漓江流域径流演变归因分析

吴沛霖，班华珍，吴卫熊，李昊翔

（1.广西壮族自治区水利科学研究院 广西水工程材料与结构重点实验室，南宁 530023；2.华中农业大学资源与环境学院，武汉 430070）

0 引言

漓江流域是国家生态保护重点领域和禁止开发区域，是珠江水系重要的水源涵养地，漓江流域水资源和景观资源的可持续利用对于维持流域内以及下游河流的经济和社会发展具有十分重要的意义。流域的径流量直接影响流域的生态环境与可利用水资源量，但在气候变化和人类活动的背景下，流域径流量发生了不同程度的改变[1]。降雨是径流形成的首要条件，气温是影响水文循环的重要因素[2]，NDVI[3]和土地利用类型[4]揭示下垫面的透水性，这些因素直接或间接地影响了流域的径流演变。进行流域径流演变归因分析，有利于揭示流域生态环境演变过程，对流域水资源开发利用有重要意义。

国内外众多学者进行了径流演变分析及演变的归因分析。通常从对水文、气象要素的趋势性、突变性和周期性探究要素的演变规律[5]。常用的径流演变分析方法总体上可以分为水文模型法、基于Budyko 假设的弹性系数法、双累积曲线法和累积斜率变化率分析法[6]。本文获取了1991—2020年漓江流域降雨、径流、气温、NDVI数据与土地利用情况，进行各要素的趋势分析和突变分析、与径流的线性相关性分析，最后采用累积斜率变化率分析法定量分析人类活动与气候变化对径流演变的影响，旨在探明流域径流量演变的驱动因素，成果可为涵养漓江流域水资源提供理论依据。

1 研究区概况

漓江是珠江流域西江水系一级支流桂江的上游河段，发源于桂林市兴安县西北部的越城岭猫儿山八角田高山沼泽带。本文将阳朔站址以上作为漓江流域的研究区，面积约5585 km2。流域年平均降雨量为1900～2000 mm，汛期一般在3～8 月，汛期连续最大4个月径流量占年总径流量60%以上。流域内多为土岭和石山交错、岗丘平川相间分布，地势北高南低。流域内主要水文站点有灵渠（三）水文站、桂林水文站、良丰水文站、阳朔水文站等。流域示意图见图1。

图1 漓江流域水系河流及其站点分布情况示意图

2 材料与方法

2.1 数据

月平均降雨量、月平均径流量数据来自水文年鉴，空缺数据（2018 年）采用内插的方法进行处理；NDVI数据、土地利用变化数据出自遥感解译；年平均气温数据来自资源环境科学与数据中心（www.resdc.cn）。

2.2 方法

本文采用线性趋势法、累积距平法分析径流量、降雨、气温的趋势和突变。利用Pearson 相关系数计算径流量与降雨、气温、NDVI、土地利用变化的线性相关性。利用累积量斜率变化率分析法定量分析气候变化和人类活动对径流的影响。

2.2.1 线性趋势法

设有时间序列xi（i=1，2，3，…，n），ti表示xi所对应的时间，建立xi与ti之间的一元线性回归方程：

式中：xi为时间序列；ti为年份；a、b为回归常数，b＞0表示序列有增大趋势，反之，有减小趋势。

2.2.2 累积距平法

累积距平法是一种通过曲线反映序列变化趋势的非线性统计方法，从累积距平曲线的起伏可以判断系列的演变趋势及变化，并根据累积距平曲线的转点判断其突变点。时间序列x在t时刻的累积距平值如式（3）：

将n个时刻的累积距平全部算出来，即可绘制出累积距平曲线进行分析。累积距平曲线呈上升趋势，表示距平值增加，呈下降趋势则表示距平值减小。从曲线明显的上下起伏可以判断其长期显著的演变趋势及持续性变化，甚至可以判断出发生突变的大致时间。

2.2.3 Pearson相关系数

Pearson 相关系数用来衡量两个变量间的线性关系程度，用以对定距连续变量的数据进行计算。计算公式为：

式中：x，y分别表示两个变量；n为变量个数；R为Pearson相关系数。

2.2.4 累积量斜率变化率分析法

累积量斜率变化率分析法根据突变年份将径流系列划分为基准期和人类活动期两个时期，基准期人类活动较少，可忽略不计；人类活动期径流同时受气候变化与人类活动的影响。基于两个时期，分别计算降雨、气温、径流累积量回归方程斜率变化，并进一步计算气温、降雨和人类活动对径流的贡献率。

