黄土高原昕水河流域径流变化及其对环境要素的响应

王国庆，张建云，李雪梅，金君良，刘翠善，鲍振鑫，严小林，宋晓猛

（1.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京210029；2.水利部应对气候变化研究心，南京210029；3.黄河水利委员会水文局，郑州450002）

黄土高原气候干旱，水土流失严重；水资源短缺和生态环境恶化是当前该区域面临的主要环境问题［1］。河川径流是支撑区域经济发展和生态环境改善的重要因素，随着全球性气候变化和日益加剧的人类活动，黄河流域实测径流出现较大幅度的衰减，如花园口站1980—2004年的实测径流量与1955—1979年相比减少了33.1%，黄土高原多数支流实测径流也呈现锐减趋势，成为典型的季节性河流［2］，对区域工农业生产、生态环境保护乃至社会经济的稳定发展提出了严峻挑战。深入分析黄土高原典型流域径流变化及其对环境要素的响应关系，对于水资源的合理利用以及生态环境工程建设等方面具有重要意义。

本文以位于黄土高原腹地的昕水河流域为研究对象，系统诊断近60a来实测径流量的演变趋势及阶段性变化特征，分析不同阶段实测径流与气候要素之间的响应关系，初步揭示径流演变的驱动要素，以期为昕水河流域的治理开发及区域经济发展提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 流域概况

昕水河是黄河中游左岸的一级支流，具有南北两源，北源发源于交口县石口镇，流经冯家乡、朱家峪乡、隰县、水堤乡，在午城镇与南源相汇。南源发源于山西省蒲县东北的摩天岭，与北源汇合后向西流经大宁县、曲峨、徐家垛后汇入黄河。干流长度135km，流域面积4 326km2。大宁是昕水河流域最下游控制站，建站于1955年，具有较好的长序列观测水文资料。流域内及邻近周边有9个站点的长系列降水观测资料。流域水系及气象、水文站点分布见图1所示。

图1 昕水河流域水系及雨量站点位置分布示意图

根据1955—2008年资料统计，昕水河流域多年平均降水量约为510mm，受季风气候的影响，降水具有年际变化较大且年内分配不均的特点，最大年降水量约为最小年降水量的2.2倍。大宁站多年平均年径流为1.48亿m3，其中，汛期径流量约占年径流量的60%以上。为防治水土流失，自20世纪70年代以来，昕水河流域水利化程度提高显著，截至1999年，流域内共修建中小型水库2座，总库容达到710万m3，修建骨干工程12座，总控制面积61km2；淤地坝885座，谷坊3 867道，水窖19 554眼；修建梯田17 951hm2，造乔木林23 793hm2，种草3 332hm2，淤成坝地1 794hm2。流域内的这些人类活动在一定程度上改变了下垫面条件，使流域的水文状况发生了一定的变化。

1.2 有序聚类分析方法

受人类活动或气候变化显著影响后的水文序列在某种意义上异于原天然序列；在“类”的角度上，可将影响后的序列和原有序列（天然序列）视为两类，因此，天然序列和影响后序列间突变点的推求可以采用有序聚类分析法。

利用有序聚类分析法推估水文序列的可能显著干扰点 ，其实质上就是推求最优分割点，使同类之间的离差平方和最小，而类与类之间的离差平方和相对较大。最优点分割方法如下：

总离差平方和为：

一般地，若序列有两个明显的阶段性过程，则总离差平方和的时序变化呈现单谷底现象，谷底对应的年份即为最优的序列突变年份；若两个或两个以上的明显阶段性过程，则总离差平方和的时序变化呈现宽谷底现象，谷底两端对应的年份即为最优的突变年份。这样，就可以根据谷底发生的时间划分序列变化的阶段。目前，有序聚类分析方法是针对水文序列阶段性异常变化的较为有效的方法之一［3］。

