粤桂沿海地区主要流域径流变化及其归因分析

周舒佳，刘 玲，徐昝敏，冯梦茹

(1. 常州市金坛区气象局，江苏 常州 213200；2. 宿迁市泗阳县气象局，江苏 宿迁 223800；3.扬州市宝应县气象局，江苏 扬州 225000)

1 概述

水是人类生存和发展过程中的必要物质，对维持社会经济可持续发展具有关键性的作用。自然条件下，由于气候、地形、下垫面等因素的共同作用，流域水文过程及其变化存在一定的规律性和随机性[1]；近年来，在强烈的人类活动影响下，流域水文过程的变化规律变得愈加复杂[2]。随着气候变化研究的不断深入，区域水资源时空变异和全球水循环变化已成为重要的热点科学问题[3]。

针对变化环境下水文循环变化规律，国内外学者已开展了大量研究，并取得了一系列成果[4-6]。与此同时，为深入揭示流域径流变化机制，学者们从气候变化、土地利用变化、人类活动、CO2浓度升高等角度，采用不同的方法(如流域“配对”法、水文模型、陆面模式等)，开展了水文过程变化归因方面的大量研究[4-8]。如Sun等的结果显示气候变化是鄱阳湖流域径流变化的主要原因，而植被的影响较为有限[4]；窦小东等利用分布式水文模型结合不同的土地利用变化情景，指出农业用地转化为林地或草地导致了澜沧江流域径流量的减少[7]；Piao等指出CO2浓度升高引起的植被叶面积增加，可能是1901—1999年全球径流下降的一个重要原因[8]。毋庸置疑，前人的研究为科学认识水文循环过程，合理开发和利用水资源提供了重要参考，尤其是对水资源供需矛盾突出、水生态系统退化严重的国家和地区。然而，由于人类活动、气候变化存在明显的时空差异，且二者间存在复杂的相互作用，因此，水文过程变化机制也表现出较大的时空差异性，仍需要开展大量典型区域的实例研究，为区域社会经济的可持续发展提供精确的信息支持[9]。

粤桂沿海地区(20.22～22.9°N和107.47～113.04°E，见图1)地处珠江流域南部，广东和广西交界处，总面积为55 542 km2，属温暖湿润的亚热带季风气候区，雨量充沛；该地区河流众多，包括茅岭江、钦江、南流江、鉴江、漠阳江等。近年来，随着国家“西部大开发战略”和广东省“东融西联、南拓北优”等开发策略的推进，该地区社会经济得到了长足的发展[10]。然而，由于气候变化加剧、人类活动规模的不断增大增强，粤桂沿海地区已出现水资源短缺问题，同时还造成了水土流失、水环境下降等一系列生态环境问题，一定程度上制约了区域社会经济的发展[1，11]。以往研究多针对粤桂沿海地区单个流域水文要素变化[1，12-13]，缺乏区域整体化的研究；此外，就粤桂沿海地区径流变化机理的定量化归因分析依然少见，尤其是年代际变化。因此，系统分析粤桂沿海地区气候和径流变化规律，揭示气候变化和人类活动在其中的作用，可以为改善本地区水资源管理及综合利用水资源提供重要参考。

图1 粤桂沿海地区气象站和水文站分布示意

2 资料与方法

2.1 资料及处理

气象要素均来自国家气候中心，包括1961—2010年间33个常规气象站(见图1)的逐日降水、日照时数、10 m风速、相对湿度，及最低、最高和平均温度观测资料。由于缺少辐射资料，本研究采用Allen等[14]推荐的净辐射公式，以日照时数估算净辐射。1961—2010年陆屋、黄屋屯、博白、常乐、化州和荆山6个水文站(见图1)的逐年径流及其流域面积来自广西自治区水文水资源局和广东省水文局，为了估算流域蒸散发(ET)，根据流域面积将逐年径流转换为地表径流。潜在蒸散发(PET)采用世界粮农组织推荐的FAO56 Penman-Monteith公式计算，具体计算公式见Allen等[14]。首先，将研究时段分为1961—1970年(20世纪60年代，即基准期)、1971—1980年(20世纪70年代)、1981—1990年(20世纪80年代)、1991—2000年(20世纪90年代)和2001—2010年(21世纪00年代)，采用反距离权重法对年降水(P)进行空间插值，获得各流域不同年代平均降水；根据流域水量平衡法估算不同年代蒸散发(即P-Q)。气候和水文分量年代变化，以各时段减去基准期表示。

2.2 归因方法

流域水量平衡：

P=ET+Q+ΔS

(1)

式中：

ΔS——流域储水量变化；多年尺度上(本研究取为10 a)，可以近似为0。

根据Zhang等[15]的研究，多年平均ET可以由以下公式计算：

(2)

式中：

ω——与植被类型有关的模型参数。

P和PET的变化均会对水量平衡产生影响，因此，二者引起的径流变化(ΔQclim)可表示为[16-17]：

ΔQclim=CP+CPET

(3)

CP=β·ΔP

(4)

CPET=γ·ΔPET

(5)

(6)

(7)

式中：

ΔP和ΔPET——P和PET的变化；

β和γ——径流对P和PET的敏感性系数[16]；

CP和CPET——由P和PET引起的径流变化。

假设基准期，流域不受人类活动影响，则可以采用公式(2)和基准期的P、PET、ET，估算参数ω；然后利用公式(6)和(7)分别估算β和γ。第p个年代径流相对基准期的变化(ΔQp)可以认为是由气候(即P和PET)变化和人类活动共同影响造成的，则ΔQp可表示为：