（1）建立累积线性回归方程。基准期和人类活动期的累积量-年份线性回归方程如下：

基准期：

式中：xbasei和xvarii分别为基准期和人类活动期的径流量、降雨、气温；t1和t2分别为基准期和人类活动期的长度，a；S为累积量斜率；b为截距。

（2）斜率变化率计算。降雨、气温和人类活动的斜率变化率根据下式计算：

式中：SP1、SP2、ST1、ST2、SR1、SR2分别为基准期和人类活动期降雨、气温和径流的累积量斜率；RSR、RSP、RST分别为人类活动期相对于基准期的变化率。

（3）贡献率计算。对径流量变化的贡献率根据以下公式计算：

降雨对径流的影响：

式中：CH、CP、CT分别为人类活动、降雨和气温对径流变化的贡献率。

3 结果与讨论

3.1 径流演变分析

漓江流域1991—2020 年径流变化趋势如图2所示。总体而言，流域径流以0.3 835×108m3/a的速率增长。根据累积距平法，在置信度α=0.05的条件下，径流量于2015 年前后发生突变。年径流量在1991—2004年间呈现较大幅度的波动，2004—2015年波动幅度变缓，但均值与上一时期基本一致；2015 年降雨量迅速增大，在后几年呈现下降趋势，但最终又上升至与2015年基本持平。

图2 漓江流域1991—2020年径流量

1991—2014 年间，漓江流域平均径流量为68.65×108m3；标准偏差为15.51；极大值出现在1993年，为99.97×108m3，极小值出现在2011年，为40.68×108m3，极大极小值比例为2.46。2015—2020年间平均径流量为95.61×108m3；标准偏差为9.22；极大值出现在2015 年，为106.59×108m3，极小值出现在2017年，为83.32×108m3，极大极小值比例为1.30。表明2015年后流域径流量显著增大，且年际变化减小。

3.2 气候变化分析

漓江流域1991—2020年降雨量、气温变化如图3所示。流域年降雨量、年均气温分别以15.56 mm/a和0.0 271℃/a的速率上升。

图3 漓江流域1992—2020年降雨量、平均气温变化图

根据累积距平法，在置信度α=0.05 的条件下，年降雨量于2012 年前后发生突变，年均气温于2017 年前后发生突变。突变前后各特征值如表1所示。

表1 突变前后各特征值情况

年降雨量在突变后极大极小值均显著增大，极值比变低，表明极大值与极小值间差距减小，突变后降雨量有总体增大的趋势，突变以后标准偏差增大，表明突变后降雨量年际变化增大。降雨量-径流量Pearson相关系数为0.93，表明年降雨量和年径流量的呈正相关趋势，且线性相关性较高。年降雨量和年径流量的变化曲线也呈现相似趋势，均为1991—2014年间上下波动，2014—2020年间数值增大，仍上下波动。相关性较强的原因之一是漓江属雨源型补给性河流，降雨是影响径流量的主要因子。

年均气温突变后极大极小值均显著增大，极值比基本不变，但标准偏差显著增大，对比图3 可知，气温在1991—2017 年间变化较为平缓，在2016年到达30 年间最低点后开始拉升，均值显著增大。气温-径流量的Pearson 相关系数为0.23，线性相关性弱。且气温在1991—1997年间变幅较小，呈波动趋势，1998—2017年间趋势与前一个时期一致，但波动增大，后数值增减上升；而年径流量在1991—1997和1998—2017 年间并没有呈现出相同的趋势，表明气温影响了径流量的变化，但不是主要因素。

3.3 NDVI变化分析

漓江流域1991—2020 年NDVI 变化如图4 所示。从长系列看，流域NDVI 以0.0 052/a 的速率上升。根据累积距平法，在置信度α=0.05 的条件下，NDVI于2010年前后发生突变。

图4 漓江流域1990—2020年NDVI变化图

1991—2011年间，漓江流域平均NDVI 为0.57；标准偏差为0.05；极大值出现在2003年，为0.65，极小值出现在1991 年，为0.49，极大极小值比例为1.33。2012—2020年间平均NDVI为0.68；标准偏差为0.04；极大值出现在2012年，为0.71，极小值出现在2014 年，为0.62，极大极小值比例为1.15。漓江流域地表植被覆盖区域逐渐增多，且年际间的变化逐步减小。

