，升温速率在冬季最大，为0.34 ℃/10a；降水量在春、冬季以0.04、0.73 mm/10a速率增加，夏、秋季以-4.89、-8.65 mm/10a速率减少；全年各季节风速均有所下降，春季达-0.09 (m·s-1)/10a，其他季节均在-0.04 (m·s-1)/10a左右；日照时间在春季呈上升趋势，趋势率为4.43 h/10a，夏、秋、冬季分别以-8.32、-6.01、-8.97 h/10a的速率下降。春季蒸发趋势率为3.91 mm/10a，夏、秋、冬季都均有所减少，减少速率分别为-2.46、-3.94、-2.15 mm/10a。

图3 1960-2017年渭河上游各气象要素季节变化

年代变化上，气温呈现20世纪60至70年代有所降低、80年代后整体显著升高的特点。降水量在20世纪60至70年代先减少后上升，80年代后的近40年内出现几次较为明显的增长，整体波动下降。风速、日照时间、蒸发在20世纪80年代、90年代和21世纪后总体均呈现下降、上升、下降的趋势。

采用ArcGIS插值给出各气象要素线性趋势率空间分布，如图4所示。由图4可以看出，1960-2017年渭河上游整个区域年均气温均为增加趋势，但有区域差异，其中会宁、安定及甘谷、西和一带增温速率快，会宁增温速率最大，为0.48 ℃/10a，华亭增温速率最小，为0.14 ℃/10a，区域北部与南部增温较快。整个区域降水量则呈减少趋势，东部地区降水量减小速率大于西部，岷县降水量减少速率最大，为-33.6 mm/10a，榆中减少最小，为-3.68 mm/10a。西部的漳县、岷县及榆中、安定一带风速呈增大趋势，榆中的风速增大趋势最大，为0.16(m·s-1)/10a，东部区域风速呈减小趋势，趋势率最小值(最大减小速率)出现在张家川，为-0.38 (m·s-1)/10a。除西和、清水的日照时间为上升趋势外(西和变化趋势率达到最大值，为28.2 h/10a)，其他区域的日照时间均为减少趋势，六盘山减小速率最大，为-58.7 h/10a。蒸发量空间变化分布不均，甘谷上升速率最大，为50.85 mm/10a，其余大部分地区以下降趋势为主，隆德出现最大的减小趋势，为-69.53 mm/10a。整体而言，该区域的西北部降水量、风速增大，东部减小，蒸发量及日照时间为南部增加，北部减少。这种变化与地理环境、人类活动及气象要素的相互影响相关。

图4 1960-2017年渭河上游25个气象站点各气候要素趋势率空间分布

1960-2017年渭河上游各气象要素小波变换实部图如图5所示。由图5可以看出，2～6、14～22、25～30 a为渭河上游地区年平均气温的周期，其中第一、第二主周期分别为22、6 a；年降水量的多个周期为2～6、8～12、14～17、18～24 a，其中20 a为主周期；年平均风速的变化呈现10～14、16～21、23～30 a周期特征，20 a时间尺度为主周期；年平均日照时间以2～8、10～15、20～30 a为周期，主周期为25 a；年蒸发量存在5～13、17～24、25～30 a周期特征，主周期为20 a。总体上各气候要素变化主周期均在20～30 a的时间尺度内。

图5 1960-2017年渭河上游各气象要素小波变换实部图

气候要素年季变化的M-K突变检验结果(图略)表明，渭河上游年平均气温的突变年份为1996年，春、夏、秋、冬季分别在2002、2001、1995、1995年突变；年降水量突变点为1970年，季节突变不明显；2000年为年平均风速突变的时间点，1979、1999、1995年分别为夏、秋、冬季的突变时间点；年平均日照时间突变点为2008年，2002年夏季也发生了突变；年蒸发量没有出现较为明显的突变，春季突变点为1983年。总体上，20世纪末至21世纪初是除降水量以外的各气候要素发生突变的时间段。

