基于三种方法的径流变化贡献率对比分析——以彭冲涧小流域为例

盛 菲，刘 士 余，刘 政，叶 晶 萍，杨 敏

(1.江西农业大学 国土资源与环境学院，江西 南昌 330045； 2.江西农业大学 江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室，江西 南昌 330045)

径流是水文循环的重要组成部分，径流量的高低直接影响着地表水资源的开发和利用[1]。由于气候变化和人类活动的双重作用，部分流域的径流量出现下降趋势[1-4]。采用适当的方法定量区分它们对径流变化的贡献率，对流域植被恢复、水资源的合理利用和科学管理等具有重要意义。

目前，国内外学者已开展过许多气候变化和人类活动对径流变化贡献率的定量研究，采用的方法也众多。其中，水文模型法的应用较为广泛，王国庆等[5]利用SIMHYD模型得出气候变化和人类活动对汾河流域径流变化的贡献率分别为35.90%，64.10%；Huang等[2]采用SVM模型，定量评价了两者对渭河流域林家村水文站和华县水文站径流变化的贡献率，结果分别为45.30%，54.70%和34.70%，65.30%；Wang等[6]基于DTVGM模型，在潮河(白河)流域的贡献率计算结果分别为35.00%(31.00%)，68.00%(70.00%)。降水-径流经验统计分析法、双累积曲线法等也是较为常用的方法。李子君等[7]在潮河流域、谢平等[8]在乌力吉木仁河三级区采用经验统计分析法定量评估了气候变化和人类活动对径流的影响程度，其贡献率分别为16.80%，83.20%和24.00%，76.00%；师忱等[9]在滦河流域、樊晶晶等[10]在北洛河流域借助双累积曲线法量化了气候变化和人类活动对径流变化的贡献，其结果分别为39.69%，57.26%和40.00%，60.00%。累积量斜率变化率比较法由王随继等[11]提出以来，受到许多学者的青睐。应用该方法，何旭强等[12]在黑河流域、代晓颖等[13]在太湖西苕溪流域定量计算了气候变化和人类活动对径流变化的贡献率，结果分别为25.23%，74.77%和26.45%，73.55%；张调风等[14]在湟水河流域、Meng等[15]在阿克苏流域的计算结果分别为35.46%，64.54%和76.37%，23.63%。此外，还有少数学者同时采用多种方法开展研究。刘睿等[16]通过经验统计分析法和累积量斜率变化率比较法计算了气候变化和人类活动对淮河上游径流变化的贡献率，得出2000～2010年(变化期)的结果分别为87.40%，12.60%和69.40%，30.60%；张艳霞等[17]采用双累积曲线法、弹性系数法和累积量斜率变化率比较法在锡林河流域2001～2015年(突变期)的计算结果分别为13.09%，86.91%和57.60%，42.40%，以及56.36%，43.64%。

综上所述，由于研究区域、研究方法等的不同，贡献率的计算结果差异较大，且大多数学者是采用单一方法在大、中流域进行研究。尽管也有少数学者采用2种或3种方法，并分析了计算结果的差异性，但是，通过多种方法在同一小流域开展研究，并对其贡献率进行对比分析却鲜见报道，尤其是对多种方法优缺点的归纳分析更是少见。因此，本文以彭冲涧小流域为研究对象，对比分析水文模型模拟法、经验统计分析法、累积量斜率变化率比较法计算的径流变化贡献率，并归纳分析3种方法的优缺点，旨在为定量评价小流域径流变化的贡献率提供参考。

1 研究区域概况和资料来源

1.1 研究区概况

彭冲涧小流域位于江西省九江市都昌县境内，四周闭合，海拔高度80～560 m，无人居住，也未修建水利、水土保持工程，集水面积2.90 km2。气候类型为亚热带湿润季风气候，年均降水量1 560 mm。地理位置为29°31′44″～29°32′56″ N，116°25′48″～116°27′7″ E，地形西北高东南低，主要地层出露为浅变质岩、花岗岩和灰岩，植被类型以杉木林为主(见图1)。20世纪80年代杉木林被砍伐之后，植被一直处于恢复过程中(小流域主要人类活动为植被恢复)，是开展森林植被水文效应研究的天然理想场所。1981年，彭冲涧水文站设立在小流域径流出口处，气象、径流等数据持续观测至今。

图1 彭冲涧小流域示意Fig.1 Pengchongjian small watershed

1.2 研究资料

研究资料来源于1983～2014年彭冲涧水文站的逐日降水、径流等观测数据，春季、夏季、年降水量和径流深由实测资料计算而来。同时，根据水量平衡公式，蒸散发量由降水量减去径流深计算得到。

2 研究方法

Mann-Kendall检验法是一种非参数统计方法，该计算方法简便、定量化程度高且不受其它异常值的干扰，被广泛应用于水文要素随时间序列的趋势变化分析及突变点的检验[18-21]。本文应用该方法进行彭冲涧小流域降水、径流的突变性检验，找出其一致突变点为2003年；在此基础上，将整个研究时段划分为基准期(1983～2003年)和变化期(2004～2014年)，进而定量分析各影响因素对径流变化的贡献率。