(8)

式中：

根据本文所采用的公式(2)，人类活动对径流的影响主要表现在与水土保持相关的措施，如植树造林通过增加对降水的截留和蒸散导致径流的减小[17]。

3 结果分析

3.1 气候变化特征

由表1可见，除陆屋、黄屋屯和荆山，其他流域20世纪60年代的降水均在1 600 mm以上；除陆屋和黄屋屯外，其他4个流域PET均大于1 200 mm。由图2可见，降水和PET变化表现出明显的时空差异。降水变化(见图2a)：陆屋20世纪70年代和21世纪00年代表现为增加，其他两个年代减少；黄屋屯、化州和荆山各时期的降水较基准期均增加；而博白和常乐(除2 000s)各年代降水均有所减少。PET变化(见图2b)：陆屋除了20世纪70年代略有增加，其他年代均减少；黄屋屯、化州和荆山的各个年代PET均表现为减少；博白和常乐，除21世纪00年代的PET略微增加，其他年代均减小。

表1 各流域20世纪60年代的降水、PET和径流

a 降水变化

3.2 径流变化特征

由表1可知，陆屋和荆山20世纪60年代的径流分别为856.91 mm和897.34 mm，而其他流域径流均在800 mm以下。在气候变化和人类活动的共同影响下，各流域不同年代的径流较基准期均发生了变化，但表现出明显的时空差异。由图3可见，陆屋和常乐各年代径流均减少，与之相反，化州各年代径流增加；黄屋屯20世纪70年代和80年代径流较基准期有所增加，增幅大于60 mm，而其他两个年代减小；博白20世纪70年代和21世纪00年代径流略微增加，而其他年代减少；荆山20世纪70年代和90年代径流增加，其他两个年代减小。

图3 较20世纪60年代，各流域不同时期径流变化示意

3.3 径流变化归因分析

图4为降水、PET和人类活动对各流域不同年代径流变化的贡献，随着降水的增加(减少)，径流将增加(减少)；而随着PET的增加(减少)，径流将减少(增加)。由于降水和PET变化的时空差异及参数ω的空间差异，降水、PET和人类活动对径流变化的贡献也表现出明显的时空差异。降水在黄屋屯、化州和荆山对各年代径流变化都有正的贡献，而在博白对各年代径流都有负的贡献，在陆屋则使得20世纪70年代和21世纪00年代径流增加，其余两个年代减少，在常乐使得21世纪00年代径流略有增加，其余年代使径流减少。除了20世纪70年代的陆屋和21世纪00年代的博白和常乐，PET对绝大多数流域的径流变化都起到正的贡献，其中20世纪80年代和90年代的贡献较大。受人类活动影响，绝大多数流域的径流都有所减小，除了20世纪70年代和21世纪00年代的博白，20世纪80年代的黄屋屯以及20世纪80年代—21世纪00年代的化州径流略有增加。

a 降水贡献

对比降水、PET和人类活动的贡献，可以得到各年代径流变化的主控因子(见表2)。陆屋和博白各年代径流变化对应的主控因子均为人类活动，而化州均为降水；黄屋屯20世纪70年代径流变化主要受控于降水，其他年代则受控于人类活动；常乐降水主导了20世纪90年代的变化，其余年代主控因子为人类活动；荆山20世纪70年代和20世纪90年代可归因于降水，其余年代主控因子为人类活动。

表2 各流域不同时期径流变化的主控因子

4 结论与讨论

以粤桂沿海地区主要流域为例，本研究详细分析了6个流域1971—2010年间不同年代降水、PET和径流变化(相对20世纪60年代)特征，并基于气候弹性度方法，估算了气候变化和人类活动对径流变化的贡献，开展了归因分析，得到以下结论：

1) 研究区降水和PET变化都表现出明显的时空差异性，在气候变化和人类活动共同影响下，除了化州，其他流域径流量都出现不同程度的减少，其中20世纪70年代有1/3的流域径流减少，其余年代有2/3的流域径流减小，且20世纪80年代和90年代减少幅度较大，使得粤桂沿海地区水资源综合管理面临严峻的挑战。

2) 对比气候变化和人类活动的贡献可以得出，陆屋和博白，各年代径流变化对应的主控因子均为人类活动，而化州均为降水；黄屋屯20世纪70年代径流变化主要受控于降水，其他年代则受控于人类活动；常乐降水主导了20世纪90年代的变化，其余年代为人类活动；荆山降水主导了20世纪70年代和90年代，其余年代为人类活动。在大多数流域中，人类活动对径流的影响不可忽视，这主要与研究区植树造林，水利工程修建等举措有关。

本研究甄别了控制各流域径流年代际变化的主控因子，有助于各流域制定合理的应对水资源问题的措施。本研究可能存在一定的不确定性，如资料处理中采用固定的地表反照率(设置为常数0.23)估算净辐射，可能会对PET估算造成偏差[18]；气象观测(尤其是降水)经常受仪器和观测场条件的影响[19]，进而给本研究带来不确定性；FAO56 Penman-Monteith公式并未考虑CO2浓度升高对植被生理特征(如气孔导度和植被结构特征)的影响，进而造成PET估算的偏差[20]；剥离各因子贡献的方法其核心为假设20世纪60年代流域陆面水文过程少受或不受人类活动的影响，但事实并非如此，进而带来一定的不确定性。