2 结果与分析

2.1 实测径流演变的阶段性

昕水河流域气候干旱，降水、蒸发对河川径流影响显著，大部分降水消耗于蒸发损失，多年平均径流深32.4mm，年径流系数为0.02～0.13，多年平均径流系数约为0.06。图2给出了1955—2008年大宁站年均流量及其5a滑动平均变化过程。由图2可以看出：（1）大宁站实测流量总体呈现递减趋势，多年平均线性递减率为－0.85mm／a。（2）在1965年之前，实测流量总体偏高，且丰枯交替变化现象明显，该时期平均径流量约为55.6mm，其中，1958年和1964年径流量较大，均超过100mm。（3）1980年之后的实测径流量明显偏小，多数年份的径流量低于多年均值，其中，90年代平均径流量21.1mm，较多年均值偏少1／3，该时期只有1993年的实测径流量超过多年均值，约为40.1mm。（4）21世纪以来，处于持续性流量偏低阶段，多年平均径流量为15.7mm，不到多年均值的一半。

图2 昕水河流域大宁站1955－2010年实测流量及其5a滑动平均过程

采用有序聚类的方法，分析了大宁站实测流量变化的阶段性，图3给出了1955—2008年实测流量离差平方和的时序变化过程。由图3可以看出，实测流量离差平方和总体呈现宽谷底的变化过程，在1965年前后进入谷底，在1979年实测流量离差平方和达到最低点。由此可以说明，大宁站实测流量变化以1965年和1979年为分界总体可以划分为三个阶段，分别为：第一阶段1955—1965年，第二阶段1966—1979年，第三阶段1980—2008年。河川径流量变化的阶段性与流域内的人类活动密切相关，昕水河流域自20世纪60年代中期之前水土保持面积总体较少且变化较为稳定，20世纪70年代以来，林地面积显著增加；21世纪以来，草地和坝地面积增加明显。实测径流量阶段性变化的诊断结果与流域人类活动强度变化总体相符。

昕水河流域气温年内分布季节差异明显，多年平均气温约为9.0℃；6—8月份气温较高，一般均在20℃以上，其中，7月份气温最高；11月份，气温由正转负，12月至次年2月份，气温一直在0℃以下，其中，1月份气温最低。降水主要集中在7—9月份，且多以暴雨形式出现，该三个月降水约占年降水量的60%。实测流量的年内分配为双峰型过程，3月份有个小的峰值出现；汛期8月份峰值较大，约占年径流量的25%。主汛期高强度暴雨下的超渗产流是昕水河流域7月，8月份洪水及汛期水量的主要原因；尽管3月份降水量仅占年降水量的3.0%，但由于该月气温升高显著，流域内的前期积雪消融，冰雪融水有效补给河川径流，使得流量显著增加。

图3 昕水河流域大宁站1955－2008年实测流量离差平方和时序变化

前述分析结果表明，昕水河流域实测流量呈现阶段性减少趋势，以1955—1965年为基准期，图4给出了后两个阶段实测径流量较基准期的变化。由图可以看出：（1）在1966—1979年期间，实测径流量较基准期减少31.9%；在年内分配上，1—4月份和7月份较前期偏少幅度小于20%，其余月份偏少幅度均超过20%，其中，5月份偏少最多，接近60%。（2）在1980—2008年期间，实测径流量较基准期减少更为显著，平均偏少62.42%；在季节分配上，1—3月份偏少幅度为30%～40%，其余月份偏少幅度在60%左右。

图4 昕水河流域不同阶段实测径流量较基准期变化的年内分配

2.2 不同阶段径流与气象要素之间的响应关系

降水是流域河川径流的重要驱动力［4－6］，降水的丰枯变化在一定程度上决定了昕水河河川径流量的变化状况。统计结果表明，1966—1979年和1980—2008年昕水河流域降水量较1955—1965年分别偏少7.2%和16.6%。在年内分配格局上，1966—1979年期间有3个月份（3月、5月、8月）较基准期明显偏少，偏少幅度达40%，其余月份略微偏多或与基准期持平；1980—2008年期间只有12月份降水量较基准期约偏多40%左右，其余月份均较基准期偏少。尽管很难从1966—1979年阶段降水的年内分配看出降水对河川径流季节分配影响的贡献，但1980—2008年降水大幅度减少无疑对该时期河川径流量的锐减起到了至关重要的作用。