2.1 水文模型模拟法

水文模型模拟法主要通过数学方法，将自然界中复杂水循环过程进行概化并给出近似描述，从而帮助研究者更好地理解和预测水文现象[22-23]。本文采用的IHACRES水文模型由Jakeman等于1990年提出，是一种以单位线原理为基础的集总式概念性降雨-径流模型[24]。IHACRES模型在全球范围内应用广泛，采用该模型，Samir等[25]评估了非洲大陆水资源；吴维臻等[26]模拟了黑河上游的降水-径流过程；刘贵花等[27]模拟了赣江流域的径流，表明该模型同样适用于中亚热带季风性湿润气候区。具体计算过程见文献[28]。

2.2 经验统计分析法

经验统计分析法主要是对基准期的降水、径流数据进行回归分析，建立降水与径流之间的经验统计方程。在此基础上，定量分析降水变化和植被恢复对径流变化的贡献率。具体计算过程见文献[29]。

2.3 累积量斜率变化率比较法

累积量斜率变化率比较法应用较为广泛。其自变量为年份，因变量为降水量、径流深等的累积量，其中年份是客观的，累积量使得实测数据年际波动的影响大大降低[30]。具体计算过程见文献[31]。

3 结果与分析

3.1 三种方法计算结果的对比分析

水文模型模拟法、经验统计分析法、累积量斜率变化率比较法的径流变化贡献率计算结果列于表1。

表1 各影响因素对小流域径流深减少的贡献率Tab.1 Contribution rate of each influencing factor to runoff depth reduction in small watershed %

由表1可知：在春、夏季及年尺度上，水文模型模拟法计算的降水变化对径流深减少的贡献率分别为61.00%，81.60%，70.00%，大于另外2种方法的计算结果。这主要是由于水文模型对降水、气温等输入数据较为敏感，可能会在一定程度上高估降水变化对径流变化的影响[32]。

同时，水文模型模拟法和经验统计分析法尽管都定量区分了降水变化和植被恢复对径流的影响，但计算结果仍存在较大差异。即在春、夏季及年尺度上，前者的降水变化贡献率均大于后者，植被恢复贡献率则相反。一方面，水文模型模拟法可能高估了降水变化的贡献率；另一方面，在长时间序列的数据分析中，经验统计分析法可能会受到实测数据年际波动的影响，且降水—径流关系回归分析时的拟合误差也可能会影响计算结果[8，16，28]。

而在春、夏季及年尺度上，累积量斜率变化率比较法得到的降水变化和植被恢复对径流深减少的贡献率分别为50.88%，42.60%，31.26%和16.23%，16.69%，26.10%，均低于水文模型模拟法和经验统计分析法的计算结果。这主要是由于该方法考虑了蒸散发对径流的影响，并能够较好地区分降水变化、蒸散发和植被恢复对径流变化的贡献率。相对累积量斜率变化率比较法而言，前两种方法计算的降水变化和植被恢复对径流变化的贡献率中均包含一部分蒸散发的贡献率，未能区分蒸散发的影响。

3.2 三种方法优缺点的归纳分析

表1显示，3种方法计算的贡献率存在一定差异。因此，本文基于以上计算结果，并结合其他学者的研究成果，对水文模型模拟法、经验统计分析法、累积量斜率变化率比较法的优缺点进行归纳分析，具体见表2。

由表2可知，3种方法各有优缺点。水文模型模拟法与其它两种方法相比，物理机制较好，但人为因素影响较大；经验统计分析法和累积量斜率变化率比较法计算过程简便，但由于缺乏物理机制等问题，仍会导致计算结果存在一定误差；累积量斜率变化率比较法能够计算蒸散发的贡献率，更为全面地考虑了径流变化的影响因素。

表2 三种方法的优缺点Tab.2 Advantages and disadvantages of the three methods

4 结 论

本文以彭冲涧小流域为研究对象，在水文模型模拟法、经验统计分析法、累积量斜率变化率比较法计算得到的径流变化贡献率的基础上，对比分析了3种方法的计算结果，并归纳分析了3种方法的优缺点。主要结论如下：

(1) 在春、夏季及年尺度上，水文模型模拟法计算的降水变化对径流深减少的贡献率分别为61.00%，81.60%，70.00%，高于另外两种方法的计算结果；累积量斜率变化率比较法计算的降水变化和植被恢复对径流深减少的贡献率分别为50.88%，42.60%，31.26%和16.23%，16.69%，26.10%，均低于水文模型模拟法和经验统计分析法的计算结果。

水文模型模拟法和经验统计分析法的计算结果存在较大差异。即在春、夏季及年尺度上，前者的降水变化贡献率均大于后者，植被恢复贡献率则相反。

(2) 水文模型模拟法具有一定的物理机制，参数调整过程受人为主观因素的影响较大；经验统计分析法计算过程简便、数据易获取，受实测数据年际波动和曲线拟合误差影响较大；累积量斜率变化率比较法简便易行，累积量在一定程度上能消除实测数据年际波动所导致的误差，且能较好地定量区分多因素对径流变化的贡献率。

限于作者对水文模型模拟法、经验统计分析法、累积量斜率变化率比较法的认识和理解，哪种方法的计算结果更准确，有待于今后进一步深入研究和探讨。