3.2 气候变化对径流量的影响

3.2.1 径流量变化 径流是水文循环的主要要素之一，径流量变化对气候要素有一定响应。图6为研究期林家村、北道、武山、渭源4个水文站径流量年际变化和年代际变化趋势。由图6可知，渭河上游4个水文站的径流量均呈现明显的下降趋势，林家村、北道、武山、渭源站径流量变化速率分别为-5.074×108、-2.895×108、-1.201×108、-0.033×108m3/10a。北道和武山站径流量在1960-2017年内的年代变化均表现出20世纪60至70年代增加、80至90年代显著减少，21世纪后有所增加的特点。林家村站径流量变化与北道、武山站在21世纪前径流量变化趋势相同，21世纪后林家村仍表现为微弱下降。渭源站在20世纪60、70、80、90年代及21世纪后的径流量变化分别为减少、增加、增加、减少、增加。4个水文站的径流量由大到小依次为林家村站、北道站、武山站、渭源站，也是由于各站所处不同的河段位置所造成的。

图6 研究期4个水文站径流量年际变化和年代际变化趋势

3.2.2 径流量与各气候要素的相关关系 通过计算4个站点的径流与各气象要素的相关系数，表明均具有一致的相关性。以林家村水文站为例，其径流量与各气候要素的相关系数及相关关系曲线分别见表1和图7。由表1可知，对径流量而言，降水量的影响较为明显，与其呈显著正相关；风速与其相关系数较低，关系不明显；气温和蒸发的影响也较为明显，与其有较高的相关系数，呈显著负相关。与降水量呈显著负相关关系的气候要素为日照时间和蒸发量，除降水量以外的其他气候要素均与蒸发量呈正相关。各相关关系均通过0.05显著性检验。由图7可知，径流量随气温、日照时间、蒸发量的增加以及降水量的减少而减少。

表1 林家村站径流量与各气候要素的相关系数

根据径流量与这些气象要素的线性关系可估算出，降水量每增加1 0 mm，径流量将增加0.61×108m3，气温每升高0.1℃，径流量将减少1.09×108m3，蒸发量每减少10 mm、日照时间每减少1 h，径流量分别增加0.53×108、0.03×108m3。

由此可见，径流量变化受到气温、蒸发量和降水量的影响程度较大，径流量减少与气温和蒸发量的增加以及降水量的减少有关。

蒸发量在时间变化上并没有随着气温的升高而呈现增加趋势，而是为减少趋势，这可能是因为虽然气温升高有利于蒸发量增大，但风速、日照时间的减少使蒸发量减少，综合作用结果使渭河上游的蒸发量为减少趋势。

3.2.3 自然和人为因素对径流量的影响 自然地理环境的变化与近些年来增加的人为因素都在进一步干涉水文循环过程。为了更加了解流域内的水资源现状，对径流量变化影响因子的定量分析是有必要的。由于各水文站所代表的不同区域内的自然因素即气候变化以及人为因素即人类活动的水平不同，对径流量变化的贡献率也因此产生差异，可利用双累积曲线法进行具体分析，图8为降水量与各水文站径流量的双累积曲线。

图7 径流量与各气候要素相关关系曲线

由图8可知，1970和1993年各站径流量和降水量的双累积曲线斜率均发生了明显的变化，并且在各分段内累积径流量和累积降水量的线性相关程度均大于0.99，通过显著性检验，可以确定径流量的突变点为1970和1993年，第1个突变点之前即1960-1969年为基准期(即假定为无人类影响时期)，并将基准期之后的时间段划分为1970-1979年、1980-1989年、1990-1999年、2000-2010年，分析不同研究时间段内径流量受到自然和人为因素影响的程度大小。

图8 降水量与各水文站径流量的双累积曲线

首先估算出林家村、北道、武山、渭源站在基准期的径流量分别为31.47×108、17.97×108、7.35×108、0.27×108m3，依据各站累积降水量和累积径流量的拟合公式及各站在突变期径流量的总变化量，估算径流量发生突变后的变化总量及气候变化和人类活动造成的影响量和贡献率，结果见表2、3。