人类活动也是影响河川径流的主要驱动因子，以对比试验小流域为对象，穆兴民等［7］、王国庆等［8］对比分析了天然小流域与治理小流域在相同降水过程下的洪水过程，发现治理的小流域洪水过程变缓，峰值流量明显变小。诸如水利工程及水土保持等人类活动通过改变区域下垫面条件，使得降水径流关系发生改变，进而对流域的产汇流状况产生一定影响［9－10］。图5给出了昕水河流域不同阶段年降水量与径流量的相关关系。

图5结果表明：（1）不同阶段降水径流关系点群分布区域存在一定差异，其中，第一阶段降水径流关系点群集中在上部；降水量小于580mm时，第二阶段的点群处于第一阶段点群分布范围之内，但当降水量超过580mm，第二阶段的点群分布低于第一阶段点群；第三阶段的点群分布最低；由此表明，当降水量小于580mm时，对于相同的年降水量，第一、二阶段的产流量基本相当，但均高于第三阶段的产流量，当降水量大于580mm，对应相同的年降水量，第一阶段产流量最大，第二阶段次之，第三阶段产流量最小。（2）不同阶段降水径流关系的变化无疑是由于流域内水土保持等人类活动影响造成的，不同阶段降水径流关系点群的分布同时表明，在年降水量不超过580 mm的情况下，第二阶段新增人类活动对径流量的影响并不明显，而在第三阶段，新增人类活动对河川径流量的影响却较为显著；当降水量超过580mm时，不同阶段新增人类活动对河川径流量的影响均较为明显。（3）不同阶段降水径流关系斜率差异明显，其中，1955—1965年期间的降水径流关系斜率最大（0.173），说明在人类活动较少期间，单位降水增加引起的河川径流量变化较大；而1980—2008年的降水径流关系斜率最小（0.079）；说明随着降水增加，河川径流变化较小，该时期地下径流占河川径流的较大成分；在降水较大情况下人类活动对河川径流特别是地面径流的影响更为明显。统计结果表明，三个阶段年降水量与径流量之间的相关系数分别为0.82，0.62，0.51，说明人类活动不仅改变了河川径流量，而且降低了年降水量与径流量之间的相关性。

图5 昕水河流域不同阶段年降水量与径流量的相关关系

人类活动对不同季节河川径流量的影响存在差异，图6—7分别给出了昕水河流域汛期（6—10月份）和非汛期（11—次年5月份）月降水与径流量之间的相关关系。

图6 昕水河流域不同阶段汛期（6—10月份）月降水量与径流量的相关关系

图7 昕水河流域不同阶段非汛期（11—5月份）月降水量与径流量的相关关系

由图6可以看出：（1）三个阶段月降水量的变化范围基本一致，变化范围大多在0～250mm，其中，第三阶段有一个月份降水量超过250mm。第一阶段汛期月降水量大于100mm的月份约占45.5%，第二、三阶段汛期约30%和26.9%的月份降水量超过100mm；汛期较大降水月份的显著偏少是径流量减少的重要原因之一。（2）汛期月降水量与径流量的关系点群分布格局总体与年降水径流关系点群的分布类似，第一阶段点群集中在上部，第三阶段点群位于下部，人类活动对第三阶段汛期影响明显。此外，与年尺度降水径流关系不同的是月尺度降水径流关系的非线性更加明显。（3）第三阶段内，降水量小于130mm时，径流量没有大的变化，当降水量超过130mm，径流量才有所增加，说明第三阶段即便在汛期，河川径流仍以地下径流为主，降水产生的地面径流多被水土保持工程拦蓄，人类活动对河川径流的影响显著。