NDVI-径流量的Pearson相关系数为0.39，线性相关性较差。变化趋势方面，NDVI 在1991—2004年间呈现波动上升趋势，2005—2011年上升趋势停滞，后逐渐上升；径流量在1991—2004 年间大幅度波动，2005—2014年均值降低，波动幅度减缓，后逐渐上升，两者未呈现完整的同步变化或先后变化趋势。NDVI影响了径流量的变化，但不是主要因素。

3.4 土地利用变化分析

通过遥感解译，将漓江流域土地利用类型分为旱地、植被、稻田、水体和城镇，不同年份流域的土地利用类型见表2。由表2 可以看出，旱地面积增大，植被面积减小，但5年间的变化幅度不超过5%，30年累计变化幅度不超过10%，流域呈现荒漠化趋势。30 年间，稻田和水体的面积有增有减，总体呈现出面积增加的趋势；1995—2000 年间，稻田面积变幅最大，增大了31.13%；2005—2010年间，水体面积变幅最大，增大了32.68%。1990—2020 年间，城镇面积呈现逐步上升趋势，且增速在1995—2020年达到最大，为40.32%，2020 年漓江流域的城镇面积为1990 年的3 倍，表明城市在这30 年间急剧扩张，人类活动迹象明显。

表2 不同年份漓江流域土地利用与径流量变化

由表2的Pearson相关系数可以看出，旱地、稻田和城镇的面积与径流量呈负相关关系，植被和水体的面积与径流量呈正相关关系；城镇面积变化与径流量变化相关性强，水体面积变化与径流量变化的相关性中等，稻田面积变化与径流量变化的呈弱相关，旱地、植被的面积与径流量变化的相关性较弱。

1990 年和2020 年漓江流域地物类型分布分别见图5和图6。由图5和图6可以看出，城镇急剧扩张的地方位于桂林市及周边地区、雁山区、兴安县、阳朔县等，且原有区域多为稻田与旱地，城镇化扩张导致下垫面变化，由原有透水面变成不透水面。城市化扩张，大量原有稻田变为城镇，为了保证粮食生产，漓江流域上游大溶江与灵渠交汇处、雁山区、阳朔县周边开始大量种植水稻，但青狮潭水库下游稻田逐步退化成为旱地。为解决桂林市防洪及漓江枯水期补水问题，自2009 年起，漓江流域上游开始进行小溶江水库、川江水库及斧子口水库的建设，并于2014 年陆续进行蓄水，故漓江流域水体面积在2010—2020年间逐步增大，且在上游区域呈现出大面积水域范围，人类活动对漓江流域土地利用类型的变化影响显著，而下垫面的变化又会引起径流量变化。

图5 1990年漓江流域地物类型分布图

图6 2020年漓江流域地物类型分布图

3.5 基于累积量斜率变化率的径流演变归因分析

年份与累积径流量、累积降雨量、累积气温的相关关系图分别见图7～图9，根据式（5）～式（12）计算出的气候变化和人类活动对径流演变的贡献率见表3。

表3 气候变化和人类活动对径流演变的贡献率统计

图7 年份与累积径流量相关关系图

图8 年份与累积降雨量相关关系图

图9 年份与累积气温相关关系图

若无人类活动影响，1990—2020 年的年份-累积径流量斜率变化率应保持不变，表明人类活动使年份-累积径流量斜率变化了35.35%。从前文分析可知，漓江为雨源型河流，流域受降雨影响较大，故径流演变有54.11%受降雨影响。此外，气温变化对径流的演变贡献率仅为4.49%，与前文的Pearson相关系数计算结果一致。综上，气候变化对漓江流域径流演变的贡献率为58.60%，人类活动对漓江流域径流演变的贡献率为41.40%。

4 结论

（1）1990—2020 年间，漓江流域年径流量呈上升趋势，并于2015年前后发生突变。

（2）1990—2020 年间，漓江流域年降雨量呈上升趋势，并于2012 年前后发生突变，降雨量与径流量的相关系数为0.93，在几个影响因子中的相关度最高；年均气温呈上升趋势，并于2017 年前后发生突变，与径流量的相关系数为0.23，相关性弱；NDVI呈上升趋势，并于2010 年前后发生突变，与径流量的相关系数为0.39，相关性较弱。

（3）1990—2020 年间，漓江流域土地变化也呈现出明显的人为驱动因素，而土地利用变化导致的下垫面变化也是径流演变的主要影响因素之一。

（4）经定量分析，降雨对径流演变的贡献率最高，为54.11%，气温变化对径流的演变贡献率为4.49%，气候变化对漓江流域径流演变的贡献率为58.60%，人类活动对漓江流域径流演变的贡献率为41.40%。