表2 不同年代各水文站径流量总变化量及气候变化和人类活动的影响量 108 m3

由表3可以看出，由于20世纪80年代渭河流域雨水较多，降水量对径流量减少的作用较小，同时区域径流量因土地利用结构等受人类活动作用发生改变而加剧减少，人类活动作用于径流量的程度较高，达到77.6%～94.5%。20世纪90年代，径流量随着该时期降水量的减少发生变化，气候变化对径流量减少的贡献率有所上升，在23.58%～42.53%之间，人类活动贡献率有所减小。到21世纪，高速发展的社会经济和逐渐频繁的工农业生产增强了人类活动，对径流量减少的作用更加明显。在4个水文站中，林家村站和北道站位于渭河干流的下游河段，地势相对平缓，居民更加密集，人类活动也更加频繁，导致人类活动对径流量的影响更加显著。武山站和渭源站位于干流上游及源头区域，周边地势较高，人类的活动强度相对低于林家村站和北道站，因此在影响径流量变化的程度上，人类活动的作用程度较低，气候变化的作用程度则在各时段均大于林家村站和北道站，气候变化贡献率最高超过了40%，说明武山和渭源所处区域自然气候影响更加明显。总体上，人类活动的贡献率在干流区域的下游达75%以上，在上游区域为57%以上，自然气候对径流量影响相应的贡献率分别为25%及43%以下。在降水量异常减少年代，气候变化对径流量的影响增大。

表3 不同年代气候变化和人类活动对各水文站径流量变化的贡献率 %

从自然和人为因素在不同年代的贡献率水平差异及变化情况可以看出，20世纪70至80年代，渭河流域降水较多，对径流量减少的作用也较小，到90年代，渭河流域降水量减少，而蒸发量增加以及气温升高的程度显著大于其他年代，径流量受气候变化的影响程度因此增加。同时，土地、植被等下垫面的状态由于人类活动而发生改变，进一步作用于径流量。对比4个水文站的人类活动和气候变化对径流量减少贡献率的差异可以看出，不同的地理位置造成不同的自然环境，同时人类的生产、生活活动也会受到自然条件的影响而呈现不同的强度。因此，在不同区域，径流量变化受到自然环境和人类活动的影响程度也出现差异，导致不同的贡献率。在林家村、北道、武山、渭源4个水文站中，渭源站与另外3站差异较明显，特别是在20世纪70至90年代，气候变化的贡献率明显高于其他3站，21世纪后渭源站径流量减少的人类活动贡献率虽然明显上升，但仍在4站中最低，这与渭源所处渭河源头的地理位置及其经济发展水平有关。

4 结 论

(1)渭河流域上游年和四季平均气温均呈上升趋势；年降水量和夏、秋季降水量减少，春、冬季上升；风速在年和四季变化上均呈下降趋势；年平均日照时间减少，春季上升，其他季节减少；蒸发量在春季上升，其他季节和年平均蒸发量减少。各气候要素均表现出多个周期特征，其中主周期均为20～30 a时间尺度，突变时间则集中在20世纪末至21世纪初。气候要素空间变化区域有差异。

(2)结合各站径流量的变化情况，可以看出在年代变化上，4个水文站整体分别在20世纪60和70年代均有增加，但总量在减少，随后80、90年代显著下降，21世纪后有所增加，但总量小于60、70年代，近60年内径流量整体减少。各气候要素与径流量的相关关系中，气温、日照时间和蒸发量与径流量为负相关，降水量与其为正相关。且降水量每增加10 mm，径流量将增加0.61×108m3；气温每升高0.1 ℃，径流量将减少1.09×108m3，蒸发量每减少10 mm、日照时间每减少1 h，径流量分别增加0.53×108、0.03×108m3。

(3)由于不同年代具有不同的气候特征和人类活动水平，因此对径流量的作用水平也不同。气候变化贡献率在干流区域林家村、北道站为5%～25%，在武山和渭源站为11%～43%之间。20世纪70至80年代渭河上游径流量减少受自然因素作用较小，90年代后降水量异常减少、气温和蒸发量增加使气候因素对径流量变化的作用加剧。21世纪后，人为作用显著。自然环境和人类活动强度的差异会造成不同的贡献率水平，但径流量的变化仍以人类活动影响为主，说明减少人类活动对径流量的影响是水资源管理的重要措施。