由图7可以看出：（1）三个阶段非汛期月降水量与径流量关系点群散乱，降水径流的相关性较差；三个阶段非汛期点群分布格局与汛期类似，其中，第三阶段点群处于下部，说明人类活动不仅影响汛期径流量，而且对非汛期径流量也具有一定的影响。（2）值得注意的是，在降水量偏低（小于10mm）的情况下，三个阶段的河川径流量变化幅度偏大，如第一阶段非汛期个别月份在降水量接近0的情况下，月径流量却高达8mm，由此说明，在降水量较少的情况下，径流并非直接源于当月降雨。前述分析表明，昕水河流域冬季降水较少且气温较低，三月份气温升高引起流域内冰雪消融，对河川径流补给可能有一定影响，图8给出了非汛期月平均气温与径流量之间的相关关系。

图8 昕水河流域不同阶段非汛期（11—5月份）月均气温与径流量的相关关系

由图8可以看出：（1）气温与径流关系点群具有明显的区域性，不同阶段的点群区域分布类似与降水径流关系点群的分布特征，第三阶段集中在下部区域。（2）此外，大约以5℃为阈值，不同阶段气温径流关系点群呈现左右集中分布；在月气温低于5℃的情况下，径流随气温升高具有增加趋势，其中，第一阶段增加幅度较为明显；当月气温高于5℃时，气温与径流基本没有相关性；分析认为，昕水河流域在11月份至次年3月份气温低于5℃时，该时期降水偏少且多以降雪形式出现，3月份气温回暖，温度高于0℃，流域内的前期积雪融化导致河川径流增加。非汛期气温高于5℃的月份主要集中在4月、5月，该时期气温较高，蒸发较大，而该时期的降水尚难以满足蒸发的损耗，因此，导致河川径流存在随气温升高而减少的趋势。（3）同时也可以看出，当气温低于－5℃时，不同阶段气温径流点群变化幅度较小，由此可以推断，由于气温较低，冰雪难以融化，该时期河川径流主要为地下径流成分。（4）前述分析表明，气温、降水在季节分配上具有较好的同步性，即汛期气温较高，降水量也较大。当气温超过5℃时，随气温升高而径流量增大的规律实际上反映了径流与降雨之间的响应关系。不同时期气温与径流量之间的差异也间接反映了人类活动对流域水文的影响。

3 结论

大宁站实测流量总体呈现递减趋势，以1965年、1980年为分界点呈现三个阶段变化特征，21世纪以来，昕水河流域一直处于持续性流量偏低阶段，多年平均流量不到多年平均径流量的1／2。昕水河流域降水的年内分配为单峰型过程，实测流量的年内分配为双峰型过程。主汛期高强度暴雨下的超渗产流是昕水河流域7月、8月份洪水及汛期水量的主要原因。3月份气温升高引起的积雪消融是3月份凌峰产生的重要组成。不同阶段降水径流关系点群分布区域存在一定差异，其中，第一阶段降水径流关系点群集中在上部，第三阶段的点群分布最低，说明人类活动对第二阶段河川径流有一定影响，对第三阶段影响更为明显。前期积雪及积雪融化对河川径流量影响的气温阈值约为±5℃，当气温低于－5℃时，河川径流量以地下径流量为主。当气温高于5℃时，气温对河川径流量的影响主要体现为增大流域蒸发导致径流量减少，基本不再存在融雪径流成分。昕水河流域水土流失严重，是国家开展水土保持生态工程建设的重点区域，大规模的水土保持等系列人类活动对流域水文产生深远的影响，定量评估变化环境下昕水河流域径流变化原因是未来研究的重要科学问题和有效遴选适宜的水土保持措施，开展昕水河流域治理的重要前期工作。

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